copy

L1, L2 ve L5 Frekanslarında Çalışan Üç Katmanlı Mikroşerit GPS Anteni
Tasarımı
Sertaç ERDEMİR 1
Asım Egemen YILMAZ *
Özet: Bu çalışmada Küresel Konumlandırma Sistemleri ölçümlerindeki kullanımı gittikçe
yaygınlaşan mikroşerit antenler incelenerek, Küresel Konumlandırma Sistemleri içerisinde en
gelişmişi olan GPS için L1 (1575.42 MHz) , L2 (1227.60 MHz) ve L5 (1176.45 MHz)
frekanslarında çalışan, tek koaksiyel hat ile beslenen, üç bantlı ve yüksek kazançlı bir mikroşerit
yama anten tasarımı yapılmıştır. 7cm 7cm 0.53cm boyutlarındaki anten modeli, yığıt yapısı
(stacked microstrip antenna) temel alınıp, üç katmanlı olarak oluşturulmuştur. Elde edilen
tasarım, CST Microwave Studio programında simüle edilerek optimize edilmiştir.
1. GİRİŞ
Mikroşerit antenler, temel olarak üst tarafında ışıma amaçlı çok ince bir iletken levha (yama)
bulunan, dielektrik alt katman (substrate, alt taş) ile bu katmanın alt tarafında da toprak olarak
görev yapan bir diğer iletken levhadan oluşurlar [1].
Mikroşerit antenler, hafif olmaları, az hacim kaplamaları, düşük fabrikasyon maliyetleri, lineer
ve dairesel polarizasyonun her ikisini de desteklemeleri, mikrodalga devrelere kolayca entegre
edilebilmeleri ve çoklu frekans uygulamalarına uygun olmaları gibi avantajları nedeniyle; bu
özelliklere sahip düşük profilli anten kullanımının gereklilik olduğu hava araçlarında, uzay
mekiklerinde, füzelerde, uydularda, cep telefonlarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadırlar [1].
Küresel Konumlandırma Sistemlerinde (GPS, Galileo, Glonass, Beidou, IRNSS) de diğer anten
türlerine göre mikroşerit antenler giderek artan bir kullanım alanı bulmaktadır.
Şekil 1. Küresel Konumlandırma Sistemleri frekans bantları [9]
1
Ankara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, 06100 Tandoğan, Ankara,
İletişim Yazarı: A.E. Yılmaz ([email protected])
1
GPS ölçümlerinde, elektromanyetik dalgaların kullanımıyla uydulardan kullanıcılara veri akışı
yapılmaktadır. Her GPS uydusu sivil kullanıma açık konum belirleme amaçlı olarak 3 temel
frekansa sahiptir. Bu frekanslar, 10.23 MHz temel frekansın 154, 120 ve 115 tam katları alınarak
elde edilmiş olan L1 (1575.42 MHz), L2 (1227.6 MHz) ve L5 (1176.45 MHz) frekanslarıdır [4].
2. L1, L2 VE L5 FREKANSINDA ÇALIŞAN ANTENİN TASARIMI
Çoklu frekanslarda çalışan mikroşerit antenler oluşturmak için kullanılan iki temel yöntem
vardır. Bunlardan birincisi, tek yamalı tasarımdır. Tek yamalı (single-patch) tasarımlarda,
çalışma frekansları arasındaki oran 1.5 ya da daha fazladır. Bu durum, GPS L1 (1575.42 MHz),
L2 (1227.6 MHz) ve ve L5 (1176.45 MHz) frekanslarında çalışacak anten yapımını zorlaştırır.
Öte yandan yığıt yamalı (stacked-patch) tasarımlar, antenin birbirine yakın rezonans
frekanslarını kapsamasına yol açan esnekliği sağlar [2]. Literatürde, GPS L1 ve L2 frekanslarını
kapsayan yığıt yamalı mikroşerit antenler bulunmaktadır [2][6][7]. Bu prensip, birbirine yakın
üç rezonans frekansını kapsayan, yığıt yamalı mikroşerit antenlerin yapılmasını da mümkün kılar
[3]. Üç yamalı tasarım her üç yamanın yan yana yerleştirilmesiyle elde edilebilir. Böyle bir yapı
ile istenilen rezonans frekanslarını elde etmek, istenmeyen ışımaların fazla olması nedeniyle
oldukça zordur. Bu çalışmada katmanlar, yığıt halinde üst üste yerleştirilerek kontrol edilemeyen
ışımaların daha düşük seviyede kalması sağlanmıştır. Bu yapının kullanılması, antenin
optimizasyon sürecini de hızlandırmıştır.
GPS sinyalleri sağ el dairesel polarizasyonludur. Dairesel polarizasyonu, tek bir hat ile
oluşturmak zordur. Bu zorluk, besleme hattını anten yapısına asimetrik şekilde yerleştirip, her
katmanda bulunan yamalardan birbirlerine çapraz iki köşelerden parçalar kesilerek aşılabilir. Sağ
el polarizasyonu sağlamak içinse, kesik parçaların bulunduğu tarafa göre besleme hattı belli bir
eksen üzerinde (x yada y ekseni) bulunmalıdır. Besleme hattı için seçilen eksene göre anten, sol
el ya da sağ el polarizasyonlu olabilmektedir [5][8].
Anten geometrisi Şekil 2’de gösterilmiştir. Yapıda, düşük maliyetli olması nedeniyle alt katman
(substrate) olarak dielektrik katsayısı εr = 4.3 olan FR4 materyali kullanılmıştır. Alt katman, üst
üste 3 adet karesel yama ve toprak levhası ile 3 tabakaya ayrılmıştır. Antenin beslemesi, tek
koaksiyel hat kullanılarak üst yamadan yapılmıştır. Alt ve orta yamalar, koaksiyel besleme ile
temas etmediğinden üst yamaya kuplajlanarak ışıma yapmaktadırlar.
Şekil 2. (a) Yapılan tasarım üstten ve yandan görünümü (b) Elde edilen tasarım için CST
MWS’de oluşturulan yapı
2
Parametre
Lp
Mp
Up
a
b
c
h1
h2
h3
lower_hole_radius
middle_hole_radius
probe_position
probe_radius
ground
ground_hole_radius
ground_thickness
thickness
Değer (mm)
58
56.5
45.2
4.7
4.9
4.1
1
2
2
1.8
1.4
10
0.65
70
2
0.07
0.07
Tanım
Alt yama kenar uzunluğu
Orta yama kenar uzunluğu
Üst yama kenar uzunluğu
Alt yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu
Orta yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu
Üst yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu
Üst substrate kalınlığı
Orta substrate kalınlığı
Alt substrate kalınlığı
Alt yamada bulunan, besleme açıklığı yarıçapı
Orta yamada bulunan, besleme açıklığı yarıçapı
Besleme noktası
Besleme hattı yarıçapı
Toprak levhası kenar uzunluğu
Toprak levhasında bulunan, besleme açıklığı yarıçapı
Toprak levhası kalınlığı
Yama kalınlığı
Tablo 1. Tasarım parametreleri
Tasarım parametreleri, mm cinsinden Tablo 1’de verilen anten 7cm 7cm 0.53cm
boyutlarındadır. Lp Lp boyutundaki alt yama, en düşük çalışma frekansı (L5, 1176.45 MHz);
Mp Mp boyutundaki orta yama, orta çalışma frekansı (L2, 1227.6 MHz) ve Up Up
boyutundaki üst yama en yüksek çalışma frekansı (L1, 1575.42 MHz) üzerinde etkilidir. Lp
parametresi L5 frekansını, Mp parametresi L2 frekansını ve Up parametresi L1 frekansını kontrol
etmektedirler. Bundan dolayı, Lp, Mp ve Up parametreleri tasarım için kullanılan en önemli
parametrelerdir.
Şekil 3. Alt yama kenar uzunluğu Lp’nin, L5 çalışma frekansı üzerindeki etkisi
3
Şekil 4. Orta yama kenar uzunluğu Mp’nin, L2 çalışma frekansı üzerindeki etkisi
Sağ el dairesel polarizasyonu sağlamak amacıyla, besleme noktası x-ekseni üzerine yerleştirilmiş
ve 3 yamanın da birbirine çapraz ikişer köşeleri, (-x, +y) ve (+x, -y) bölgelerinden ikizkenar
üçgen şeklinde kesilmiştir. Bu kesiklerin kenar uzunluklarının, rezonans frekansları üzerinde
önemli bir etkisi yoktur. Ancak bu kenar uzunlukları a, b, c antenin sağ el polarizasyon kazanç
miktarını önemli ölçüde etkilemektedir. Bu değerler, antenin sağ el dairesel polarizasyon
kazancını yüksek yapacak şekilde belirlenmiştir.
Şekil 5. Alt yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu a’nın rezonans frekansları üzerindeki
etkisi
Besleme noktasının bulunduğu eksen üzerindeki pozisyonunun, rezonans frekansı üzerinde etkisi
bulunmamaktadır. Ancak rezonans frekanslarındaki geri dönüş kaybını etkileyen bu parametre,
sağ el dairesel polarizasyon kazancını etkilemektedir. Dairesel polarizasyonun türü, yamaların
köşelerindeki kesiklerin bulundukları yer itibariyle, besleme noktasının bulunduğu eksene göre
değişmektedir. Bu nedenle, besleme noktası +x ekseni üzerinde hareket ettirilmiştir.
4
Şekil 6. (x,0) noktasında bulunan besleme hattının +x ekseni üzerindeki konumunun, rezonans
frekansları üzerindeki etkisi
Şekil 7. Besleme noktasının bulunduğu eksene göre dairesel polarizasyona etkisi
Alt katman yükseklikleri rezonans frekansları ve geri dönüş kaybı değerleri üzerinde etkilidir.
Alt katman yükseklikleri h1, h2 ve h3 parametreleri ile karakterize edilmiştir. h1, en yüksek
rezonans frekansı (L1) üzerinde, h2 orta rezonans frekansı (L2) ve h3’te en düşük rezonans
frekansı (L5) üzerinde etkilidir. Rezonans frekansları ve geri dönüş kayıpları üzerindeki etkileri
göz önüne alınarak bu değerler h1=1mm, h2=2mm ve h3=2mm şeklinde belirlenmiştir.
Şekil 8. L1, L2 ve L5 frekanslarında çalışan GPS anteninin geri dönüş kaybı grafiği
5
Her üç çalışma frekansında da -20 dB’nin altında geri dönüş kaybına sahip olan antenin, 10 dB
bant genişlikleri L5 frekansı için 21 MHz, L2 frekansı için 27 MHz ve L1 frekansı için 32
MHz’dir.
Şekil 10’da antenin, 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon kazanç grafikleri görülmektedir. L1
frekansı için sağ el dairesel polarizasyon kazanç değerinin 5.6 dBi, L2 frekansı için sağ el
dairesel polarizasyon kazanç değerinin 5.07 dBi ve L5 frekansı için de sağ el polarizasyon
kazanç değerinin 2.71 dBi olarak bulunmuştur.
Şekil 9. (a) (b) (c) L1, L2 ve L5 frekansları için 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon grafikleri
6
3. SONUÇ
GPS uygulamalarında kullanılabilecek, sağ el dairesel polarize (RHCP) dalgaları alabilen ve L1
(1575.42 MHz) , L2 (1227.60 MHz) ve L5 (1176.45 MHz) frekanslarının her üçünde de -20 dB
geri dönüş kaybı seviyesinin altında rezone olan üç katmanlı bir mikroşerit anten tasarımı
yapılmıştır. Anten modelinin geometrik özellikleri, CST MWS yazılımı ile parametrize edilerek
simülasyonu yapılmış ve sonuçlar yorumlanmıştır.
GPS sinyalleri için bant aralıkları L1 frekansında 24 MHz, L2 frekansında 22 MHz, L5
frekansında 27 MHz’dir. Elde edilen simülasyon sonuçlarına göre, tasarlanan antenin L1
frekansında 32 MHz, L2 frekansında 27 MHz, L5 frekansında ise 21 MHz bant genişliğine sahip
olduğu görülmüştür. GPS anten performansını gösteren, en önemli parametrelerden olan sağ el
dairesel polarizasyon kazanç değerleri L1,L2 ve L5 frekansları için sırasıyla 5.60 dBi, 5.07 dBi
ve 2.71 dBi olarak bulunmuştur. Anten kazancı LNA devreleri ile de artırılabileceğinden; bu
değerler, istenilen kazanç seviyesi olan 4 dBi’a göre oldukça yeterlidir.
Bu çalışmada Lp, Mp ve Up parametrelerinin sırasıyla L5, L2 ve L1 rezonans frekansları
üzerinde etkili olduğu görülmüştür. Şekil 3 ve Şekil 4’te Lp ve Mp parametrelerinin düşük ve
orta rezonans frekansları üzerindeki etkileri gösterilmiştir. Sağ el dairesel polarizasyonu
sağlamak için besleme noktası, Şekil 7’de görüldüğü gibi yerleştirilmiştir. Ayrıca Şekil 6’da
görüldüğü üzere; besleme noktasının bulunduğu eksendeki hareketi, rezonans frekansı üzerinde
etkisizdir ancak bu parametre (probe_position) geri dönüş kaybı değerini ayarlamayı sağlayan en
önemli parametredir. Bu parametreler, yapılan antenin farklı uygulama alanları için de
kullanılabilmesini sağlayacak tasarım kılavuzları olarak sunulmuştur.
KAYNAKLAR
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Balanis, C.A. 2005. Antenna Theory Analysis and Design, John Wiley & Sons, 1097 s.,
New York.
Chen, S.C., Liu, G.C., Chen, X.Y., Lin, T.F., Liu, X.G. and Duan Z.Q. 2010. Compact DualBand GPS Microstrip Antenna Using Multilayer LTCC Substrate, IEEE Antennas and
Wireless Propagation Letters, vol. 9, 421-423.
Falade, O.P., Gao, Y., Chen, X. and Parini, C. 2013. Stacked-Patch Dual-Polarized Antenna
for Triple-Band Handheld Terminals, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol.
12, 202-205.
Kahveci, M. ve Yıldız, F. 2012. GPS/GNSS Uydularla Konum Belirleme Sistemleri TeoriUygulama, Nobel Yayıncılık, 225 s., Ankara.
Kumar, G. and Ray, K.P. 2003. Broadband Microstrip Antennas, Artech House, USA.
Peng, X.F., Zhong, S.S., Xu, S.Q. and Wu, Q. 2005. Microwave and Optical Technology
Letters, vol. 44, no. 1, 58-61.
Su, C.M., Wong, K.L. 2002. A Dual-Band GPS Microstrip Antenna, Microwave and Optical
Technology Letters, vol. 33, no. 4, 238-240.
Wong, K.L. 2002. Compact and Broadband Microstrip Antennas, John Wiley & Sons, New
York.
http://www.positim.com/galileo_gps_compass_frequency_allocation.jpg
7