ANKARA ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

LİSANS TEZİ

ÜÇ BANTLI MODERN GPS ANTENİ ANALİZİ VE TASARIMI

SERTAÇ ERDEMİR

ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ

DANIŞMAN: Doç. Dr. Asım Egemen YILMAZ

ANKARA

2013

Her hakkı saklıdır

i

ÖZET

Lisans Tezi

Üç Bantlı Modern GPS Anteni Analizi ve Tasarımı

Sertaç ERDEMİR

Ankara Üniversitesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

Danışman: Doç. Dr. Asım Egemen YILMAZ

Bu çalışmada, Amerikan Savunma Bakanlığının (US DoD) GPS (Global Positioning

System–Küresel Konumlandırma Sistemi) için standartlaştırdığı sivil çalışma frekansları

olan, 1176.45 MHz (L5), 1227.6 MHz (L2) ve 1575.42 MHz’de (L1) çalışan üç bantlı ve üç

katmanlı GPS anteninin tasarımı yapılmıştır.

GPS ölçümlerinde kullanılan en önemli donanım olan anten tasarımının optimizasyonu

için, CST Microwave Studio programında anten yapıları modellenip, geometrik ve fiziksel

özellikler parametrize edilerek anten yapılarının elektromanyetik simülasyonları

incelenmiştir. Bu yapılar birbirleriyle karşılaştırılarak GPS anteni olarak kullanılması

uygun görülen optimal yapı belirlenmiştir.

L1, L2 ve L5 frekanslarının her ucunu de kapsamak üzere tasarlanan GPS anteninin; zorlu

hava koşulları ve çalışma ortamından en az etkilenecek şekilde, yüksek doğruluk gerektiren

askeri ve ticari GPS uygulamalarında kullanılabilmesi amaçlanmıştır.

L1, L2 ve L5 frekansları arasındaki ve dışındaki sinyal girişim etkilerinden kaçınılmasını

sağlamak için, antenin ; bu frekansları ayrı ayrı kapsayan, üç dar bant aralığına sahip olması

gerektiği sonucuna varılmıştır. Ayrıca, tasarlanan anten yapısı, ilgili akademik literatürdeki

güncel çalışmalardaki bulgularla karşılaştırılmıştır.

2013, 55 Sayfa

Anahtar kelimeler: GPS, Mikroşerit, Yama Anten, Üç bantlı antenler, Dairesel

Kutuplama, CST MWS

ii

ABSTRACT

Undergradute Thesis

Analysis and Design of a Triple-Band Modern GPS Antenna

Sertaç ERDEMİR

Ankara University

Electrical and Electronics Engineering Department

Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Asım Egemen YILMAZ

In this study, triple-band, triple-layered GPS (Global Positioning System) antenna,

standardized by US. Department of Defence for civilian applications, and operating at civil

GPS frequencies of 1176.45 MHz (L5), 1227.6 MHz (L2) and 1575.42 MHz (L1), has been

designed.

For optimizing the design of antenna, i.e. the most essential part of GPS calculations,

antenna structures have been modelled, and electromagnetic simulations have been

analyzed by parameterizing the geometric and physical properties in CST Microwave

Studio software. These structures have been compared to determine the optimal structure

for GPS antenna.

It has been aimed that the GPS antenna, designed to cover the L1, L2 and L5 frequencies,

can be utilized in military and commercial applications that require high precision, with

minimal inference in extreme weather conditions and tough working environments.

In order to ensure prevention of between-signal and out-of-scope signal interferences, it has

been concluded that the antenna must have three narrow bands that will include all three

frequencies separately. Furthermore, the designed antenna structure and the empirical

findings of the recent and related academic literature have been compared.

2013, 55 pages

Keywords: GPS, Microstrip, Patch Antenna, Triple-band, Circular Polarization, CST

MWS

iii

TEŞEKKÜR

Bu araştırma için beni yönlendiren, çalışmalarım süresince ilgisini ve yardımlarını benden

esirgemeyen değerli hocam sayın Doç. Dr. Asım Egemen YILMAZ’a ve her zaman

yanımda olan aileme teşekkürü bir borç bilirim.

iv

İÇİNDEKİLER

ÖZET....................................................................................................................................... i

ABSTRACT ........................................................................................................................... ii

TEŞEKKÜR .......................................................................................................................... iii

İÇİNDEKİLER ..................................................................................................................... iv

ŞEKİLLER DİZİNİ ............................................................................................................... vi

TABLOLAR DİZİNİ .......................................................................................................... viii

1. GİRİŞ ................................................................................................................................. 1

2. KURAMSAL TEMELLER ............................................................................................... 2

2.1. Antenler Hakkında Genel Bilgiler .............................................................................. 2

2.2. Devre Elemanı Olarak Antenler ve Empedans Uyumu ............................................. 2

2.2.1. Alıcı Anten Eşdeğer Devresi ........................................................................ 3

2.2.2. Verici Anten Eşdeğer Devresi ...................................................................... 4

2.3. Anten Parametreleri ve Tanımlamaları ...................................................................... 4

2.3.1. Işıma Diyagramı ........................................................................................... 4

2.3.2. Voltaj Duran Dalga Oranı (VSWR) ............................................................. 5

2.3.3. Geri Dönüş Kaybı (RL) ................................................................................ 5

2.3.4. Bant Genişliği ............................................................................................... 6

2.3.5. Demet Genişliği ............................................................................................ 6

2.3.6. Yönlendiricilik .............................................................................................. 6

2.3.7. Güç Kazancı ................................................................................................. 7

2.3.8. Verimlilik ..................................................................................................... 7

2.3.9. Polarizasyon ................................................................................................. 7

2.4. GPS Hakkında Genel Bilgiler .................................................................................... 8

2.5. GPS Sinyalinin Özellikleri ....................................................................................... 10

2.6. GPS Antenlerinin Genel Özellikleri ......................................................................... 12

2.6.1. Polarizasyon ............................................................................................... 12

2.6.2. Eksenel Oran .............................................................................................. 13

2.6.3. Rezonans Frekansı ve Bant Genişliği ......................................................... 13

2.7. GPS Anteni için Hedeflenen Gereksinimler ............................................................ 15

3. MİKROŞERİT ANTEN TEORİSİ .................................................................................. 16

3.1. Mikroşerit Antenlerin Tarihçesi ............................................................................... 16

v

3.2. Mikroşerit Antenlerin Temel Karakteristikleri......................................................... 16

3.3. Mikroşerit Antenlerin Avantajları ve Dezavantajları ............................................... 18

3.4. Mikroşerit Antenleri Besleme Teknikleri ................................................................ 19

3.5. Mikroşerit Antenlerin Analizi .................................................................................. 20

4. DİKDÖRTGEN YAMALI MİKROŞERİT ANTENLERİN ANALİZİ ......................... 22

4.1. Dikdörtgen Yamalı Mikroşerit Antenin İletim Hattı Metodu ile Analizi ................ 22

4.1.1. Saçaklanma Etkileri .................................................................................... 22

4.1.2. Etkin Uzunluk, Genişlik ve Rezonans Frekansı ......................................... 24

4.1.3. Tasarım ....................................................................................................... 25

4.2. Dairesel Polarizasyonlu Mikroşerit Anten ............................................................... 25

4.2.1. Çift Beslemeli Dairesel Polarizasyonlu Mikroşerit Anten ......................... 26

4.2.2. Tek Beslemeli Dairesel Polarizasyonlu Mikroşerit Anten ......................... 27

5. GPS ANTENİ TASARIMLARI ..................................................................................... 31

5.1. Tek Frekansta Çalışan GPS Anteni Tasarımları....................................................... 32

5.1.1. L1 Frekansında Çalışan E-Şekilli Mikroşerit Anten Tasarımı ................... 32

5.1.2. L1 Frekansında Çalışan Tek Yamalı Mikrodalga Alt Katmanlı Dairesel

Polarizasyonlu GPS Anteni Tasarımı....................................................................... 35

5.1.3. L1 Frekansında Çalışan Tek Yamalı Seramik Alt Katmanlı Dairesel

Polarizasyonlu GPS Anteni Tasarımı....................................................................... 38

5.2. Çift Frekansta Çalışan GPS Anteni Tasarımı ........................................................... 40

5.2.1. L1 ve L2 Frekansında Çalışan Çift Yamalı Dairesel Polarizasyonlu GPS

Anteni .................................................................................................................... 40

5.3. Üç Frekansta Çalışan GPS Anteni Tasarımı ............................................................ 45

5.3.1. L1, L2 ve L5 Frekansında Çalışan Üç Yamalı Dairesel Polarizasyonlu GPS

Anteni .................................................................................................................... 45

6. SONUÇLAR ................................................................................................................... 52

KAYNAKÇA ....................................................................................................................... 54

vi

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil 2.2-1 Alıcı anten eşdeğer devresi .................................................................................. 3

Şekil 2.2-2 Verici anten eşdeğer devresi ................................................................................ 4

Şekil 2.4-1 GPS uzay bölümü ................................................................................................ 8

Şekil 2.6-1 Sağ el dairesel polarizasyonlu bir düzlem dalga ............................................... 12

Şekil 2.6-2 Küresel Konumlandırma Sistemleri frekans bantları ........................................ 13

Şekil 3.2-1 Mikroşerit antenlerde kullanılan temel yama şekilleri ...................................... 17

Şekil 3.4-1 Mikroşerit antenlerde kullanılan besleme teknikleri mikroşerit hat, (b) koaksiyel

hat, (c) açıklık kuplajlı, (d) yakınlık kuplajlı, ...................................................................... 20

Şekil 4.1-1 Dikdörtgen yamalı mikroşerit antenin 3 boyutlu görünümü ............................. 22

Şekil 4.1-2 Saçaklanma etkileri (a) mikroşerit hat, (b) elektrik alan çizgileri, (c) etkin

dielektrik sabiti geometrisi ................................................................................................... 23

Şekil 4.2-1 Güç bölücü yardımıyla çift beslenmiş bir mikroşerit anten .............................. 26

Şekil 4.2-2 Çift koaksiyel hatla beslenmiş dairesel polarizasyonlu mikroşerit anten yapıları:

(a) dairesel yama, (b) kare yama .......................................................................................... 27

Şekil 4.2-3 Tek koaksiyel hatla beslenmiş dairesel polarizasyonlu mikroşerit anten yapıları:

(a) dairesel yama, (b) kare yama .......................................................................................... 27

Şekil 4.2-4 Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu kare yamalı mikroşerit anten yapıları: (a)

köşegen beslemeli kareye yakın yama; (b) iki eklentili, (c) iki çentikli, (d) iki köşesi üçgen

şeklinde kesilmiş, (e) iki köşesi kare şeklinde kesilmiş, (e) köşegen açıklıklı kare yamalar28

Şekil 4.2-5 Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu daire yamalı mikroşerit anten yapıları: (a)

eliptik yamalı; (b) iki çentikli, (c) iki eklentili, (d) dikdörtgen açıklıklı daire yamalar ....... 29

Şekil 4.2-6 Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu üçgen yamalı mikroşerit anten yapıları:

(a) ikizkenar, (b) kesik uçlu, (c) dikdörtgen açıklıklı, (d) çentikli üçgen yamalar .............. 30

Şekil 5.1-1 E-şekilli mikroşerit GPS anteninin yapısı ......................................................... 33

Şekil 5.1-2 E-şekilli mikroşerit GPS anteninin CST MWS programında elde edilen geri

dönüş kaybı (S11) grafiği ...................................................................................................... 34

Şekil 5.1-3 E-şekilli mikroşerit GPS anteninin: (a) 2 boyutlu, (b) 3 boyutlu RHCP kazanç

grafikleri ............................................................................................................................... 35

vii

Şekil 5.1-4 Köşegen uçları kesilmiş kare yamalı dairesel polarizasyonlu GPS anteni ........ 36

Şekil 5.1-5 Mikrodalga alt katmanlı GPS anteninin CST MWS programında elde edilen

geri dönüş kaybı (S11) grafiği ............................................................................................... 37

Şekil 5.1-6 Mikrodalga alt katmanlı GPS anteninin: (a) 2 boyutlu, (b) 3 boyutlu RHCP

kazanç grafikleri ................................................................................................................... 38

Şekil 5.2-1 Çift yamalı, köşegen uçları kesilmiş, kare yamalı, dairesel polarizasyonlu GPS

anteni .................................................................................................................................... 41

Şekil 5.2-2 Alt yama boyutunun, rezonans frekanslarına olan etkisi ................................... 42

Şekil 5.2-3 Yapılan tasarım için CST MWS’da oluşturulan model ..................................... 42

Şekil 5.2-4 L2 çalışma frekansı bant genişliği ..................................................................... 43

Şekil 5.2-5 L1 çalışma frekansı bant genişliği ..................................................................... 44

Şekil 5.2-6 L2 ve L1 çalışma frekansları için sağ el dairesel polarizasyon grafiği ............. 44

Şekil 5.2-7 L2 çalışma frekansı için sol el dairesel polarizasyon grafiği............................. 45

Şekil 5.3-1 Üç bantlı GPS anteninin (a) üstten ve yandan görünümü (b) CST MWS’de

oluşturulan yapısı ................................................................................................................. 46

Şekil 5.3-2 Alt yama kenar uzunluğunun (Lp), L5 çalışma frekansı üzerindeki etkisi ........ 47

Şekil 5.3-3 Orta yama kenar uzunluğunun (Mp), L2 çalışma frekansı üzerindeki etkisi..... 47

Şekil 5.3-4 Alt yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu (a)’nn rezonans frekansları

üzerindeki etkisi ................................................................................................................... 48

Şekil 5.3-5 (probe_position,0) noktasında bulunan besleme hattının +x ekseni üzerindeki

konumunun, rezonans frekansları üzerindeki etkisi ............................................................. 48

Şekil 5.3-6 Besleme noktasının bulunduğu eksene göre dairesel polarizasyona etkisi ....... 49

Şekil 5.3-7 L1, L2 ve L5 frekanslarında çalışan GPS anteninin geri dönüş kaybı grafiği .. 49

Şekil 5.3-8 L1, L2 ve L5 frekansları için 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon grafikleri 50

viii

TABLOLAR DİZİNİ

Tablo 2.6-1 Küresel Konum Belirleme sistemleri frekans bantları ..................................... 14

Tablo 3.4-1 Mikroşerit Antenlerde Kullanılan Besleme Teknikleri Karşılaştırılması ......... 19

Tablo 5.2-1 Tasarım parametreleri ....................................................................................... 43

Tablo 5.3-1 Tasarım parametreleri ....................................................................................... 46

1

1. GİRİŞ

Yüksek performans gerektiren araçlar, uçaklar, uzay araçları, radar sistemleri, uydu ve füze

uygulamaları gibi pek çok alanda; düşük maliyet, performans, kolay kurulum ve modern

baskı devre teknolojisiyle üretim gibi avantajlarından dolayı mikroşerit antenler,

mikrodalga antenleri içerisinde popüler bir anten çeşidi haline gelmiştir [2].

Mikroşerit antenler, bu özelliklerinden dolayı uydularla konum belirleme sistemlerinde de

kullanılmaya başlanmıştır. Uydularla konum belirleme (Küresel Konum Belirleme)

sistemleri, bu teknolojiye sahip ülkelere, askeri, ekonomik ve politik anlamda önemli

avantajlar kazandırmaktadır. ABD ve Rusya yıllardır bu alanda kendi sistemleriyle faaliyet

göstermektedir. Ayrıca Çin, Japonya, Hindistan ve Avrupa Birliği de kendi uydu

sistemlerini geliştirme yolunda önemli mesafe kat etmişlerdir. Uydu sistemlerine farklı

ülkelerin katılımıyla, bu alandaki teknolojik gelişmeler de hızlı bir şekilde ilerlemektedir.

Bu gelişim süreci, uydu alıcı ve anten sistemlerindeki gelişmeleri de tetiklemektedir.

Küresel Konum Belirleme sistemlerinde en önemli donanımlar, alıcı ve anten sistemleridir.

Bu çalışmada, Küresel Konum Belirleme sistemleri arasındaki en gelişmiş sistem olan GPS

için L1 (1575.42 MHz) , L2 (1227.60 MHz) ve L5 (1176.45 MHz) frekanslarında çalışan

üç bantlı, yüksek kazançlı ve (7cm x 7cm x 0.53cm) boyutlarında, monte edildiği

yüzeylerin aerodinamiğini bozmayan bir mikroşerit yama anten tasarımı ve optimizasyonu

yapılmıştır. Bu amaçla literatürdeki diğer çalışmalar taranarak, birbirleriyle

karşılaştırılmıştır. Tasarım için kullanılan yazılım CST Microwave Studio programıdır.

Elde edilen tasarım üretime hazır hale getirilmiştir.

2

2. KURAMSAL TEMELLER

2.1. Antenler Hakkında Genel Bilgiler

Elektromanyetik dalgaları bir sistemden alıp çevreye veren ya da elektromanyetik

dalgalardan aldığı işaretle bir sistemi besleyen cihazlara, Latince’de böcek duyargası

anlamına gelen anten adı verilir. Antenler, elektromanyetik dalgalar ve elektriksel işaretler

arasındaki dönüşümden sorumlu birer çift yönlü (resiprokal) dönüştürücüdür [1].

İletim kanalı olarak boş uzay veya atmosferi kullanan haberleşme sistemlerinin, bu kanala

açılan ara yüzüne anten denir. Bir anten kullanım şekline göre, alıcı anten (receiver

antenna), verici anten (transmitter antenna) veya verici-alıcı anten (transceiver antenna)

karakteristiklerinden birine uyabilir. Yapı bakımından, alıcı ve verici antenler birbirlerine

benzerler: Antenler, resiprokal olma özelliğinden dolayı hem alıcı hem verici olarak da

kullanılabilmektedir.

Antenin, endüstride uygulanması G. Marconi’nin telsiz telgrafı icat etmesiyle (1895) ve

İngiliz posta idaresine bu icadını kabul ettirmesiyle başlar (1897). Bu olay ile kablosuz

haberleşme teknolojisi gelişmeye başlamıştır. Bu teknolojinin gelişimi ile anten teknolojisi

de inanılmaz şekilde gelişmiştir.

Günümüzde farklı uygulama alanlarında, uygulamanın ve kullanıcının gereksinimleri

doğrultusunda çok çeşitli anten yapıları kullanılmaktadır. Mikroşerit antenler, bu anten

tiplerinden birisidir.

2.2. Devre Elemanı Olarak Antenler ve Empedans Uyumu

Bir anten, bağlı olduğu devrenin ucunda iki kapılı bir devre elemanı olarak görev alır. Bu

noktada, bağlanacağı uçlar arasında bir empedans değeri gösterir. Bu değere, anten

empedansı denir. Anten empedansı, antenin türü, boyu ve devre toprak alanına yerleşim

biçimine göre farklılık gösterebilir.

3

Genel olarak bir devrede antenleri, matematiksel olarak şu formda modelleyebiliriz:

(2.1)

(2.2)

ZA : Anten empedansı

RA : Anten rezistansı (Reel)

Rr : Işıma rezistansı

RL : Ohmic kayıplar

XA : Anten reaktansı (Sanal)

2.2.1. Alıcı Anten Eşdeğer Devresi

Şekil 2.2-1 Alıcı anten eşdeğer devresi [17]

Aldığı elektromanyetik dalgayı bağlandığı devreye VA gerilimi şeklinde aktaran alıcı anten,

karakteristik empedansı Z0 olan bir hat üzerinden bağlandığı devreyi temsil eden ZY yük

empedansı üzerinde enerji harcamaktadır.

(2.3)

Yükün gördüğü anten empedansı ise ZA’dır. Yük empedansı, iletim hattının karakteristik

empedansı ve anten empedansı arasında uyum olması durumunda anten, ortamdan aldığı

elektromanyetik gücü alıcı devreye kayıpsız bir şekilde aktarabilir. Empedans uyumu yük

ve hat empedansı ile anten empedansının sanal kısımlarının birbirlerini sıfırlayacak şekilde

seçilmesiyle mümkün olur.

4

2.2.2. Verici Anten Eşdeğer Devresi

Şekil 2.2-2 Verici anten eşdeğer devresi [17]

Işıma yaparken anten uçlarında oluşan gerilimin, anten üzerinden geçen akıma oranı anten

empedansı ZA’yı verir. Burada empedansı ZK olan kaynak, karakteristik empedansı Z0 olan

bir hat üzerinden anteni beslemektedir. Yük empedansı, iletim hattının karakteristik

empedansı ve anten empedansı arasında uyum olması durumunda antene, maksimum çıkış

gücü aktarılabilir. Aksi takdirde gönderilen sinyalin bir kısmı antenden yayılmadan geri

döner ve kayıplar oluşur. Gücün bir kısmı yayılım yapıp bir kısmı geri yansıdığı için

haberleşme mesafesi büyük ölçüde düşer. Empedans uyumu yük ve hat empedansı ile anten

empedansının sanal kısımlarının birbirlerini sıfırlayacak şekilde seçilmesiyle mümkün olur.

2.3. Anten Parametreleri ve Tanımlamaları

Bu kısımda; ışıma diyagramı, voltaj duran dalga oranı, geri dönüş kaybı, yansıma katsayısı,

bant genişliği, demet genişliği, anten yönlendiriciliği, anten kazancı, anten verimliliği,

polarizasyon gibi önemli anten parametreleri verilerek bu parametrelerin anten

performansına olan etkisi açıklanacaktır.

2.3.1. Işıma Diyagramı

Antenlerin ışıma diyagramları, kutupsal koordinatlara göre belirlenen eğri veya yüzeylerdir.

Bu diyagramlar; antenin, hangi yöne ne kadar ışıma yaydığını ya da hangi yönden ne kadar

5

ışıma aldığını gösterir. Işıma diyagramı, üç boyutlu olarak gösterilebilmektedir. Bu

gösterim dışında polar koordinatlardaki gösterimde yaygın biçimde kullanılmaktadır. Işıma

diyagramı, antenin yönlendiriciliğine bağlı olarak ana ışıma lobu, yan loblar, arka lob gibi

parçalardan oluşmaktadır.

2.3.2. Voltaj Duran Dalga Oranı (VSWR)

Voltaj duran dalga oranı, empedans uyumsuzluğu sonucu antenden ne kadar enerjinin

yansıyacağını gösterir. Empedans uyumlandırması yapılmamış bir antende, antene gelen ve

yansıyan dalgaların üst üste binmelerinden dolayı duran dalgalar oluşur. Bu durumda,

oluşan duran dalgada gerilimin maksimum değeri Vmax, minimum değeri Vmin ve anten

yansıma katsayısı Γ olmak üzere;

(

) (2.4)

Bu oran 1 ile ∞ arasında değişmektedir. Fiziksel olarak mümkün olmamakla birlikte,

empedans uyumu mükemmel olduğunda bu oran 1’e eşit olur. Empedansın en uyumsuz

olduğu durumlar içinse bu oran sonsuza gider. Eş. 2.4’te parantez içerisindeki ifade ise

yansıma katsayısını (Γ) verir. Bu katsayı da, duran dalga oranı 1 ile ∞ arasında

değiştiğinden dolayı, 0 ile 1 arasında değişmektedir. Yansıma katsayısının 0’a yakın olması

istenilen durumdur.

2.3.3. Geri Dönüş Kaybı (RL)

Uydulardan alınan GPS sinyalleri genellikle zayıf olduğundan, geri dönüş kaybı (RL, return

loss) oldukça önemlidir. Logaritmik ölçekli gösterildiğinden dB birimiyle kullanılır ve

voltaj duran dalga oranıyla ilintilidir. Voltaj duran dalga oranının 2’den küçük olması, geri

dönüş kaybının da -9.5 dB’den küçük olması anlamına gelir ve bu antenin o frekans

bölgesinde çalışabildiğini gösterir. Duran dalga oranı ve geri dönüş kaybı arasındaki ilişki

aşağıdaki gibidir; [16]

(

) (2.5)

6

2.3.4. Bant Genişliği

Duran dalga oranının -10 dB’den düşük olduğu frekans aralığı, antenin etkili şekilde

çalışabildiği bölge olarak kabul edilir. Ticari anten tasarımlarında anten bant genişliği,

duran dalga oranının 1.5:1 sınırını aşmadığı aralık olarak da alınmaktadır. Bant genişliği,

etkili çalışılan frekans aralığının merkez frekansa oranı olarak yüzdesel biçimde ifade

edilir.

(2.6)

fmax : Maksimum frekans

fmin : Minimum frekans,

f0 : Toplam ışıyan güç

2.3.5. Demet Genişliği

Demet genişliği, ışıma diyagramı ile ilişkili olup, maksimum ışıma doğrultusundaki gücün

yarıya (3 dB) düştüğü (yarı-güç demet genişliği) veya 0’a düştüğü (ilk-sıfır demet genişliği)

açısal genişlik olarak tanımlanır. Antenin demet genişliğinin yüksek olması, daha fazla

yöne sinyal gönderebileceğini veya daha fazla yönden sinyal alabileceğini gösterir.

2.3.6. Yönlendiricilik

Yönlendiricilik (directivity), antenin belirli bir yöndeki ışıma yoğunluğunun, diğer tüm

yönlere yapılan ışıma yoğunluğunun ortalamasına oranıdır. Ortalama ışıma yoğunluğu,

anten tarafından yapılan toplam ışıma gücünün 4π ile bölünmesiyle bulunur. Yön belli

değilse hesaplamada, maksimum ışıma yoğunluğu olan ana ışıma lobu kullanılır. Anten

yönlendiriciliği kazancı şu şekilde hesaplanır:

(2.7)

(2.8)

K(θ ,ϕ) : Işıma yoğunluğu,

Kort : Ortalama ışıma yoğunluğu,

Pr : Toplam ışıyan güç

(θ ,ϕ): Işıma güç yoğunluğu

7

2.3.7. Güç Kazancı

Güç kazancı (gain), anten performansını tanımlamaya yardımcı en önemli parametrelerden

birisidir. Anten kazancı, antenin belirli bir yöndeki ışıma yoğunluğunun, diğer tüm

yönlerden alınan ışıma yoğunluğunun ortalamasına oranıdır. Kazanç, yönlendiricilik ile

bağlantılıdır. Ancak anten kazancı, uzaydaki elektrik alanlardan anten uçlarına ne kadar güç

aktarıldığı bilgisi kullanılarak hesaplanır.

(2.9)

Pd : Alınan toplam ışıma gücü

Pr : Toplam ışıyan güç

2.3.8. Verimlilik

Antenin kaynaktan aldığı gücün bir bölümü ısıl kayıplar olarak antende harcanır.

Kaynaktan çekilen güç, ışıma gücü ve ısıl kayıpların toplamına eşittir. Ohmic kayıplar,

yansıma kayıpları ve anten yapısından kaynaklı kayıplar, ısıl kayıpların toplamını oluşturur.

Anten verimi, ışıma gücünün kaynaktan çekilen güce oranı olarak tanımlanmaktadır. Isıl

kayıpların fazla olması anten verimini düşürür. Anten verimliliği 0 ile 1 arasında

tanımlanır. 1’e eşit olması, fiziksel olarak imkansız olmakla birlikte, arzu edilen durumdur.

(2.10)

𝒆0 : Anten verimi

𝒆r : Yansıma verimi (1-|Γ|2)

𝒆c : İletim verimi

𝒆d : Dielektrik materyalin verimi

2.3.9. Polarizasyon

Polarizasyon, bir elektromanyetik dalganın elektrik alan vektörünün doğrultusudur.

Elektromanyetik dalgalar yatay, düşey, dairesel ve eliptik polarizasyonlu olabilirler.

Başarılı bir veri iletimi için alıcı ve verici antenlerin polarizasyonunun aynı olması

gerekmektedir.

8

2.4. GPS Hakkında Genel Bilgiler

GPS (Global Positioning System), sürekli olarak kodlanmış bilgi yollayan, tüm hava

koşullarında konum ve zaman bilgisi sağlayan uzay tabanlı bir uydu navigasyon sistemidir.

GPS; uzay bölümü, kontrol bölümü ve alıcı bölümünden oluşmaktadır. Uzay bölümü,

yörüngede sürekli olarak dönen 24 uydudan (18 aktif 6 yedek) oluşur ve sistemin

merkezidir. Uydular, "yüksek yörünge" adı verilen ve dünya yüzeyinin 20.200 km

üzerindeki yörüngede bulunurlar. Bu kadar fazla yükseklikte bulunan uydular oldukça

geniş bir görüş alanına sahiptirler ve dünya üzerindeki bir GPS alıcısının her zaman iki

boyutlu belirleme için en az 3, üç boyutlu belirleme için en az 4 adet uyduyu görebileceği

şekilde yerleştirilmişlerdir.

GPS projesi ilk uydunun 1978'de ateşlenmesiyle başlamıştır. 24 uyduluk ağ 1994'de

tamamlanmıştır. Projenin devamlılığı ve geliştirilmesi ile ilgili bütçe ABD Savunma

Bakanlığı'na (US Department of Defence) aittir.

Şekil 2.4-1 GPS uzay bölümü [25]

Uyduların her biri, iki değişik frekansta ve düşük güçlü radyo sinyalleri yayınlamaktadır.

(L1, L2) Sivil GPS alıcıları L1 (UHF bandında 1575.42 Mhz) ve L2 (1227.60 Mhz)

frekanslarını dinlemektedirler. Ayrıca, L5 (1176.45 MHz) sivil amaçlı sinyali ise üçüncü

9

sivil amaçlı GPS sinyali olarak Block IIR-20(M) uydusu üzerinden 2009 yılından itibaren

yayınlanmaya başlamıştır. Birden fazla sinyalin kullanılması hem iyonosferden dolayı

gerçekleşen kırılmayı engellemek hem de sinyal bozma durumlarına karşı güvenlik olarak

uygulanmaktadır. ABD Savunma bölümü alıcıları Military (M-code) (5.115 MHz.)

frekansını dinlemektedirler. Bu sinyaller "Görüş Hattında" (Line of Sight) ilerler. Yani

bulutlardan, camdan ve plastikten geçebilir ancak duvar ve dağ gibi katı cisimlerden

geçemez.

GPS sinyalleri binalardan yansıdığı için şehir içlerinde araziye oranla hassasiyeti azalır.

Yeraltına kazılan tünellerde ise sinyal elde edilemez. Hatalı sinyallerin elde edilebileceği ya

da hiç sinyal elde edilemeyen bölgelerde kullanılmak üzere geliştirilen Diferansiyel GPS'ler

tarafından bu hatalar en aza indirilerek daha hassas bir yer ölçümü yapılabilir.

Daha rahat anlaşılması için, bildiğimiz radyo istasyonu sinyalleri ile L1 frekansını

kıyaslamak istersek; FM radyo istasyonları 88 ile 108 Mhz arasında yayın yaparlar, L1 ise

1575,42 Mhz'i kullanır. Ayrıca GPS'in uydu sinyalleri çok düşük güçtedirler. FM radyo

sinyalleri 100 kW gücünde iken L1 sinyali 20-50 W arasındadır. Bu yüzden GPS

uydularından temiz sinyal alabilmek için açık bir görüş alanı gereklidir.

GPS uyduları tarafından gönderilen elektromanyetik dalgalar atmosferden geçerken

bükülmeye uğrarlar. L1 ve L2 bantları farklı dalga boylarına sahip olduğundan farklı

oranda bükülmeye uğradığından aradaki farklılık hesaplanarak atmosferik bozulma

engellenerek çok daha hassas bir yer bilgisi hesaplanabilir. Sadece L1 bandı kullanılarak

(diferansiyel GPS ile dahi) 98 m. hassasiyet elde edilebilirken, L1 ve L2 bantlarının ortak

kullanımı ile 1 m.’nin altında hassasiyete ulaşmak mümkün olmaktadır.

GPS’in modernize edilmesi kapsamında, 2009 yılında GPS için yeni bir frekans tahsisi

yapılmıştır. L5 adı verilen bu sinyal Block IIF uyduları üzerinden asıl olarak hava

araçlarının güvenli navigasyonu (Safety of Life) amacıyla 2009 yılında yayımlanmaya

başlanmıştır.

10

Günümüzde aktif olan GPS uydularından, şu frekanslar yayınlanmaktadır:

Block II/IIA : L1 C/A, L2 P/Y

Block IIR-M : L1 C/A, L2 P/Y, L2C

Block IIF : L1 C/A, L2 P/Y, L2C, L5

Block III : L1 C/A, L1 P/Y, L1M, L1C, L2C, L2 P/Y, L2M, L5

Burada görülen L1 (1575.42 MHz), L2 (1227.60 MHz) ve L5 (1176.45 MHz) frekansları

haricinde, atmosfer ve yakın uzaydaki nükleer patlamaları tespit edebilmek amacıyla

USNDS (United States Nuclear Detonation Detection System, Amerikan Nükleer Patlama

Tespit Sistemi) tarafından L3 (1381.05 MHz) frekansı kullanılmaktadır. Ayrıca ek olarak

iyonosferik düzeltme sağlamak amacıyla L4 (1379.913 MHz) frekansının kullanımı

üzerinde de çalışmalar yapılmaktadır.

GPS uyduları, yörüngeye yerleştirilme sıra numarasına, uydu PRN (Pseudo Random Noise)

kod numarasına, yörünge konumundaki numarasına, NASA katalog numarasına göre

tanımlanabilir. Uygulamalarda, karışıklık yaratmaması için genellikle PRN kod numaraları

kullanılmaktadır. Bu numaralar, alıcıların uyduları izlerken birbirlerinden ayırt etmesini

sağlar. Çok kullanılan bir diğer yöntemde uyduları, yörüngeye oturtuldukları sıraya göre

isimlendirmektir [9].

2.5. GPS Sinyalinin Özellikleri

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 L5, 1176.45

frekanslarıdır.

11

GPS sisteminin tasarımı aşamasında, L-Bant (1-2 GHz, IEEE), UHF (300 MHz -3 GHz) ve

C-Bant (4-8 GHz, IEEE) frekansları incelenmiştir ve iyonosferik etkilerin diğer bantlara

göre çok daha küçük olması nedeniyle L-Bant kullanımı tercih edilmiştir.

GPS sisteminde çift frekans olmasının nedenleri; frekanslardan birinin herhangi bir nedenle

kesilmesi ve ya elektronik karıştırmaya maruz kalınması durumunda diğer frekansın yedek

frekans görevi görmesi ve çift frekans özelliğinden yararlanarak iyonosferik düzeltme

olanağının sağlanmasıdır. İyonosferik etki, sinyal frekansının karesi ile ters orantılıdır.

Buna göre L1 frekansındaki iyonosferik etki L2 frekansındaki iyonosferik etkiye göre %65,

L5 sinyaline göre %79 daha fazladır.

L1 ve L2 taşıyıcı frekansları, uydu saat düzeltmeleri, yörünge parametreleri gibi bilgilerin

yeryüzündeki alıcıya ulaştırılabilmesi amacıyla kodlarla ve navigasyon mesajı verileriyle

modüle edilmiştir. Bu modülasyon işleminde her bir uyduya tek anlamlı PRN (Pseudo

Random Noise) kod numarası verilmiştir. Tüm uydular aynı taşıyıcı frekansta veri yayını

yapmasına karşın, uydu sinyalleri PRN kod modülasyonu tekniği nedeniyle birbirleriyle

karışmamaktadır. Her uydunun PRN kodu diğerlerinden bağımsız (korelasyonsuz) ve tek

anlamlı olduğundan uydu sinyalleri birbirinden CDMA ( Code Division Multiple Access)

tekniği ile ayırt edilebilmektedir.

L1 taşıyıcı frekansı üzerinde iki PRN kodu ve navigasyon mesajı verileri modüle edilmiştir.

Bu PRN kodları C/A ( Coarse/ Acquisition, Clear/Access) kod ve P (Precise/ Protected

Code) kod olarak isimlendirilmektedir. L2 taşıyıcı frekansı ise yalnızca tek bir PRN kodu

(P kod) ve navigasyon mesajı verileri ile modüle edilmiştir. P kod’un, sadece askeri

kullanıcılara açık olması nedeniyle 2005 yılına kadar sivil kullanıcılar tek frekans (L1, C/A

kod) kullanabilmişlerdir. Sivil kullanıcıların iyonosferik düzeltme olanağı sağlayan çift

frekans özelliğinden yararlanamamaları birçok tartışmaya neden olmuştur. Bunun

sonucunda 2005 yılından itibaren Block IIR-M ve takip eden tüm uydu modellerinde L2

frekansı üzerinden C/A kod (L2C, L2 Civil Signal) yayınlanmaya başlanmıştır [9].

12

2.6. GPS Antenlerinin Genel Özellikleri

GPS alıcı anteninin temel görevi uydulardan yayınlanan sinyalleri, çevresindeki objelerden

yansıyan sinyalleri (multipath) ayıklayarak almaktır. Bazı özel tasarımlı antenler bu

özelliklere ilave olarak uydulardan gelen sinyallere diğer kaynaklardan karışan (interface

signals) sinyalleri de ayıklama özelliğine sahiptir. GPS alıcısı anteni uydulardan yayınlanan

elektromanyetik dalgalar içerisindeki enerjiyi, elektrik akımına dönüştürür, güçlendirir

(amplify) ve alıcı elektrik devrelerine gönderir.

2.6.1. Polarizasyon

GPS uydularından yayılan sinyaller, RHCP (Right-Hand Circular Polarized; Sağ-El

Dairesel Polarizasyonlu) dalgalardır. İyonosferden geçen bu elektromanyetik dalgalar, tıpkı

ışık gibi manyeto-optik bir olgu olan Faraday etkisine maruz kalır. Faraday etkisi, dairesel

çift-kırınım olarak da adlandırılan, sol-el ve sağ-el dairesel polarize olmuş dalgaların çok az

bir hız farkıyla yayınımlarına neden olur. Lineer polarize olmuş bir dalga, dairesel polarize

iki dalgaya ayrışabileceğinden, aralarında Faraday etkisi tarafından meydana gelen faz farkı

dalganın polarizasyon eksenini döndürür. GPS uydularından yayılan sinyallerde dairesel

polarizasyonun kullanılmasının sebebi de Faraday etkisini en aza indirmek amacıyladır.

Şekil 2.6-1 Sağ el dairesel polarizasyonlu bir düzlem dalga

13

Uydulardan yayılan RHCP özellikli sinyallerden maksimum gücü alabilmek için kullanıcı

terminalinde de RHCP sinyalleri alabilen bir anten kullanılmalıdır. Lineer polarizasyonlu

antenlerin kullanılması alınan güçte büyük kayıpların olmasına neden olur.

2.6.2. Eksenel Oran

Eksenel oran (Axial Ratio), polarizasyon elipsinin eksenleri arasındaki orandır. Bu oran

lineer polarizasyonda ∞’dur (eksenlerden birinin büyüklüğü 0’dır), tam olarak dairesel

polarizasyonda ise 1’dir (0 dB). GPS uygulamaları için eksenel oranın 3 dB altında olması

arzu edilen durumdur.

2.6.3. Rezonans Frekansı ve Bant Genişliği

Çalışma frekansı olarak da bilinen antenin rezonans frekansının, yayılan dalgalarla aynı

frekansta olması gerekmektedir. Gerçekte antenlerin imalat süreçlerinden dolayı bu

frekanslar olması gerekenden 5 MHz kadar kayabilir. Yapılan tasarımlarda bu durum göz

önüne alınmalıdır. Şekil 2.6-2 ve Tablo 2.6-1’de küresel konum belirleme sistemleri için

tahsis edilmiş frekans bantları görülmektedir.

Şekil 2.6-2 Küresel Konumlandırma Sistemleri frekans bantları [25]

14

KKS Polarizasyon Taşıyıcı Frekans Bant Genişliği

Fmin Fmax

GPS RHCP

L1 1575.42 1563 1587

L2 1227.6 1215 1237

L5 1176.45 1164 1191

GLONASS RHCP

G1 1602 1593 1612

G2 1246 1238 1255

G3 1204.704 1198 1213

GALILEO RHCP

E1 1575.42 1559 1591

E6 1278.75 1260 1300

E5 E5a 1176.45 1164 1191

E5b 1207.14 1195.14 1219.14

COMPASS RHCP

E1 1589.742 1587.69 1591.79

E2 1561.098 1559.05 1563.15

E6 1268.52 1256.52 1280.52

E5b 1207.14 1195.14 1219.14

Tablo 2.6-1 Küresel Konum Belirleme sistemleri frekans bantları

GPS anteni, L1 ve L2 frekanslarının her ikisini de almak üzere tasarlanmışsa, her iki

frekans aralığını da kapsayacak şekilde geniş bir bant aralığına sahip olmalı ya da L1 ve L2

frekanslarını ayrı ayrı kapsayan iki dar bant aralığına sahip olmalıdır. İki dar bant aralıklı

bir anten kullanımı ile iki frekans arasındaki sinyal girişim etkilerinden kaçınılacağından,

GPS antenlerinin dar bant aralıklarına sahip olmaları istenir. GPS bant aralıkları L1

frekansında 24 MHz, L2 frekansında 22 MHz, L5 frekansında 27 MHz’dir.

15

2.7. GPS Anteni için Hedeflenen Gereksinimler

Tasarımı yapılacak GPS anteni için sadece Bölüm 2.3.’te listelenen özelliklerin sağlayan

antenin seçilmesi yeterli değildir. GPS uygulamaları için farklı yapılarda anten tipleri

mevcut olup bunlardan en çok kullanılanlar mikroşerit, dipol ve helix modelleridir.

Mikroşerit anten günümüzde en çok tercih edilen anten modelidir. Bunlar çift bantta ölçü

yapabilmekte, dayanıklı ve basit yapıdadır. Dipol antenler tek bantlı konfigürasyona sahip

anten modelidir. Helix anten tipi mikroşerit antenler gibi L1 ve L2 frekanslarının her

ikisinde de sinyal toplayabilmesine karşılık yüksek profilli bir görünüme sahiptir. Yaygın

olarak diğer anten modelleri ise spiral ve choke ring (tıkanma halkalı) antenlerdir [9].

Kullanım amacına uygun olarak antenler alıcıyla aynı yapı içerisinde bütünleşik ya da ayrık

yapıdadırlar. Ayrık yapıdaki antenler, alıcılara bir kablo aracılığıyla bağlanmaktadır. Kablo

uzunlukları değişmekle birlikte veri kaybının olmaması amacıyla olabildiğince kısa

kablolar tercih edilmelidir. GPS antenlerinin verimli çalışmasını etkileyen birçok faktör

olup bunlar; ısı ve nem etkisi, tuzlu ortamlar, titreşim ve mekanik şok şeklinde sıralanabilir.

Kullanım amacı doğrultusunda, kolay üretilebilmesi, monte edildiği yüzeyin aerodinamik

yapısını bozmaması, çevresel faktörlere karşı dayanıklı olması gibi sebeplerden dolayı GPS

anteni olarak mikroşerit bir yapının tasarlanması uygun görülmüştür. Antenin sağlaması

gereken elektriksel karakteristikler Tablo 2.7-1’de verilmiştir.

Parametre Özellik

Frekans

L1, 1575.42 ± 2 MHz minimum, ± 10 MHz arzulanan

L2, 1227.60 ± 2 MHz minimum, ± 10 MHz arzulanan

L2, 1176.45 ± 2 MHz minimum, ± 10 MHz arzulanan

Kazanç 4 dBiC üstü

Polarizasyon Sağ-El Dairesel Polarizasyon (RHCP)

Eksenel Oran 3 dB altı

Tablo 2.7-1 GPS anteni için hedeflenen elektriksel karakteristik

16

3. MİKROŞERİT ANTEN TEORİSİ

3.1. Mikroşerit Antenlerin Tarihçesi

Mikroşerit yama anten kavramı ilk kez Deschamps (1953) tarafından ortaya atılmış

sonrasında Gutton ve Baissinot tarafından bir mikroşerit antene patent alınmıştır. Ancak iyi

dielektrik tabanların mevcut olmaması nedeniyle ilk pratik mikroşerit antenler 1970’lerin

başında Howel ve Munson tarafından geliştirilmiştir. Carver ve Mink (1981), mikroşerit

antenlerde kullanılan iletim hattı ve boşluk (kavite) modellemelerinden bahsetmiş aynı

zamanda Moment Metodu (MoM) ve Sonlu Eleman Teknikleri (FET) gibi sayısal

yöntemleri dikdörtgen mikroşerit antene uygulamışlardır. Kumar ve Gupta (1985), aynı

tabaka üzerine ana yama ile birlikte yerleştirilmiş parazitik yamalar kullanarak bant

genişliğini artırmışlardır. Mikroşerit antenlerin bazı dezavantajlarının kaldırılması için

Sullivan ve Schaubert (1986) sınırlı bant genişliğinin bazı uygulamalar için artırılması

üzerine çalışmış ve açıklık kuplajlı besleme tekniğini mikroşerit antenlere uygulamışlardır.

Bu teknikte farklı iki veya daha fazla dielektrik madde kullanarak farklı alt katmanlar elde

etmişler ve bu yöntemle mikroşerit antenlerin bant genişliğini %65 oranında artırmayı

başarmışlardır. Bhattacharya ve diğ. (1991), dikdörtgen, dairesel ve eliptik halka şeklindeki

mikroşerit antenlerde iletim hattı modelini kullanarak, ışıma örüntüsü, giriş empedansı,

ortak ve öz empedansların hesaplanması üzerine yaptıkları çalışmalar neticesinde yeni

ifadeler elde etmişlerdir. Yau ve Shuley (1998), Moment Metodunu (MoM) açıklık kuplajlı

beslenmiş mikroşerit antenlere uygulamış ve aynı zamanda Green Fonksiyonunu kullanarak

elektrik alan ve yüzey akımı denklemlerini elde etmişlerdir. Rahmat-Samii ve diğ. (2001)

tarafından mikroşerit yapısı E harfi şeklinde modifiye edilerek mikroşerit antenin iki farklı

frekansta, geniş bir bant aralığında çalışabilmesi sağlanmıştır [3][4][10][19][22][23][24].

3.2. Mikroşerit Antenlerin Temel Karakteristikleri

Mikroşerit antenler, 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

17

yapan bir diğer iletken levhadan oluşmuştur. Mikroşerit antenler, yama (patch) anten olarak

da isimlendirilirler [2].

Mikroşerit anten yamalarında, bakır veya altın gibi iletken materyallerin, çeşitli şekilleri

baz alınarak farklı profillerde ışıyan antenler elde edilebilmektedir. Yamalar, farklı

geometrik şekillerde olabilmektedir. Kare yamalı, dikdörtgen yamalı, dairesel yamalı,

üçgen yamalı, çembersel yamalı mikroşerit antenler yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunun

dışında E-şekilli, H-şekilli, U-şekilli, S-şekilli yamalı mikroşerit anten yapıları da

geliştirilmektedir. Ancak matematiksel analiz ve performans hesaplarını sade hale getirmek

amacıyla genellikle kare, dikdörtgen, daire, üçgen gibi şekillerde yamalar tercih edilir.

Şekil 3.2-1 Mikroşerit antenlerde kullanılan temel yama şekilleri [2]

Mikroşerit anten üretiminde, çok çeşitli sayıda alt katman kullanılabilmektedir. Üretilen

antenlerin kırılgan olmaması ve kolay üretilebilmeleri nedeniyle alt katman (substrate)

genellikle dielektrik sabiti 2.2 ≤ εr ≤ 12 aralığında olan materyallerden seçilmektedir [2].

Mikroşerit antenler; üst yüzeydeki iletken yamanın kenarları ve toprak levhası arasındaki

saçak alanlarından ışıma yaparlar. Alt katmanın kalın olması ve düşük dielektrik sabitine

sahip olması, yüksek verim ve bant genişliği sağlamaktadır (Pozar, 1992). Ancak bu

özelliklerdeki bir mikroşerit antenin boyutları artabilir. Bu nedenle, daha kompakt

18

mikroşerit anten tasarımlarında, yüksek dielektrik sabitine sahip alt katmanlar seçilerek

daha düşük verimli ve bant genişlikli antenler ortaya çıkarılabilir. Düşük frekans

aralıklarında boyutların büyümesinden dolayı mikroşerit antenler genellikle 1-100 GHz

aralığında kullanılırlar.

3.3. Mikroşerit Antenlerin Avantajları ve Dezavantajları

Mikroşerit antenler, cep telefonları, laptoplar gibi sistemlere entegre olarak ve ayrıca

füzelerde, uzay mekiklerinde, uçaklarda telemetri ve haberleşme anteni olarak tercih

edilmektedir. Başlıca avantajları:

Hafif olmaları ve az hacim kaplamaları,

Düşük fabrikasyon maliyetleri,

Lineer ve dairesel polarizasyonun her ikisini de desteklemeleri,

Mikrodalga devrelere kolayca entegre edilebilmeleri,

Çift ve üçlü frekans uygulamalarına uygun olmaları,

Katı yüzeylere monte edilmeleri durumundaki yüksek dayanıklılıkları ve çeşitli

yüzeylere monte edilebilmeleri

Mikroşerit antenlerin, konvansiyonel antenlere kıyasla başlıca dezavantajları:

Dar bant genişliği,

Düşük kazanç,

Besleme ve birleşim noktalarındaki istenmeyen ışımalar (spurious radiation),

Yüzey dalgaları uyarımı,

Mikroşerit yama antenlerin en temel dezavantajı, dar bant genişliğidir. Araştırmacılar, bu

sorunun üstesinden gelebilmek için farklı konfigürasyonlar kullanmıştır [10][20]. Bant

genişliğini artırmak için kullanılan geleneksel metot, parazitik yamalar kullanmaktır [10].

Ancak bu metot anten boyutlarını ve yüksekliğini artırmaktadır.

19

3.4. Mikroşerit Antenleri Besleme Teknikleri

Mikroşerit antenlerin beslemesi için farklı teknikler mevcuttur. Temel olarak temaslı ve

temassız besleme olarak iki sınıfta incelenirler. Temaslı yöntemde, kaynaktan alınan güç

ışıma yapan yamaya doğrudan tema eden bir yapı ile iletilir. Temassız yöntemde ise güç

besleme hattı arasındaki elektromanyetik kuplaj ile gerçekleşir. Bu yöntemlerden en

popüler dört tanesi; mikroşerit hat ile, koaksiyel hat ile, açıklık (aperture) kuplajlı ve

yakınlık (proximity) kuplajlı beslemedir.

Besleme Yöntemi Avantajlar Dezavantajlar

Mikroşerit Hat

Kolay üretilebilir,

Kolay modellenebilir,

Giriş empedansına kolay

uyumlanabilir.

Dielektrik alt katmanın

kalınlığının artması,

parazitik ışımayı artırır.

Bu da bant genişliğini

sınırlar.

Koaksiyel Hat Kolay üretilebilir,

Giriş empedansına kolay

uyumlanabilir.

Kalın dielektrik alt

katmanlar için zor

modelleme zorlukları.

Açıklık (Aperture)

Kuplajlı

Kolay modellenebilir,

Düşük parazitik ışıma.

Üretim zorlukları,

Düşük bant genişliği

Yakınlık (Proximity)

Kuplajlı

Kolay modellenebilir,

Düşük parazitik ışıma,

Yüksek bant genişliği

Üretim zorlukları

Tablo 3.4-1 Mikroşerit antenlerde kullanılan besleme teknikleri karşılaştırılması

Kolay üretim teknikleri nedeniyle, temaslı besleme yöntemleri (mikroşerit hat, koaksiyel

hat) daha çok tercih edilmektedir.

Yayılım (propagasyon), besleme devresinden ayrı tutulduğu için bu yöntemlerin

avantajlarını içerir. Besleme hattı ve anten arasında genellikle bir empedans

uyumlandırmaya gereksinim duyulur, çünkü anten giriş empedansı, alışılmış 50Ω’luk hat

karakteristik empedansından farklıdır (ZA ve ZY tam uyumlu olursa yansıma sabiti 0 olur).

20

Empedans uyumlandırma, besleme hattının yerinin uygun şekilde seçilmesiyle yapılabilir.

Ayrıca besleme hattının yeri, antenin polarizasyonunu da belirler. Mikroşerit ve koaksiyel

beslemeler için, Green fonksiyonu tekniği, besleme yerinin etkisinin hesaplanması için

kullanılabilir.

Şekil 3.4-1 Mikroşerit antenlerde kullanılan besleme teknikleri mikroşerit hat, (b) koaksiyel

hat, (c) açıklık kuplajlı, (d) yakınlık kuplajlı,

3.5. Mikroşerit Antenlerin Analizi

Mikroşerit antenlerin analizi için kullanılan bir çok analiz metodu bulunmaktadır. En

popüler olanları; iletim hattı, boşluk (kavite) ve tam dalga metotlarıdır. Tam dalga metotları

şunlardır: moment metodu (MoM), sonlu elemanlar metodu (FEM), sonlu integral metodu

(FIT).

21

İletim hattı modeli en kolay, en iyi fiziksel açıklama sağlayan ancak bunun yanında kesinlik

payı diğerlerine nazaran daha düşük olan metottur. Boşluk metodu, iletim hattı metoduna

göre daha zor olmakla birlikte daha fazla doğruluğa sahiptir. Tam dalga metotları ise genel

olarak çok kesin sonuç verir, çok yönlüdürler ve uygulama alanları geniştir. Buna karşın,

düşük fiziksel açıklama sağlarlar ve oldukça karmaşık modellerdir. Elektromanyetik

simülasyon yazılımları, tam dalga metotlarını kullanarak çözümlerini gerçekleştirirler [2].

22

4. DİKDÖRTGEN YAMALI MİKROŞERİT ANTENLERİN ANALİZİ

4.1. Dikdörtgen Yamalı Mikroşerit Antenin İletim Hattı Metodu ile Analizi

Dikdörtgen yamalı mikroşerit antenler, en yaygın kullanılan mikroşerit anten türüdür.

İletim hattı ve boşluk metotları kullanılarak analiz edilmeleri çok kolaydır [2].

Şekil 4.1-1’de L uzunluğu ve W genişliğine sahip dikdörtgen yamalı bir mikroşerit antenin

genel görünümü görülmektedir.

Şekil 4.1-1 Dikdörtgen yamalı mikroşerit antenin 3 boyutlu görünümü

4.1.1. Saçaklanma Etkileri

Anten yamasının boyutları, uzunluk ve genişlik boyunca sınırlı olduğundan, yamanın

kenarlarındaki alanlar toprağa doğru saçaklanırlar. Bu durum, Şekil 4.1-2(b)’de

gösterilmiştir. Saçaklanma etkisi, yamanın uzunluğu ve genişliği boyunca gözlenir.

Saçaklanma etkisinin büyüklüğü, yamanın boyutları ve alt katmanın yüksekliğinin bir

fonksiyonudur. E-düzlemi (xy-düzlemi) için saçaklanma etkisi, yama uzunluğunun alt

katman yüksekliğine oranının L/h ve alt katmanın dielektrik sabitinin εr fonksiyonudur.

L/h>>1 olduğu durumda saçaklanma etkileri azalır. Saçaklanma etkisinin, rezonans

frekanslarına etkisi göz önünde bulundurulmalıdır.

Oluşan saçaklanmaların elektrik alan bileşenleri, hava ve dielektrik katman üzerinde iki

dielektriği içeren homojen olmayan bir alan içerisinde yayılır. W/h >>1 ve εr > >1 olduğu

durumda, elektrik alan bileşenleri alt katmanda yoğunlaşır. Bu durumda, saçaklanma etkisi

elektriksel olarak mikroşerit hattı fiziksel boyutlarından daha büyük gösterir. Dalgaların bir

23

kısmı alt katmanda, bir kısmı da havada yayıldığından, saçaklanma etkisini ve hattaki dalga

yayılımını karşılamak için etkin dielektrik sabiti (εreff) tanımlanır. Etkin dielektrik sabiti,

mikroşerit hattın merkez iletkeni, özgün boyutları ve yüksekliğiyle dielektrik alt katman

içerisine yerleştirildiği varsayımıyla tanımlanır. Bu durumda etkin dielektrik sabiti, iletim

hattının gerçek karakteristiğine sahip düzgün dağılımlı bir dielektrik malzemenin dielektrik

sabiti olarak tanımlanır. Bu noktada, Şekil 4.1-2(c)’de görülen hat her zaman, Şekil 4.1-

2(a)’daki gerçek hatla aynı elektriksel karakteristiğe sahip olur. Dielektrik alt katman ve

havayla birlikte bulunan bir mikroşerit hat için, etkin dielektrik sabiti 1 < εreff < εr arası

değerler alır. εr >>1 olan uygulamalarda, εreff değeri dielektrik alt katmanın gerçek

dielektrik sabiti olan εr’ye daha yakındır. Etkin dielektrik sabiti, aynı zamanda frekansın da

bir fonksiyonudur. Çalışma frekansı arttığında elektrik alan bileşenlerinin çoğu dielektrik

alt katman içerisinde yoğunlaşacağından mikroşerit hat, tek dielektrikten oluşan daha

homojen bir hat gibi davranır.

Şekil 4.1-2 Saçaklanma etkileri (a) mikroşerit hat, (b) elektrik alan çizgileri, (c) etkin

dielektrik sabiti geometrisi [2]

Düşük frekanslarda, etkin dielektrik sabiti genellikle sabittir. Orta frekanslarda ise değeri

monoton olarak artar ve dielektrik alt katmanın dielektrik sabitine yaklaşır. Etkin dielektrik

sabitinin ilk değerleri statik değerler olarak ifade edilir. W/h > 1 için, etkin dielektrik sabiti

şu şekilde hesaplanır:

[

]

(4.1)

24

4.1.2. Etkin Uzunluk, Genişlik ve Rezonans Frekansı

Saçaklanma etkisi elektriksel olarak mikroşerit hattı, fiziksel boyutlarından daha büyük

gösterir. E-düzlemi için (xy-düzlemi) yamanın boyutları, yamanın uzunluğu boyunca her

iki kenarından da ΔL uzunluğunda genişler. ΔL uzunluğu, etkin dielektrik sabiti εreff ve

genişlik, yükseklik oranının (W/h) bir fonksiyonudur. Pratik bir yaklaşım ile normalize

edilmiş uzunluk artışı şu şekilde verilir:

[

]

[

]

(4.2)

Yamanın boyutları her iki kenardan da ΔL uzunluğunda genişlediği için yamanın etkin

uzunluğu şöyle olur: ( Saçaklanmanın olmadığı baskın mod (TM010) için, L=λ/2 )

(4.3)

Baskın mod (TM010) için mikroşerit antenin rezonans frekansı, uzunluğun bir

fonksiyonudur. Genellikle şöyle verilir:

√ √

√ (4.4)

Eş. 4.4’te c, boşluktaki ışık hızıdır. Bu eşitlik, saçaklanma etkisi göz önüne alınarak

genişletilmelidir:

√ √

√ √ (4.5)

25

4.1.3. Tasarım

Elde edilen eşitlikler yardımıyla, dikdörtgen yamalı bir mikroşerit antenin pratik tasarımı

yapılabilir. Tasarım prosedürü, alt katmanın dielektrik sabiti (εr), rezonans frekansı (fr) ve

alt katman yüksekliği (h) bilindiği kabulüyle gerçekleştirilir. Bu prosedüre göre yama

uzunluğu ve genişliği belirlenebilir. Tasarım şu adımlardan oluşur:

I. Etkin bir ışıma için yama genişliği:

√ √

√

(4.6)

II. Etkin dielektrik sabiti Eş. 4.1’den hesaplanır.

III. Eş. 4.1’den bulunan etkin dielektrik sabiti ve Eş. 4.6’dan bulunan yama genişliği

kullanılarak, Eş. 4.2’den ΔL uzunluk artışı hesaplanır.

IV. Eş. 4.5 kullanılarak yada şu eşitlikle yama uzunluğu hesaplanır:

√ √ (4.7)

4.2. Dairesel Polarizasyonlu Mikroşerit Anten

Dairesel polarizasyonlu mikroşerit antenler pek çok farklı şekilde üretilebilir. Anten

yaması, üçgen, kare, dikdörtgen, daire, halka, elips şeklinde olabilir. Dairesel

polarizasyonlu mikroşerit antenler, küresel konumlama sistemi (GPS), uydu haberleşmesi

ve kablosuz ağ uygulamaları sistemlerinde yaygın olarak kullanılırlar.

Mikroşerit antenler için dairesel polarizasyon, değişik şekillerde meydana getirilebilir. En

çok kullanılan yöntemler, çift besleme veya tek besleme kullanılarak dairesel polarizasyon

üretilmesidir. Tek beslemeli antenler, başka bir eleman kullanımına ihtiyaç duymadan

dairesel polarizasyon üretebildikleri için daha kullanışlıdırlar.

26

4.2.1. Çift Beslemeli Dairesel Polarizasyonlu Mikroşerit Anten

Şekil 4.2-1’de Güç bölücü ile çift beslemeli hale getirilen dairesel polarizasyonlu mikroşerit

anten tiplerine bir örnek verilmiştir. Bu tip kullanımlarda yama genellikle, kare veya daire

şeklindedir.

Şekil 4.2-1 Güç bölücü yardımıyla çift beslenmiş bir mikroşerit anten

Birbirine dik iki beslemeden oluşan çift besleme, aynı genlikte olan 90° faz farklı birbirine

dik iki mod üretir. Birbirine dik ve 90° faz farklı iki lineer polarizasyonlu dalga, dairesel

polarizasyonlu bir dalga meydana getirir.

Dairesel polarizasyon çeşitli konfigürasyonda güç bölücü devreleriyle oluşturulabilir. T-

eklemli güç bölücü, Wilkinson güç bölücü, çeyrek dalga hibrit ve halka güç bölücü bunlara

örnek verilebilir. Bunlardan çeyrek dalga hibrit güç bölücü, girişi eşit genlikli fakat 90° faz

farklı iki çıkışa böler. Diğer güç bölücüler, 90° faz farkı için çıkış kollarından birinde

çeyrek dalga boylu bir hatta ihtiyaç duyar.

Çift besleme yapıları mikroşerit hatlar dışında koaksiyel hatlarla yapılan beslemelerde de

kullanılmaktadır. Şekil 4.2-2’de koaksiyel hatlarla, oluşturulmuş çift besleme yapısı

görülmektedir.

27

Şekil 4.2-2 Çift koaksiyel hatla beslenmiş dairesel polarizasyonlu mikroşerit anten yapıları:

(a) dairesel yama, (b) kare yama

4.2.2. Tek Beslemeli Dairesel Polarizasyonlu Mikroşerit Anten

Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu mikroşerit antenler Şekil 4.2-3’te verilmiştir. Tek

noktadan beslemeli yamalar genellikle lineer polarizasyonlu ışıma yaparlar. Dairesel

polarizasyonu sağlamak için yama yapılarında çeşitli değişiklikler yapılır. Kare yamayı

köşegen uçlarından üçgen veya kare biçiminde kesmek, kenarlarına simetrik biçimde

karesel parçalar eklemek veya çıkarmak ya da içerisine çentik açmak dairesel

polarizasyonu sağlamak için kullanılan yöntemlerdendir.

Şekil 4.2-3 Tek koaksiyel hatla beslenmiş dairesel polarizasyonlu mikroşerit anten yapıları:

(a) dairesel yama, (b) kare yama

Şekil 4.2-4, Şekil 4.2-5 ve Şekil 4.2-6’da dairesel polarizasyonlu hale getirilmiş, kare

yamalı, dairesel yamalı ve üçgen yamalı mikroşerit antenler görülmektedir.

28

Şekil 4.2-4 Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu kare yamalı mikroşerit anten yapıları: (a)

köşegen beslemeli kareye yakın yama; (b) iki eklentili, (c) iki çentikli, (d) iki köşesi üçgen

şeklinde kesilmiş, (e) iki köşesi kare şeklinde kesilmiş, (e) köşegen açıklıklı kare yamalar

Şekil 4.2-4(a)’da verilen köşegen beslemeli kareye yakın yama, dairesel polarizasyon

oluşturmak için kullanılan en basit yöntemlerdendir. İki dik kenar uzunluğunun oranı

(L1/L2) alt katman parametrelerine bağlı olarak 1.01-1.10 aralığında olmalıdır.

Şekil 4.2-4(b) ve (c)’de verilen kenar modifiyeli kare yamalar, tek bir eklenti ya da tek bir

çentik kullanarak da dairesel polarizasyon oluşturulabilmektedirler. Bu durum yapının

simetrisini bozar, ancak her iki kenarı modifiyeli kare yamalarla aralarında performans

açısından bir fark olmaz.

Şekil 4.2-4(d) ve (e)’de verilen köşe modifiyeli kare yamalar rezonans frekansını, köşeleri

kesilmemiş olan aynı boyutlu kare yamalara göre artırır. Bu önemli bir bulgudur çünkü

yüksek frekanslarda çalışan daha küçük boyutlu antenler yapılabilmesi anlamına gelir.

29

Şekil 4.2-4(f)’de verilen diyagonal açıklıklı kare yamanın rezonans frekansı, köşegen

üzerinde bulunan açıklığın, köşegenleri farklı uzunluklara getirmesi nedeniyle değişir. Bu

durum, açıklığın boyutunun değiştirilerek rezonans frekansın ayarlanabilmesini sağlar.

Şekil 4.2-5 Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu daire yamalı mikroşerit anten yapıları:

(a) eliptik yamalı; (b) iki çentikli, (c) iki eklentili, (d) dikdörtgen açıklıklı daire yamalar

Şekil 4.2-5(a)’da verilen eliptik yamada, dairesel polarizasyon oluşturmak için eksenel

uzunlukların oranı (a/b) alt katman parametrelerine bağlı olarak 1.01-1.10 aralığında

olmalıdır. Şekil 4.2-4(b), (c) ve (d)’de yamalarda bulunan eklenti, çentik ve açıklıklar kare

yamalardakiyle benzer etkiler gösterir.

Daire yamalı mikroşerit antenler, kare yamalı mikroşerit antenlerle benzer performans

gösterirler.

30

Şekil 4.2-6 Tek beslemeli dairesel polarizasyonlu üçgen yamalı mikroşerit anten yapıları:

(a) ikizkenar, (b) kesik uçlu, (c) dikdörtgen açıklıklı, (d) çentikli üçgen yamalar

Şekil 4.2-6(a)’da verilen ikizkenar üçgen yamada, dairesel polarizasyon oluşturmak için

kenarlar arasındaki uzunlukların oranı (S1/S2) alt katman parametrelerine bağlı olarak 1.01-

1.10 aralığında olmalıdır. Şekil 4.2-6(b), (c) ve (d)’de yamalarda bulunan kesik, açıklık ve

çentikler kare yamalardakiyle benzer etkiler gösterir.

Gösterilen tek beslemeli dairesel polarizasyonlu mikroşerit anten yapılarında, sağ-el veya

sol-el dairesel polarizasyon besleme noktasına göre belirlenir. Ayrıca, LHCP dalgaları alan

bir noktanın verilen eksenler üzerinde simetriği alındığında bulunan noktadan RHCP

dalgalar alınabilmektedir. Bu durumun tam tersi de (vice versa) doğrudur.

31

5. GPS ANTENİ TASARIMLARI

GPS’in sivil kullanımı, yalnızca C/A (Coarse/Acquisition, Clear/Access) kodlarıyla

mümkündür. 2005 yılına kadar C/A kodlar sadece L1 taşıyıcı frekansı üzerinden

taşınmıştır. Sivil kullanıcıların iyonosferik düzeltme olanağı sağlayan çift frekans

özelliğinden yararlanamamaları birçok tartışmaya neden olmuştur. Bunun sonucunda 2005

yılından itibaren Block IIR-M ve takip eden tüm uydu modellerinde L2 frekansı üzerinden

C/A kod (L2C, L2 Civil Signal) yayınlanmaya başlanmıştır. Bu iki frekansa ek olarak 2009

senesinden itibaren, GPS’in modernizasyonu kapsamında L5 taşıyıcı frekansı üzerinden de

sivil amaçlı GPS sinyali yayınlanmaktadır.

GPS ile konum belirlemede temel hata kaynakları; uydu efemeris hataları, uydu saati

hataları, iyonosferik etkiler ve troposferik etkiler olarak sıralanabilir. Bu hata kaynakları

dışında Mayıs 2000 tarihine kadar, ABD savunma bakanlığı (DoD) tarafından uygulanan

seçimli doğruluk erişimi (SA, selective availability) ismi verilen ve sivil kullanıma açık

sinyal yayan Block II modeli uydulara uygulanan başka bir hata kaynağı daha mevcuttu. Bu

bozucu etki, Diferansiyel GPS (DGPS) gibi ölçüm tekniklerinin ortaya çıkmasına neden

olmuştur. GPS’te tek frekans (L1) kullanılarak da doğru ölçümler yapabilmek geliştirilen

bu tür tekniklerle mümkün hale gelmiştir. Tek frekans ile Duyarlı Nokta Konumlandırma

(PPP, Precise Point Positioning) metodu kullanılarak, desimetre seviyelerine kadar

doğrulukta konum belirlenebilmektedir. Ancak bu teknikler pahalı alıcı devreleri

gerektirmektedir.

GPS’te çift frekans kullanılmasının nedenleri; frekanslardan birinin herhangi bir nedenle

kesilmesi ve ya elektronik karıştırmaya maruz kalınması durumunda diğer frekansın yedek

frekans görevi görmesi ve çift frekans özelliğinden yararlanarak iyonosferik düzeltme

olanağının sağlanmasıdır.

GPS’te L1 ve L2 frekansları kullanılarak 1m.’nin altında hassasiyete ulaşmak mümkündür.

Bu iki frekansa ek olarak L5 (1176.45 MHz) sivil amaçlı sinyali, 24 Mart 2009 tarihinde

yörüngeye yerleştirilen Block IIR-20(M) uydusu ile 10 Nisan 2009 tarihinden itibaren

32

yayınlanmaya başlamıştır. Bu durum, GPS modernizasyon çalışmalarında önemli bir

dönüm noktasıdır. 2005-2010 yılları arasında yörüngeye yerleştirilmesi planlanan Block IIF

uydularının, faaliyette olan uyduların kullanımlarının devam etmesi nedeniyle yörüngeye

yerleştirilmesi işlemi gecikmiştir. İlki 27 Mayıs 2010 tarihinde, ikincisi 16 Temmuz 2011

tarihinde ve üçüncüsü 4 Ekim 2012 tarihinde yörüngeye yerleştirilen toplam 12 adet olacak

Block IIF uydularının 2016 yılına kadar yörüngeye yerleştirilmesi beklenmektedir [9].

GPS ölçümlerinde üç frekansın kullanılması kullanıcılara çok yüksek hassasiyette ölçüm

olanağı sağlayacaktır.

5.1. Tek Frekansta Çalışan GPS Anteni Tasarımları

5.1.1. L1 Frekansında Çalışan E-Şekilli Mikroşerit Anten Tasarımı

E-şekilli mikroşerit anten, dikdörtgen yama içerisine doğru iki paralel slot açılması ile

oluşturulur. Yamanın topolojik şekli, E harfine benzediği için bu antenlere E-Şekilli

mikroşerit anten ismi verilmiştir.

Mikroşerit hat ile besleme, kolay üretimi ve rezonans frekansındaki değişimlerin iletken

boyutlarının değiştirilerek giderilebilmesi nedeniyle kullanışlıdır ancak alt katmanın

yüksekliğinin yaptığı etki gibi istenmeyen ışımalara (bkz. Bölüm 4.1.1) neden olduğundan

bant genişliğini sınırlamaktadır. Mikroşerit hat ile besleme yamanın topolojik şeklini

bozacağı gibi aynı zamanda anten karakteristiğini de etkilemektedir. Koaksiyel kablo ile

besleme, kalın dielektrik alt katmanlar için zor modellenebilmektedir ancak saçaklanma

etkisinin düşük seviyede olması ve geniş bant aralığını olanaklı kılmasıyla istenilen bant

genişliğinin daha kolay ayarlanabilmesi amacıyla avantajlıdır.

33

Şekil 5.1-1 E-şekilli mikroşerit GPS anteninin yapısı

Anten geometrisi Şekil 5.1.1’de gösterilmiştir. Anten:

Yama boyutları için: uzunluk (L = 46 mm) ve genişlik (W = 57 mm)

Alt katman için: yükseklik (h = 10 mm)

Besleme için: besleme noktası ( Xf = -14 mm, Yf = 0 )

Slotlar için: slot genişliği (Ws) ile slot uzunluğu ise yama uzunluğu (L), (iç=1.5mm)

ve (dış=1.5mm) çıkıntı parametreleri kullanılarak modellenmiştir.

Bu antende, düşük maliyetli ve dayanıklı olması nedeniyle dielektrik sabiti 2.2 olan Rogers

RT5880 maddesi dielektrik alt katman olarak kullanılmıştır. Anten yaması ve toprak

levhası için de yine oldukça düşük maliyetli bir materyal olan bakır kullanılmıştır.

Tasarlanan antenin beslemesi koaksiyel kablo ile yapılmıştır. Akım akışı, besleme

noktasından üst ve alt kenarlara doğrudur. L ve C değerleri, bu akım yolu uzunlukları ile

belirlenir. Şekil 2’de görüldüğü üzere; yamaya iki slot dahil edildiğinde rezonans özellikleri

değişir. Yamanın orta kısmında, akımın akışı sıradan yama antenlerde olduğu gibidir:

34

Başlangıç LC devresi ve başlangıç frekanslarındaki rezonansı gösterir. Bu etki, bir seri

indüktans ΔLs gibi modellenebilir (Zhang ve Yang, 1998). Bu nedenle eş değer devre daha

düşük bir frekansta rezone olmaktadır ve anten tek bir rezonant devreden çift rezonant

devreye değişir.

Şekil 5.1-2 E-şekilli mikroşerit GPS anteninin CST MWS programında elde edilen geri

dönüş kaybı (S11) grafiği

Şekil 5.1-2’de, CST MWS programı kullanılarak benzetimi yapılan antenin, geri dönüş

kaybı grafiği görülmektedir. Anten, 1547.5 MHz – 1604.6 MHz arasında çalışmakta ve

1575.42 MHz frekansında (L1 frekansı) rezone olmaktadır. Antenin bant genişliği 57

MHz’dir.

E-şekilli antenler dairesel polarizasyon üretebilmektedirler. Bu nedenle tasarlanan antenin,

sağ el dairesel polarizasyon kazancının yüksek olması (4 dBiC veya üstü) olması beklenir.

4.6 dBiC kazanca sahip olan antenin, tek frekanslı bir GPS anteni için isterleri başarılı bir

şekilde sağladığı söylenebilmektedir.

35

Şekil 5.1-3 E-şekilli mikroşerit GPS anteninin: (a) 2 boyutlu, (b) 3 boyutlu RHCP kazanç

grafikleri

5.1.2. L1 Frekansında Çalışan Tek Yamalı Mikrodalga Alt Katmanlı Dairesel

Polarizasyonlu GPS Anteni Tasarımı

Mikroşerit antenleri, istenilen frekansta çalıştırmak için pek çok farklı teknik vardır. Genel

olarak, mikroşerit antenler yarım dalga boyunda olurlar. Baskın mod (TM01 yada TM10) için

dikdörtgen yamalı mikroşerit antenin rezonans frekansı Eş. 5.1’deki gibi verilir.

√ (5.1)

36

Dikdörtgen yamalı mikroşerit antenlerde, dairesel polarizasyon çeşitli şekillerde sağlanır.

Köşegen uçlarını üçgen şeklinde kesmek bu yöntemlerden birisidir (bkz. Bölüm 4.2.2.).

Şekil 5.1-4 Köşegen uçları kesilmiş kare yamalı dairesel polarizasyonlu GPS anteni

Şekil 5.1-4’de GPS uygulaması için tasarlanmış köşeleri kesilmiş kare yamalı bir

mikroşerit anten görülmektedir. Bu yapıda L = 51.9 mm, T = 4.8 mm, F = 10.7 mm olarak

seçilmiştir. Dielektrik alt katman olarak, dielektrik sabiti εr = 3.0 olan h = 6.5 mm

yüksekliğinde Arlon AD300 isimli madde kullanılmıştır. L x L boyutlarında olan yamanın

köşegen uçlarından, eşit olan kenarları T uzunluğunda olan 2 adet ikizkenar üçgen

kesilmiştir. Toprak levhası, 80mm x 80mm boyutlarında seçilmiştir. Şekil 5.1-1’de

görüldüğü üzere, koaksiyel beslemenin y ekseni üzerinde yerleştirilmesi, antenin RHCP

dalgaları alabilmesini sağlamıştır. Bu konfigürasyon için, besleme noktasının x ekseni

üzerine yerleştirilmesi ise antenin LHCP dalgaları alabilmesine neden olur. Bir başka

deyişle, böyle bir konfigürasyonda beslemenin x veya y ekseni üzerine yerleştirilmesi 90°

faz farklı ve aynı genlikte dairesel polarizasyon üretilmesini sağlar.

37

Şekil 5.1-2’de, CST MWS programı kullanılarak benzetimi yapılan antenin, geri dönüş

kaybı grafiği görülmektedir. Anten, 1535.2 MHz – 1608.8 MHz arasında çalışmakta ve

1575.42 MHz frekansında (L1 frekansı) rezone olmaktadır. Antenin bant genişliği 73

MHz’dir.

Şekil 5.1-5 Mikrodalga alt katmanlı GPS anteninin CST MWS programında elde edilen

geri dönüş kaybı (S11) grafiği

Şekil 5.1-3’te antenin, 2 ve 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon kazanç grafikleri

görülmektedir. Ana ışıma lobu, sağ-el dairesel polarizasyon için 4.6 dBiC kazanca sahip

olan antenin, tek frekanslı bir GPS anteni için isterleri başarılı bir şekilde sağladığı

söylenebilmektedir.

38

Şekil 5.1-6 Mikrodalga alt katmanlı GPS anteninin: (a) 2 boyutlu, (b) 3 boyutlu RHCP

kazanç grafikleri

5.1.3. L1 Frekansında Çalışan Tek Yamalı Seramik Alt Katmanlı Dairesel

Polarizasyonlu GPS Anteni Tasarımı

Bölüm 5.1.1.’de verilen anten tasarımı başka bir dielektrik alt katmanın kullanımıyla da

gerçekleştirilebilir. Farklı bir alt katman kullanmak, anten boyutlarını değiştirecektir. Bu

yapıda dielektrik sabiti εr = 28.2 ve yüksekliği h = 6mm olan seramik maddesi dielektrik alt

katman olarak kullanılmıştır. Eş. 5.1’e göre alt katman olarak εr = 28.2 olan bir madde

kullanıldığındaki yama boyutlarının, alt katman olarak εr = 3 olan bir başka madde

kullanılan antenin yama boyutlarına oranı yaklaşık olarak 1/3.26 olmalıdır. Buna göre

39

Bölüm 5.1.1.’de verilen tasarıma göre yama alanının yaklaşık olarak %10’una düşmesini

bekleyebiliriz.

Bu yapı da Şekil 5.1-1’deki yapının aynısıdır. L = 14.33 mm, T = 1.5 mm, F = 2.3 mm ve

toprak levhası da 50 mm x 50 mm olarak seçilmiştir. L x L boyutlarında olan yamanın

köşegen uçlarından, eşit olan kenarları T uzunluğunda olan 2 adet ikizkenar üçgen

kesilmiştir. Alt katman olarak εr = 28.2 olan seramik maddesinin kullanılması, anten

boyutlarını oldukça düşürmüştür.

Şekil 5.1-4’te, CST MWS programı kullanılarak benzetimi yapılan antenin, geri dönüş

kaybı grafiği görülmektedir. Anten, 1557.1 MHz – 1593.8 MHz arasında çalışmakta ve

1575.42 MHz frekansında (L1 frekansı) rezone olmaktadır. Antenin bant genişliği 37

MHz’dir

Şekil 5.1-4 Seramik alt katmanlı GPS anteninin CST MWS programında elde edilen geri

dönüş kaybı (S11) grafiği

Şekil 5.1-5’te antenin, 2 ve 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon kazanç grafikleri

görülmektedir. Antenin, ana ışıma lobu, sağ-el dairesel polarizasyon için 1.82 dBiC

kazanca sahiptir. Bu antenin, sağ el dairesel polarizasyon başarım oranı bir önceki antene

göre daha düşüktür.

40

Şekil 5.1-5 Seramik alt katmanlı GPS anteninin: (a) 2 boyutlu, (b) 3 boyutlu RHCP kazanç

grafikleri

5.2. Çift Frekansta Çalışan GPS Anteni Tasarımı

5.2.1. L1 ve L2 Frekansında Çalışan Çift Yamalı Dairesel Polarizasyonlu GPS Anteni

Çift frekansta çalışan mikroşerit antenler oluşturmak için kullanılan iki temel yöntem

vardır. Bunlardan birincisi, tek yamalı tasarımdır. Tek yamalı tasarımlarda (bkz. Bölüm

5.1.2 ve Bölüm 5.1.3) çalışma frekansları arasındaki oran 1.5 ya da daha fazladır. Bu durum

GPS L1 (1575.42 MHz) ve L2 (1227.6 MHz) frekanslarında çalışacak anten yapımını

zorlaştırır. Öte yandan çift yamalı tasarımlar, antenin her iki GPS frekansını kapsamasına

41

yol açan esnekliği sağlar. Çift yamalı tasarım her iki yamanın yan yana yerleştirilmesiyle

elde edileceği gibi yığıt halinde üst üste yerleştirilmesiyle de elde edilir.

Gerçekleştirilen tasarımda; Bölüm 5.1-2 ve Bölüm 5.1.-3’te kullanılan geometriye, mevcut

yamadan farklı boyutlu başka bir yama anten eklenmiştir. Bu tasarım; anten kalınlığını,

üretim zorluğunu ve maliyeti artırmaktadır. Ancak bu sorunların, alt katman olarak düşük

maliyetli tek bir madde kullanarak ve hava boşluğu ya da köpük tabakası kullanmayarak

üstesinden gelinebilir. Şekil 5.1-6’da çift frekansta çalışan (9cm x 9cm x 0.57cm)

boyutlarındaki GPS anteni yapısı görülmektedir.

Şekil 5.2-1 Çift yamalı, köşegen uçları kesilmiş, kare yamalı, dairesel polarizasyonlu GPS

anteni

Yapılan tasarımda, koaksiyel hat ile besleme yöntemi kullanılmış ve antenin beslemesi, üst

yamadan yapılmıştır. Alt katman olarak, dielektrik katsayısı εr = 14 olan Ferro ULF140

maddesi kullanılmıştır. Alt katmanın arasına alt yama, alt katmanın üstüne ise üst yama

yerleştirilmiştir. Alt yama, koaksiyel besleme ile temas etmediğinden üst yamaya

kuplajlanarak ışıma yapar. a1 x a1 boyutundaki alt yama, düşük olan rezonans frekansını;

a2 x a2 boyutundaki üst yama ise, yüksek olan rezonans frekansını kontrol etmektedir.

Frekans, ışık hızı ve dalga boyu arasındaki ilişkiyi veren Eş.5.2’den görüldüğü gibi frekans

42

arttıkça -ışık hızı sabit olduğundan dolayı- dalga boyu (anten boyu) azalır. Dolayısıyla

anten boyu ile frekans arasındaki ilişki ters orantılıdır.

(5.2)

Buradan yapılacak çıkarımla; yama boyutlarının artmasının rezonans frekansını azaltacağı,

yama boyutlarının azalmasının ise rezonans frekansını artıracağı söylenebilir. Bu sayede

a1 ve a2 uzunluklarını değiştirerek antenin, istenilen rezonans frekanslarında ışıma

yapması sağlanır. Bu durum Şekil 5.2-2’den de anlaşılabilmektedir. Burada dikkat edilmesi

gereken nokta; alt yamanın sanki üst yamanın toprak levhasıymış (ground plane) gibi

davranmasıdır. Bu durum; yama uzunluklarını değiştirmenin, yamaların etkili olmadıkları

rezonans frekanslarındaki geri dönüş kaybını artırması gibi olumsuz sonuçlara yol

açabilmektedir. Yapılan tasarım bu durum göz önüne alınarak gerçekleştirilmiştir.

Şekil 5.2-2 Alt yama boyutunun, rezonans frekanslarına olan etkisi

Şekil 5.2-3 Yapılan tasarım için CST MWS’da oluşturulan model

43

Yapılan tasarım için kullanılan parametreler ve değerleri mm cinsinden Tablo 5.2-4’te

ayrıntılı olarak verilmiştir.

Parametre Değer Tanım

G 45 Toprak levhasının yarı uzunluğu

s1 1.6 Alt yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu

s2 1.9 Üst yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu

a1 28.93 Alt yama kenar uzunluğu

a2 24.8 Üst yama kenar uzunluğu

f 4.2 Besleme noktası

fi 0.7 Besleme iç yarıçapı

fo 1 Besleme dış yarıçapı

gr 0.07 Toprak levhası kalınlığı

t 0.07 Yama kalınlığı

h1 4 Alt substrate kalınlığı

h2 1.6 Üst substrate kalınlığı

hole 1 Alt yamada bulunan, besleme açıklığı yarıçapı

Tablo 5.2-1 Tasarım parametreleri

Elde edilen bulgulara göre, h1 parametresinin düşük olan rezonans frekansı üzerinde etkili

olduğu görülmüştür. hole, fo ve fi gibi parametrelerin ise rezonans frekanslarını artırıcı ya

da azaltıcı etkisi bulunmamaktadır ancak bu parametreler geri dönüş kaybı üzerinde

etkilidir. Besleme noktası (f) bulunduğu konum itibariyle dairesel polarizasyon üretilmesini

sağlar ve besleme noktasının merkeze olan uzaklığı empedans uyumlandırmasını sağlar.

Benzetim sonuçlarına göre bu antenin 10 dB bant genişliği 11 MHz ve 13.5 MHz olarak

görülmüştür. Bu rakamlar fabrikasyon hatalarından oluşabilecek kaymaları kompanse

edebilecek düzeydedir.

Şekil 5.2-4 L2 çalışma frekansı bant genişliği

44

Şekil 5.2-5 L1 çalışma frekansı bant genişliği

Şekil 5.2-6’da antenin, 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon kazanç grafikleri

görülmektedir. L2 frekansı için sağ el dairesel polarizasyon kazanç değerinin 1.67 dBi, L1

frekansı için ise sağ el polarizasyon kazanç değerinin 4.21 dBi olduğu görülmektedir.

Şekil 5.2-6 L2 ve L1 çalışma frekansları için sağ el dairesel polarizasyon grafiği

45

L2 frekansındaki sağ el dairesel polarizasyon kazanç değerinin daha düşük olmasının

sebebi, alt yamanın çapraz iki köşesi üzerinden kesilen ikizkenar üçgenlerin besleme

noktasına göre ters taraftan kesilmesidir. Besleme noktasının aynı bölgede kalması (+x

ekseni üzerinde) şartıyla, alt yamanın kesik köşelerinin, üst yamayla aynı yönde olduğu

durumda anten ışıması sağ el dairesel polarizasyonlu olur. Yapının bu haliyle L2 frekansı

için sol el dairesel polarizasyon kazancının daha yüksek olmasını bekleriz.

Şekil 5.2-7 L2 çalışma frekansı için sol el dairesel polarizasyon grafiği

5.3. Üç Frekansta Çalışan GPS Anteni Tasarımı

5.3.1. L1, L2 ve L5 Frekansında Çalışan Üç Yamalı Dairesel Polarizasyonlu GPS

Anteni

Tasarlanan bu yapıda; Bölüm 5.2.1.’de yer alan, çift frekansta çalışan GPS anteninin

çalışma prensibine benzer şekilde, antenin üçüncü bir rezonans frekansında çalışabilmesi

için anten geometrisine üçüncü bir yama eklenilmiştir.

Anten geometrisi Şekil 5.3-1’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. Bu

tabakaların uzunlukları; h1=1mm, h2=2mm ve h3=2mm’dir. Antenin beslemesi, tek

koaksiyel hat kullanılarak üst yamadan yapılmıştır. Alt ve orta yamalar, koaksiyel besleme

ile temas etmediğinden üst yamaya kuplajlanarak ışıma yapmaktadırlar.

46

Şekil 5.3-1 Üç bantlı GPS anteninin (a) üstten ve yandan görünümü (b) CST MWS’de

oluşturulan yapısı

Parametre Değer Tanım

Lp 58 Alt yama kenar uzunluğu

Mp 56.5 Orta yama kenar uzunluğu

Up 45.2 Üst yama kenar uzunluğu

a 4.7 Alt yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu

b 4.9 Orta yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu

c 4.1 Üst yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu

h1 1 Üst substrate kalınlığı

h2 2 Orta substrate kalınlığı

h3 2 Alt substrate kalınlığı

lower_hole_radius 1.8 Alt yamada bulunan, besleme açıklığı yarıçapı

middle_hole_radius 1.4 Orta yamada bulunan, besleme açıklığı yarıçapı

probe_position 10 Besleme noktası

probe_radius 0.65 Besleme hattı yarıçapı

ground 70 Toprak levhası kenar uzunluğu

ground_hole_radius 2 Toprak levhasında bulunan, besleme açıklığı

yarıçapı

ground_thickness 0.07 Toprak levhası kalınlığı

thickness 0.07 Yama kalınlığı

Tablo 5.3-1 Tasarım parametreleri

Tasarım parametreleri, mm cinsinden Tablo 1’de verilen anten 7cm x 7cm x 0.53cm

boyutlarındadır. Lp x Lp boyutundaki alt yama, en düşük çalışma frekansı (L5, 1176.45

MHz); Mp x Mp boyutundaki orta yama, orta çalışma frekansı (L2, 1227.6 MHz) ve Up x

47

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 5.3-2 Alt yama kenar uzunluğunun (Lp), L5 çalışma frekansı üzerindeki etkisi

Şekil 5.3-3 Orta yama kenar uzunluğunun (Mp), 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)

48

antenin sağ el polarizasyon kazanç miktarını önemli ölçüde etkilemektedir. Bu değerler,

antenin sağ el dairesel polarizasyon kazancını yüksek yapacak şekilde belirlenmiştir.

Şekil 5.3-4 Alt yama, ikizkenar üçgen kesik kenar uzunluğu (a)’nn 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.

Şekil 5.3-5 (probe_position,0) noktasında bulunan besleme hattının +x ekseni üzerindeki

konumunun, rezonans frekansları üzerindeki etkisi

49

Şekil 5.3-6 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 5.3-7 L1, L2 ve L5 frekanslarında çalışan GPS anteninin geri dönüş kaybı grafiği

Her üç çalışma frekansında da -20 dB’nin altında geri dönüş kaybına sahip olan antenin, 10

dB bant genişliklerinin; L1 frekansı için 32 MHz, L2 frekansı için 27 MHz ve L5 frekansı

için de 21 MHz bant genişliğine sahip olduğu görülmüştür.

50

Şekil 5.3-8 L1, L2 ve L5 frekansları için 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon grafikleri

Şekil 5.3-8’de antenin, 3 boyutlu sağ el dairesel polarizasyon kazanç grafikleri

görülmektedir. L1 frekansı için sağ el dairesel polarizasyon kazanç değerinin 5.6 dBi, L2

51

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.

Elde edilen sonuçlar, Bölüm 2.7.’de hedeflenen isterleri sağlamaktadır. CST MWS’da

simüle edilen bu anten, farklı uygulama alanları için de konfigüre edilerek

kullanılabilecektir. Sağ el polarizasyon, esas olarak aralarında 90° faz farkı bulunan iki

lineer polarizasyonun bir araya gelmesinden oluşmaktadır. Dolayısıyla antenin sağ el

polarizasyonlu dalgaları alabilecek şekilde tasarlanması, bu antenin dairesel polarizasyon

gerektirmeyen uygulamalarda da kullanılabilmesini sağlar.

52

6. SONUÇLAR

Bu çalışmada, tek bantlı ve çift bantlı mikroşerit anten tasarımları yapıp buradan yola

çıkarak özgün bir üç bantlı mikroşerit anten tasarlamak ve yapılan anten modellerini CST

Microwave Studio programında simüle etmek amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda,

kapsamlı bir literatür taraması yaparak öncelikle tek frekansta sonrasında çift frekansta ve

son olarakta üç frekansta çalışan mikroşerit anten modelleri tasarlanmıştır. Bu anten

modelleri, sivil GPS frekansları olan L1, L2 ve L5 frekanslarında çalışacak şekilde

ayarlanmıştır.

GPS L1 frekansında çalışan üç farklı dairesel polarizasyonlu anten konfigürasyonu

oluşturulmuştur. Bunlardan ilki E-şekilli mikroşerit anten, ikincisi tek yamalı mikrodalga

alt katmanlı mikroşerit anten ve üçüncüsü de tek yamalı seramik alt katmanlı mikroşerit

antendir. E-şekilli mikroşerit anten tasarımında, bu antenlerin sağladığı yüksek bant

genişliğinden yararlanarak; bant genişliği istenilen seviyede olacak şekilde daraltılmış ve

antenin 1550 MHz – 1605 MHz frekans aralıklarında çalışabilmesi sağlanmıştır. Çift

rezonans frekansına sahip bu antende, tasarımcının L1 frekansını koruyarak üst çalışma

frekansını ayarlamasını sağlayan parametreler, birer tasarım kılavuzu olarak sunulmuştur.

Tek yamalı mikrodalga ve seramik alt katmanlı mikroşerit anten tasarımlarında, alt katman

olarak farklı dielektrik sabitine sahip maddeler kullanmanın anten boyutlarına olan etkisi

incelenmiştir. Dairesel polarizasyon elde etmek için yamaları, çapraz iki köşelerinden

ikizkenar üçgen şeklinde kesilen bu antenlerin analizinden elde edilen sonuçlara göre;

seramik alt katmanlı (εr =28.2) modelin, Arlon AD300 mikrodalga alt katmanlı (εr =3)

modele göre daha küçük boyutlu olduğu ancak sağ el dairesel polarizasyon kazancının ise

daha düşük değerli olduğu görülmüştür.

Çift frekansta çalışan mikroşerit antenler oluşturmak için kullanılan, iki temel yöntemden

ilki olan tek yamalı tasarımlarda çalışma frekansları arasındaki oranın 1.5 ya da daha fazla

olması GPS L1 (1575.42 MHz) ve L2 (1227.6 MHz) frekanslarında çalışacak anten

yapımını zorlaştırmıştır. Bu nedenle GPS L1 ve L2 frekanslarında çalışan anten için,

53

antenin her iki GPS frekansını da kapsamasını sağlayan dairesel polarizasyonlu çift yamalı

tasarım model alınmıştır. Alt ve üst yama kenar uzunlukları, rezonans frekanslarını

ayarlamayı sağlayan bir tasarım parametresi olarak sunulmuştur. Yama boyutlarının

artmasının rezonans frekansını düşürdüğü, yama boyutlarının azalmasının ise rezonans

frekansını artırdığı görülmüştür. Ancak, alt yamanın sanki üst yamanın toprak levhasıymış

(ground plane) gibi davranması; yama uzunluklarını değiştirmenin, yamaların etkili

olmadıkları rezonans frekanslarındaki geri dönüş kaybını artırması gibi olumsuz sonuçlara

yol açabildiği görülmüştür.

Üç frekansta çalışan mikroşerit anten için, 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 tasarım yapılmıştır. Karesel yamaların kenar uzunlukları

olan Lp, Mp ve Up parametrelerinin sırasıyla L5, L2 ve L1 rezonans frekansları üzerinde

etkili olduğu ve ayrıca, alt katman yüksekliklerinin de geri dönüş kaybı değerleri üzerinde

etkili olduğu görülmüştür. 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. Böylece bant genişliklerinin,

oldukça yeterli 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 artırılabileceği gibi; bu değerler, istenilen kazanç seviyesi olan 4 dBi’a göre

oldukça yeterlidir. Bu özellikleri ile tasarım, modern GPS uygulamalarında kullanılabilecek

niteliğe sahiptir. Anten boyutlarının kullanılabilirliğini etkileyen önemli bir faktör de anten

boyutlarıdır. Bu tasarımda üretim maliyetlerini düşürmek amacıyla, ucuz ve sağlam bir

madde olması nedeniyle dielektrik katsayısı εr = 4.3 olan FR4 materyali kullanılmıştır ve

7cm x 7cm x 0.53cm olan anten boyutları yeterli görülmüştür. Anten boyutlarını daha da

küçültebilmek için dielektrik katsayısı daha yüksek alt katmanlar kullanmak gerekmekte

olduğu unutulmamalıdır.

54

KAYNAKÇA

1. Akkaya, İ. 1996. Antenler ve Propagasyon, Sistem Yayıncılık, 297 s., İstanbul.

2. Balanis, C.A. 2005. Antenna Theory Analysis and Design, John Wiley & Sons, 1097

s., New York.

3. Bhattacharyya, A.K., Shafai, L and Gary, R. 1991. Microstrip Antenna – A

Generalized Transmission Line, Progress in Electromagnetic Research, vol. 4, 45-84.

4. Carver, K. and Mink, J.W. 1981. Microstrip Antenna Technology, IEEE Transactions

on Antennas and Propagation, vol. 29, 2-24.

5. Chen, S.C., Liu, G.C., Chen, X.Y., Lin, T.F., Liu, X.G. and Duan Z.Q. 2010.

Compact Dual-Band GPS Microstrip Antenna Using Multilayer LTCC Substrate,

IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 9, 421-423.

6. 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.

7. Fang, D.G. 2010. Antenna Theory And Microstrip Antennas, CRC Press, USA.

8. Garg, R., Bhartia P., Bahl I. and Ittipiboon, A. 2001. Microstrip Antenna Design

Handbook, Artech House, USA.

9. Kahveci, M. ve Yıldız, F. 2012. GPS/GNSS Uydularla Konum Belirleme Sistemleri

Teori-Uygulama, Nobel Yayıncılık, 225 s., Ankara.

10. Kumar, G. and Gupta, K.C. 1985. Directly coupled multiple resonator wide band

microstrip antenna, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-33,

588-593.

11. Kumar, G. and Ray, K.P. 2003. Broadband Microstrip Antennas, Artech House,

USA.

12. Nasimuddin 2011. Microstrip Antennas, InTech, Croatia.

13. Patel, S.S., Soni, H.B., Patel, S.K., and Kosta, Y.P. 2011. E-shaped Patch Antenna

Analysis for Multiple Applications, 2011 3rd International Conference on Electronics

Computer Technology (ICECT), vol. 5, 258-263.

14. Peng, X.F., Zhong, S.S., Xu, S.Q. and Wu, Q. 2005. Microwave and Optical

Technology Letters, vol. 44, no. 1, 58-61.

55

15. Pozar, D.M. 1992. Microstrip Antennas, Proceedings of the IEEE, vol. 80(1), 79-81.

16. Pozar, D.M. 2005. Microwave Engineering, John Wiley & Sons, 691 s., USA.

17. Sevgi, L. 2005. EMC ve Antenler: I – Tanımlar, Endüstriyel & Otomasyon, İstanbul.

18. Su, C.M., Wong, K.L. 2002. A Dual-Band GPS Microstrip Antenna, Microwave and

Optical Technology Letters, vol. 33, no. 4, 238-240.

19. Sullivan, P.L. and Schaubert, D.H. 1986. Analysis of An Aperture Coupled

Microstrip Antenna, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 34, 977-

984.

20. Virga, K.L. and Rahmat-Samii, Y. 1997. Low Profile Enhanced-Bandwidth PIFA

Antennas for Wireless Communications Packaging, IEEE Transactions on Antennas

and Propagation, vol. 45, 1879-1888.

21. Wong, K.L. 2002. Compact and Broadband Microstrip Antennas, John Wiley &

Sons, New York.

22. Yang, F., Zhang, X.X., Ye, X., and Rahmat-Samii Y. 2001. Wideband E-Shaped

Patch Antennas for Wireless Communications, IEEE Transactions on Antennas and

Propagation, vol. 49, 1094-1100.

23. Yau, D. and Shuley, N.V. 1998. Numerical Analysis of An Aperture Coupled

Microstrip Patch Antenna Using Mixed Potential Integral Equations and Complex

Images, Progress in Electromagnetic Research, vol. 18, 229-244.

24. Zhang, X.-X. and Yang, F. 1998. The Study of Slit Cut on The Microstrip Antenna

and Its Applications, Microwave and Optical Technology Letters, vol. 18, no. 4, 297-

300.

25. http://www.gpsfahrzeugortung.de/GPS-Ortungstechnik-Ortungssystem.html