ĐSTANBUL TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ

YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Osman CEYLAN

Anabilim Dalı : Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği

Programı : Elektronik Mühendisliği

HAZĐRAN 2009

FREKANS MODÜLASYONLU SÜREKLĐ DALGA RADARI TASARIMI VE GERÇEKLEMESĐ

Tez Danışmanı: Öğr. Gör. Dr. H. Bülent YAĞCI

HAZĐRAN 2009

ĐSTANBUL TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ

YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Osman CEYLAN

(504061221)

Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 04 Mayıs 2009

Tezin Savunulduğu Tarih : 04 Haziran 2009

Tez Danışmanı : Öğr. Gör. Dr. H. Bülent YAĞCI (ĐTÜ) Diğer Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Sema OKTUĞ (ĐTÜ)

Doç. Dr. Selçuk PAKER (ĐTÜ)

FREKANS MODÜLASYOLU SÜREKLĐ DALGA RADARI TASARIMI VE GERÇEKLEMESĐ

iii

Anneme ve babama,

iv

v

ÖNSÖZ

Öncelikle lisans ve yüksek lisans eğitimim boyunca her konuda bana destek olan danışmanım Sayın Dr. H. Bülent Yağcı’ya teşekkür etmek istiyorum. Teori ile gerçekler arasındaki köprüyü kurma konusunda bilginin ve bilgiyi kullanabilmenin önemini bana en iyi şekilde göstererek mühendislik mesleğinin güzelliğini bir kez daha anlamamı sağlamıştır. Farklı ve tecrübe dolu görüşleriyle sentezlenmiş hayata dair tavsiyelerini de ömrüm boyunca hiç aklımdan çıkarmayacağım.

Çalışmalarım sırasında tasarım sorunlarımla sabırla ilgilenen Sayın Doç. Dr. Selçuk Paker’e teşekkür ederim.

Yüksek lisans eğitimim sırasında en önemli kararları verdiğim anlarda yanımda olan Sayın Müh. Sevcan Erşan’a en içten duygularım ile teşekkür ederim.

Benden uzakta olsalar da her an yanımdaymış gibi desteklerini sürdüren aileme de sonsuz teşekkür ederim.

Yüksek lisans eğitimim süresince beni maddi olarak destekleyen TÜBĐTAK’a ve tezimin gerçeklenmesi için gerekli maddi desteği sağlayan ĐTÜ’ye de teşekkürlerimi sunarım.

Mayıs 2009

Osman Ceylan

(Elektronik Mühendisi)

vi

vii

ĐÇĐNDEKĐLER

Sayfa

ÖNSÖZ........................................................................................................................v ĐÇĐNDEKĐLER........................................................................................................vii KISALTMALAR......................................................................................................ix ÇĐZELGE LĐSTESĐ..................................................................................................xi ŞEKĐL LĐSTESĐ......................................................................................................xiii ÖZET.........................................................................................................................xv SUMMARY..............................................................................................................xii 1. GĐRĐŞ.......................................................................................................................1

1.1 Tezin Amacı ve Kapsamı...................................................................................2 1.2 Çalışmanın Katkıları..........................................................................................2

2. RADAR...................................................................................................................3 2.1 Giriş...................................................................................................................3 2.2 Radar Tipleri......................................................................................................4

3. FREKANS MODÜLASYONLU SÜREKLĐ DALGA RADARI......................9 3.1 Kısa Tarih..........................................................................................................9 3.2 Özellikleri.........................................................................................................10 3.3 Kullanım Alanları.............................................................................................11 3.4 Matematiksel Model........................................................................................13 3.5 FMSD Radarının Đç Yapısı..............................................................................16

3.5.1 Gerilim kontrollü osilatör.........................................................................17 3.5.2 Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı.............................................................18 3.5.3 Anten........................................................................................................23

3.5.3.1 Antenlerin temel özellikleri 23 3.5.3.2 Çok kullanılan anten tipleri 24

Tel tip antenler 24 Açıklıklı antenler 25 Yansıtıcı antenler 26 Mikroşerit antenler 26

3.5.4 Üçgen dalga üretici...................................................................................35 3.5.5 Karıştırıcı (Mixer)....................................................................................37 3.5.6 Kuvvetlendirici.........................................................................................38

4. GERÇEKLENEN RADARIN ANALĐZĐ...........................................................41 4.1 Sistemi Oluşturan Yapılar ...............................................................................41 4.2 Mesafe Ölçümü................................................................................................43

5. SONUÇLAR ve GELECEKTEKĐ ÇALIŞMALAR.........................................46 KAYNAKLAR..........................................................................................................49 EKLER......................................................................................................................51

viii

ix

KISALTMALAR

ÇFFMB : Çeyrek Faz Farklı Melez Bağlayıcı FMCW : Frequency Modulated Continious Wave FMSD : Frekans Modülasyonlu Sürekli Dalga GKO : Gerilim Kontrollü Osilatör PCB : Printed Circuit Board

x

xi

ÇĐZELGE LĐSTESĐ

Sayfa

Çizelge 3.1 : Tasarım şartları ..................................................................................14

Çizelge 3.2 : HMC530LP5 özellikleri .....................................................................15

Çizelge 3.3 : Tasarım şartları ..................................................................................17

Çizelge 3.4 : Bağlayıcı benzetimi sonuçları. ...........................................................19

Çizelge 3.5 : Üretilen antenlerin ölçüm sonuçları. ...................................................32

Çizelge 3.6 : HMC412MS8G özellikleri. ................................................................36

Çizelge 4.1 : Ölçüm sonuçları. ................................................................................45

xii

xiii

ŞEKĐL LĐSTESĐ

Sayfa

Şekil 2.1 : Radarın algılama yöntemi...........................................................................3 Şekil 2.2 : Radarın iç yapısı..........................................................................................5 Şekil 2.3 : Darbe radarının iç yapısı.............................................................................6 Şekil 2.4 : Darbe radarı işaret şekilleri.........................................................................6 Şekil 3.1 : Bentley radarı..............................................................................................7 Şekil 3.2 : FMSD radarı alıcı ve vericideki işaretlerin frekansının zamana değişimi..8 Şekil 3.3 : Đrtifa ölçümü................................................................................................9 Şekil 3.4 : Seviye ölçümü.............................................................................................9 Şekil 3.5 : Taşıt uyarı sistemi.....................................................................................10 Şekil 3.6 : Frekans modülasyonlu sürekli dalga radarının temel yapısı.....................12 Şekil 3.7 : Üçgen dalga ile modüle edilmiş işaret......................................................13 Şekil 3.8 : Agilent EXA Signal Analyzer N9010A’dan ölçülen GKO çıkış gücü….16 Şekil 3.9 : Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı.............................................................17 Şekil 3.10 : Bağlayıcı yapısının radarda kullanımı....................................................17 Şekil 3.11 : Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı tasarımı.............................................18 Şekil 3.12 : Benzetim sonucunda bağlayıcının yalıtım ve yansıma değerleri............19 Şekil 3.13 : Benzetim sonucunda bağlayıcının iletim değerleri.................................19 Şekil 3.14 : Tasarımın gerçeklenmiş hali...................................................................20 Şekil 3.15 : Tasarımın ölçüm sonuçları......................................................................21 Şekil 3.16 : Dipol anten..............................................................................................22 Şekil 3.17 : Çevrim anten...........................................................................................23 Şekil 3.18 : Korna anten.............................................................................................23 Şekil 3.19 : Yama anten.............................................................................................24 Şekil 3.20 : Tasarlanan yama anten............................................................................25 Şekil 3.21 : Anten empedansı.....................................................................................25 Şekil 3.22 : Dört elemanlı anten dizisi.......................................................................26 Şekil 3.23 : Dört elemanlı anten dizisi tasarımı.........................................................27 Şekil 3.24 : Anten dizisinin empedansı.....................................................................27 Şekil 3.25 : Anten dizisinin S11 (yansıma) değerleri................................................28 Şekil 3.26 : HFSS’de tasarlanan yapı........................................................................28 Şekil 3.27 : S11 verisi................................................................................................29 Şekil 3.28 : Empedans değerleri................................................................................29 Şekil 3.29 : Anten kazancı.........................................................................................30 Şekil 3.30 : Anten üzerindeki elektrik alan dağılımı..................................................30 Şekil 3.31 : Üretilen antenin önden görünüşü............................................................31 Şekil 3.32 : Üretilen antenin arkadan görünüşü.........................................................31 Şekil 3.33 : Üretilen antenlerin ölçüm sonuçları........................................................32 Şekil 3.34 : Üçgen dalga üretici ve tampon devresi...................................................34 Şekil 3.35 : Üçgen dalga üretici baskı devresi (üstten görünü)..................................34 Şekil 3.36 : Üçgen dalga üretici devresinin önden ve arkadan görünüşü...................35 Şekil 3.37 : Karıştırıcı yapısı......................................................................................35 Şekil 3.38 : Karıştırıcı girişlerinin bağlayıcıdan yapılışı............................................36

xiv

Şekil 3.39 : Kuvvetlendirici........................................................................................37 Şekil 3.40 : Kuvvetlendiricinin kazanç bant genişliği grafiği....................................37 Şekil 4.1 : Montajlanmış ÇFFMB’nin önden ve arkadan görünüşü...........................39 Şekil 4.2 : FMSD radarı parçaları...............................................................................39 Şekil 4.3 : Kuvvetlendirici çıkışından ses kartına bağlantı........................................40 Şekil 4.4 : Gürültü analizi...........................................................................................41 Şekil 4.5 : Ölçüm sonuçları........................................................................................43

xv

FREKANS MODÜLASYONLU SÜREKLĐ DALGA RADARI TASARIMI VE GERÇEKLEMESĐ

ÖZET

Radarlar mikrodalga elektroniğinin en kapsamlı ve karmaşık konularındandır. Birden çok yapıyı (karıştırıcı, gerilim kontrollü osilatör, anten vb.) içermesinin yanı sıra bu yapıları uyumlu bir şekilde çalıştırmak da gerektiğinden önemli bir mühendislik uygulamasıdır. Savunma sanayi başta olmak üzere endüstriyel uygulamalarda da önemli bir kullanım alanı vardır. Radarlar ile bir cisme olan uzaklık, cismin hızı ve açısal konumu belirlenebilir.

Tez kapsamında bir Sürekli Dalga Kısa Mesafe Radarı’nın (FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave) tasarımı öncelikle bilgisayar ortamında yapılmış, daha sonra gerçeklenerek testleri yapılmıştır. Tasarım esnasında AWR WMO, Ansoft HFSS, MATLAB, Orcad PSpice yazılımları kullanılmıştır. AWR yazılımı ile anten, anten dizisi ve melez bağlayıcı (hybrid coupler) tasarlanmıştır. Tasarlanan anten dizisinin HFSS ile de benzetimi yapılarak 2 farklı elektromanyetik benzetim programı ile tasarım doğrulanmıştır. PSpice ile karıştırıcı çıkışına bağlanacak kuvvetlendirici tasarımı yapılmıştır. MATLAB ile de radar işaretinin analizi yapılmıştır. Bütün elektronik devre kartlarının tasarımları yazılımlar ile yapılmış ve üretimleri Türkiye’deki yerli elektronik kart üreticilerine yaptırılmıştır.

Radarın parçaları öncelikle ayrık olarak tasarlanmış, üretilmiş ve test edilmiştir. Đlk olarak anten tasarımı yapılmış ardından antenlerin bant genişliğine uygun bağlayıcı tasarlanmıştır. Bu bant genişliğinde işaret üretebilmek için gerekli kontrol devresinin tasarımının ardından karıştırıcı çıkışındaki işareti kuvvetlendirmek üzere düşük gürültülü bir kuvvetlendirici tasarımı yapılmıştır. Bütün ayrık parçalar çalışır hale getirildikten sonra sistem birleştirilerek radar oluşturulmuş ve testler yapılmıştır.

Radarın tamamlanmasının ardından mesafe testleri yapılmıştır. Öncelikle boşta çalışma gürültüsünü belirlemek için radar anteni gökyüzüne tutulmuş ve veri kaydı yapılmıştır. Daha sonra farklı mesafelerdeki hedefler ile ölçüm yapılmıştır. Hedeften alınan işaretin boşta çalışma gürültüsünden çıkartılması ile hedeften dönen işaret elde edilmiş ve analizi yapılmıştır.

Tasarlanan radar başarılı bir şekilde çalıştırılmış ve beklenilen hata ölçüleri içerisinde yeterli doğrulukta ölçüm yapılmıştır.

Çalışma sonunda mikrodalga elektroniği konusunda önemli bir tasarım ve üretim bilgisi kazanılmıştır. Gelecek çalışmalar için önemli bir temel oluşturulmuştur. Anten dizisinin geliştirilmesi, daha yüksek güçte tasarımların yapılması ve mikrodenetleyici kullanımı ile daha yetenekli ve daha düşük maliyetli tasarımların hazırlanabileceği öngörülmüştür.

xvi

xvii

FREQUENCY MODULATED CONTINUOUS WAVE RADAR DESIGN AND APPLICATION

SUMMARY

Radar is one of the most important and compherensive part of microwave electronics. Radars contain lots of structure (antenna, mixer, VCO, etc.) and it is necessary to work them synchronic. So a radar design is a significant engineering application. Defence and commercial industries use radar for measurements and target tracking. A radar can detect target’s velocity, distance and angular position.

By the thesis project, a frequency modulated continuous wave radar was designed and realized for short range measurements. AWR WMO, Ansoft HFSS, MOTLAB and Orcad PSpice softwares were used at design period. Antenna and antenna array, hybrid coupler were designed by ARW WMO. Antenna array was simulated by Anfost HFSS again. So array design was checked twice by different electrmagnetic analysis softwares. Low noise amplifier was designed by Orcad PSpice. Radar signals were processed by MATLAB. All PCB designs were done by softwares and manufactured in Turkey.

Radar parts were designed, manufactured and tested one by one. Firstly antenna design was copmleted. Antennas bandwidth determined couplers center frequency and to produce this signal from VCO, a control circuit was designed. Finally mixer’s IF output a low noise amplifier was designed.

After the production of parts, they were connected each other. To determine radar noise its’ antenna was guieded to sky. After saving noise data, distance measurements were done and analysed by MATLAB.

End of the project distance measurement was succesfully done by the designed FMCW radar in determined tolerance interval.

xviii

1

1. GĐRĐŞ

Radarlar mikrodalga elektroniğinin en kapsamlı ve karmaşık konularından birisidir.

Birçok farklı devre türünü (osilatör, karıştırıcı (mixer), anten, süzgeç, bağlayıcı

(coupler), kuvvetlendirici…) içermesinden dolayı, bünyesinde barındırdığı yapıları

tek tek çalışır duruma getirmenin yanı sıra bir arada çalışmalarını da sağlamak

gerektiği için gerçek anlamda bir mühendislik uygulaması olarak kabul edilebilir.

Savunma sanayi başta olmak üzere endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılan

radarlar mikrodalga alanındaki gelişmelerin de etkisiyle geniş bir kullanım alanı

bulmuştur. Endüstrinin temel unsuru olan yetenekli ve düşük maliyetli sistemlerin

üretilebilmesiyle de endüstrideki mekanik ölçüm düzenlerinin yerini yavaş yavaş

almaktadır.

Radarlar ile hız, mesafe ve açısal konum tespiti yapılabilmektedir. Bir radarın

yeteneğini belirten unsurlar radarın ölçüm mesafesi ve ölçüm hatasının

düşüklüğüdür. Ölçüm mesafesi daha çok radarın gücü ile doğru orantılı olmaktadır.

Yüksek güçlü radarlar yüksek maliyetli olup genelde savunma sistemlerinde

kullanılan radarlar bu sınıftadır. Bilimsel amaçlı radarlar da genelde yüksek

güçlüdür. Radarların ölçüm hatası radarın kullanım amacına göre değişebilir.

Örneğin deniz seyrüsefer sistemlerinde 40-50 km menzilli bir radarın birkaç metre

ölçüm hatası yapması normaldir, ancak titreşim ölçümünde kullanılan bir radarın

ölçüm hatasının milimetrenin binde birine kadar inmesi beklenebilir. Mikrodalga

devrelerinin haberleşme dışında kullanımına güzel bir örnek olan radarların sivil

uygulamalarda da kullanımının yaygınlaşmasıyla sanayide otomasyon sistemlerine

entegre olarak üretim kalitesini ve maliyetini etkileyecek unsurlardan olacaktır.

2

1.1 Tezin Amacı ve Kapsamı

Tez kapsamında bir kısa mesafe radarının tasarımı ve gerçeklemesi yapılmıştır.

Düşük güçlü radar uygulamalarından olan frekans modülasyonlu sürekli dalga radarı

(FMCW, frequency modulated continuous wave) tasarlanmıştır. Amaç, düşük

maliyetli bir kısa mesafe radarının düşük güç tüketecek şekilde küçük hacimli olarak

tasarlanmasıdır. Bu sayede endüstride kullanılan mekanik veya sensör tabanlı

sistemlerin yerini tutabilecek bir sistemin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Klasik

sensörlü veya mekanik ölçüm sistemleri sıcaklık, ortamdaki kimyasallar ve nem gibi

etkenlerden ciddi derecede etkilenmektedirler. Radarın ölçüm yaptığı nesneden

bağımsız olması nesneden kaynaklanacak ölçüm hatalarının da önüne geçecektir.

Radar bünyesinde bulunan anten, melez bağlayıcı (hybrid coupler), modülatör,

süzgeç ve kuvvetlendirici tasarımı yapılmış ve karıştırırı, gerilim kontrollü osilatör

dahil olmak üzere bütün yapılar uygun teknikler ile birbirine bağlanmıştır. Her devre

öncelikle ayrık olarak, sonra bütün halinde bilgisayar ortamında tasarlanmış ve

benzetim sonuçlarının incelenmesinin ardından tek tek üretilmiştir. Son aşamada

ayrık olarak tasarlanan bütün parçalar birleştirilerek sistem bir bütün haline

getirilerek çalıştırılmıştır.

1.2 Çalışmanın Katkıları

Mikrodalga devrelerin endüstride kullanımının yaygınlaşması için ara eleman

gerekmeksizin endüstride kullanılabilecek şekilde bir tasarım yapılmıştır. Bu çalışma

ile mikrodalga elektroniği konusunda önemli bir tasarım ve üretim tecrübesi

kazanılmıştır. Mikroşerit devre, yama anten gibi yüksek frekans elektroniği

yapılarının baskı devre üretiminin Türk firmaları tarafından yapılması onlar için de

ayrı bir tecrübe olmuştur. Gelecek çalışmalar için tasarım adımları ayrıntılı olarak

anlatılmış ve teorik hesaplamalar ile ölçülen sonuçlar karşılaştırmalı olarak

verilmiştir. Benzer yapılar ile kıyaslandığında ise üretiminin kolay olması, az devre

elemanı içermesi ve küçük hacmi ile daha avantajı konumdadır (Uhlig ve diğerleri,

2004) (Kulke ve diğerleri,2005). Đleri çalışmalarda gerilim kontrollü osilatör ve

karıştırıcının da tasarımlarının basit olarak yapılması ile ciddi derecede maliyet

avantajı da sağlanacaktır.

3

2. RADAR

2.1 Giriş

RADAR Đngilizce Radio Detection and Ranging kelimelerinden oluşur. “Radyo

Algılama ve Mesafe Belirleme” anlamına gelir. Radar; en genel haliyle bir alıcı,

verici ve işaret işleme yapılarından oluşur. Vericiden gönderilen radyo işareti hedefe

çarpıp yansır (Şekil 2.1). Yansıyan işaret alıcı tarafından algılanır ve işlenerek

hedefin hızı ve konumu hakkında bilgi edinilir.

Şekil 2.1 : Radarın algılama yöntemi.

Alman mühendis Christian Hülsmeyer tarafından 1904 yılında uzaktaki metal

nesnelerin varlığını tespit edebileceğini söylemiş ve yoğun sisli bir günde uzaktaki

bir geminin varlığını tasarladığı sistem ile tespit etmiştir. Bu sistemin Đngiltere’de

1904 yılında 165546 kayıt numarası ile patentini almıştır. Nikola Tesla 1917’de ilkel

radarın tanımını yaptı. Đlerleyen zamanda Đkinci Dünya Savaşı’ndan önce Amerika,

Sovyetler Birliği, Almanya, Fransa ve Đngiltere önemli çalışmalar yapmıştır.

Radarların ciddi anlamda ilk kullanımı 2. Dünya Savaşı sırasında olmuştur. Savaş

süresince ve sonrasındaki teknolojik ilerlemeler ile ( bilgisayarların keşfi, mikrodalga

alanındaki ilerlemeler) hızla gelişmiş ve hem askeri hem de sivil uygulamalarda

sıklıkla kullanılmaya başlanmıştır. Radarın sivil kullanım alanlarından bazıları:

• Havalimanı gözetleme sistemleri

• Deniz seyrüsefer sistemleri

4

• Hava durumu tahminleri

• Altimetre olarak (yükseklik ölçümü)

• Alarm sistemleri

• Uçak iniş-kalkış sistemleri

• Hız ölçümü (polis radarları)

• Haritacılık

Bilimsel kullanım alanlarına verilebilecek örnekler:

• Uzay araştırmaları (uydu konumlandırma, radyo ve radar astronomisi, )

• Haritacılık

• Hassas mesafe ölçümü

• Uzaktan izleme

Askeri kullanım alanlarına ilişkin örnekler:

• Hava-deniz taşıtları sefer sistemleri

• Hava-deniz taşıtlarını algılama

• Akıllı füzelerde

• Düşman gözetleme sistemlerin

• Atış kontrol sistemleri

2.2 Radar Tipleri

Radarlar en genel haliyle sürekli dalga ve darbe radarları olarak ikiye ayrılır. Sürekli

dalga radarlarında verici sürekli bir işaret üreterek hedefe gönderir. Hareketli

hedeften yansıyıp gelen işaretin Doppler Etkisi’nden dolayı frekansında ve fazında

bir değişim meydana gelir. Bu değişimin algılanması esasına dayalı olarak çalışır.

Doppler etkisinden dolayı gönderilen işaretin fazındaki değişim aşağıdaki gibi

olacaktır:

= 2 = = 4 = 4 (2.1)

5

Doppler açısal frekansı, doppler frekans kaymasını, hedefin göreli hızını Belirtmektedir. Doppler frekans kaymasının ifadesi:

= 2 = 2 )*

), hedefe gönderilen işaretin frekansı, c ışık hızı (2.2)

Sürekli dalga radarlarında sürekli işaret gönderimi olduğu için sürekli ölçüm

yapılabilmektedir. Gönderilen işaret, radarın kullanım amacına göre modülasyonlu

veya modülasyonsuz olabilir. Temel olarak modülasyonsuz bir sürekli dalga

radarının çalışma şekli Şekil 2.2’de verilmiştir.

Antenfo

fo ± fd

Sürekli Dalga Üreticifo

fo

fo ± fd fo

Algılayıcı(Karıştırıcı)

(mixer)

Kuvvetlendiricifd Gösterge

İşaret İşlemefd

Şekil 2.2 : Radarın iç yapısı.

Sürekli dalga radarlarında hedefin hareketsiz olması durumunda doppler etkisi

oluşmayacağı için ya da çok yavaş hareket ettiğinde ölçülemeyecek kadar küçük bir

etki oluşacağı için algılama yapılamamaktadır.

Darbe radarları genel olarak ikinci tür radar gurubunu oluşturur. Darbe radarlarında

hedefe bir darbe işareti gönderilir. Hedeften yansıyan işaret alıcı tarafından algılanır.

Algılama süresi kullanılarak hedefin uzaklığı tespit edilir. Fazdaki değişimden yola

çıkılarak da hedefin açısal konumu belirlenebilir. Bu tür radarlarda sürekli ölçüm

yapılarak hedefin yaptığı değişikliklerin tespiti ile hedefin hızı bulunabilir, ancak

hedefin etrafındaki sabit cisimlerden oluşabilecek yansımalar ölçümü oldukça

zorlaştırabilir (Skolnik, 1962). Bu nedenle darbe radarlarında sürekli bir dalga darbe

işareti ile modüle edilerek hedefe gönderilir (Şekil 2.3, 2.4). Doppler-darbe radarı

denilen bu yapı ile sadece yansıyan işaretteki doppler etkisini de kullanarak sabit

cisimlerden gelen gürültüler hedeften yansıyan işaretten 70-90 dB fazla bile olsa

algılama yapabilmektedir (Skolnik, 1962).

6

Şekil 2.3 : Darbe radarının iç yapısı.

Şekil 1.4 : Darbe radarı işaret şekilleri.

Sürekli dalga radarlarının mesafe bulamamamı, darbe radarlarının da karmaşık

fiziksel yapılar farklı yöntemlerin aranmasına yol açmıştır. Sürekli dalga radarına

ayrık bir zamanlama yapısı eklenerek mesafe ölçümü yapılabilir (Skolnik, 1962).

Ayrık bir zamanlama yapısı gönderilen işaretin frekans bandında genişlemeye sebep

olur, yani frekans bandında bir genişleme yapılabilirse yansıyıp gelen işaretin süresi

daha net ölçülebilir, bu genişleme de sürekli dalga modüle edilerek yapılabilir

(Skolnik, 1962). Bu yöntem frekans modülasyonlu sürekli dalga radarlarının keşfinin

temeli olmuştur.

7

3. FREKANS MODÜLASYONLU SÜREKLĐ DALGA RADARI

3.1 Kısa Tarih

Frekans modülasyonunun mesafe tespitinde kullanımı fikri 1900’lerin başında ortaya

atılmıştır. Đlk pratik kullanımı 1928’de J.O. Bentley tarafından “Uçak Đrtifa Gösterge

Sistemi” adı ile patent alınarak kullanılmaya başlamıştır (Komarov ve Smolskiy,

2003). Bentley’in radarının oldukça basit bir yapısı vardı (Şekil 3.1)

VERİCİ ALICI

Elektrik Motoru

Şekil 3.1 : Bentley Radarı.

Verici işareti bir motor yardımıyla ayarlı bir kondansatör kullanarak üçgen dalga ile

modüle edilerek hedefe gönderiliyordu. Alıcının giriş katı verici frekansına göre

akort edilmekteydi. Alıcıya gelen işaret belli bir τ gecikmesinden sonra geleceği için

farklı frekansta olacağı için alıcıda işaret karışımı olmamaktadır (Şekil 3.2 : FMSD

radarı alıcı ve vericideki işaretin frekansının zamanla değişimi.).

8

Şekil 3.2 : FMSD radarı alıcı ve vericideki işaretin frekansının zamanla değişimi.

Aradaki bu fark bir karıştırıcı (mixer) ile belirlenmektedir. Bu farkın gecikme ile

doğru orantılı olduğu Şekil 3.2’de görülmektedir. Bu uygulamanın endüstriyel olarak

kullanıma başlaması 1930’ların sonlarında yüksek frekans tekniklerinin gelişmesiyle

olmuştur (30 MHz). Özellikle 2. Dünya Savaşı sırasında uçaklarda irtifa metre olarak

kullanılmıştır. 1930’ların sonlarına doğru darbe radarlarının ortaya çıkmasıyla

unutulmuş, zamanla çok hassas ölçümlerin yapılması ihtiyacı gündeme geldiği için

tekrar hatırlanmıştır (Komarov ve Smolskiy, 2003).

3.2 Özellikleri

Frekans modülasyonlu sürekli dalga radarlarının başlıca özellikleri (Komarov ve

Smolskiy, 2003):

• Çok küçük mesafeleri ölçebilir.

• Aynı anda hem hız hem de mesafe tespiti yapabilir.

• Çok düşüm ölçüm hatası ile ölçüm yapar.

• Kullanılan işaretin dalga boyundan çok daha küçük değişimleri fark edebilir.

• Karıştırma işleminden sonra elde edilen işaret modülasyon frekansı ile

orantılıdır ve çok rahat işlenebilir.

• Anlık darbe gürültülerine karşı güvenlidir.

• Radar boyutları en basit haliyle kullanılan mikrodalga blokların büyüklüğüne

bağlıdır.

• Hafiftir, düşük gerilimler ile çalışabildiği için az enerji tüketir.

9

3.3 Kullanım Alanları

FMSD radarları işaret işlemedeki ve mikrodalga alanındaki gelişmelerin etkisiyle

maliyet ve boyut avantajlarının yanı sıra kullanıcı dostu olmasından dolayı askeri

uygulamalar kadar endüstriyel uygulamalarda da yoğun olarak kullanılmaya

başlamıştır. FMSD radarlarının keşfinden sonra ilk kullanım amacı olan irtifa

ölçümünü (altimetre) için hala kullanılmaktadır (Şekil 3.1).

Şekil 3.1: Đrtifa ölçümü.

Sanayideki en büyük kullanım alanı ise seviye ölçümlerindir. Sıvı tanklarında ve

tahıl silolarında sıkılıkla kullanılmaktadır. Sıvıya prob, şamandıra gibi nesneler

temas etmediği için tercih edilmektedir. Çok yüksek hassasiyetle ölçüm yapılabildiği

için her boyutta silo veya tank içerisinde kullanılabilmektedir (Şekil 3.4).

Şekil 3.4 : Seviye ölçümü.

10

FMSD radarlarının en çok kullanıldığı alan seyrüsefer sistemleridir (Komarov ve

Smolskiy, 2003). Birkaç yüz metreden birkaç on kilometre mesafelerde güvenle

kullanılmaktadır. Özellikle görüş mesafesinin düşük olduğu zamanlarda körfez,

kanal gibi yerlerde ciddi bir önem kazanmaktadır. Ayrıca çok büyük gemilerin

limana yanaşmaları esnasında gemi gövdesinin liman duvarına ne kadar yaklaştığı

hassas olarak belirlenebilmektedir. Ucuz ve kullanıcı dostu olması sebebiyle sıklıkla

kullanılmaktadır.

Son zamanlarda otomotiv sanayi FMSD radarlarını üzerine ciddi çalışmalar yapmaya

başlamıştır. Özellikle kaza erken uyarı sistemleri ve park sensörü olarak otomotiv

dünyasında kullanım alanı bulan FMSD radarlar yüksek hassasiyet ve bir otomasyon

sistemi sayesinde şoföre anlık bilgi vermektedir. Öndeki araca olan mesafe, arkadan

yaklaşmakta olan aracın uzaklığı seyir esnasında ve aracın dört tarafından gelen

veriler ile de park etme esnasında şoföre yardımcı olmaktadır (Şekil 3.5). Otomasyon

sistemi ile gerektiğinde alarm durumuna geçerek olası kazaları da önleme konusunda

önemli rol oynar.

Şekil 3.5 : Taşıt uyarı sistemi.

11

Sabit nesnelere olan mesafenin hassas ölçümü gerektiğinde de FMSD radarlar

kullanılmaktadır. Örneğin, kar ve buz kalınlığı ölçümü, jeodezik ölçümler. Bu tür

ölçümlerde ölçüm istasyonu bir defalık olarak kurulur ve uzun süre bilgi toplanır.

Örneğin kar seviyesi tehlikeli hale geldiğinde çığ uyarısı gibi koruyucu önlemler

alınarak olası kazaların önüne geçilir. Bilimsel çalışmalarda da sıklıkla

kullanılmaktadır. Makinelerdeki titreşim gibi çok küçük değişimler de FMSD

radarlar ile makineye hiç müdahale etmeden rahatlıkla ölçülebilmektedir. Örneğin

λ=7.2mm olan bir işaret kullanarak 10µm’lik bir değişiklik 1ºfaz kaymasına sebep

olur, bu değişimi mikrodalga yapılar ile ölçmek çok zordur ve uygulamalarda tercih

edilmez. Ancak bir FMSD radar ile bu değişiklik alıcı çıkışında düşük frekanslı bir

işaret olarak alınacaktır. Böylece hassas ölçüm çok daha az maliyetle

yapılabilecektir. Makineye temas etmediği için diğer sensörler gibi makinenin

yaydığı sıcaklık, nem gibi bozucu etkilerden etkilenmez.

3.4 Matematiksel Model

Darbe radarlarında hedefe gönderilen işaret bir gecikme ile alıcı tarafından

algılandığı için gönderilen ve yansıyan işaretin birbirine karışmaz. Ancak sürekli

dalga radarlarında sürekli bir işaret gönderimi ve alımı olduğu için iki işareti

birbirinden ayırmak olanaksızdır (Komarov ve Smolskiy, 2003). Bu ayrımı yapmak

için hedefe gönderilen işareti modülasyonlu olmalıdır. En uygun modülasyon şekli

de frekans modülasyonudur. Bu sayede gönderilen işaret yansıyıp geldikten alıcı

kısmında farklı bir frekansta algılanacağı için iki işareti birbirinden ayırmak çok daha

kolay olacaktır.

12

Şekil 3.6 : Frekans modülasyonlu sürekli dalga radarının temel yapısı.

Frekans modülasyonlu sürekli dalga radarında verici antenden yayılan işaretin

ifadesi:

-.(0) ifadesi işaretin genliği, 2.(0) de işaretin fazıdır. Antene gönderilen işaretten

bir örnek de karıştırıcıya gönderilir.

Hedeften yansıyıp gelen işareti ise:

Şeklinde olacaktır.

3.(0) = -.(0)4562.(0) (3.1)

37(0) = -7(0)45627(0) (3.2)

38 = -8(0, 9)45628(0, 9) = :;-8(0 − 9)=>? [2.(0 − 9) + 2B] (3.3)

13

τ zaman gecikmesidir. k1 ise genlikteki zayıflamadır. Bu işaret (3.2) denkleminde

verilen işaret ile karıştırıldığında elde edilen işaret:

30(0) = :D-8(0, 9) =>?[27(0) − 28(0, 9) − 2B] + :E-7(0) (3.4)

olur. (3.4) ifadesindeki ilk terim alıcı tarafından algılanan işaretin karıştırıcı

çıkışındaki halidir. Đkinci terim ise karıştırıcıya gönderilen işaretin genliğidir. k2 ve

k3 katsayıları ise karıştırıcının gerilim kazancını tanımlar. (3.4) ifadesinde sadece ilk

terim anlamlıdır ve hedef hakkında mesafe ve hız bilgisi içerir. Đkinci terim gürültü

işaretidir.

Şekil 3.7: Üçgen dalga ile modüle edilmiş işaret

R hedefe olan uzaklık c de elektromanyetik işaretlerin boşluktaki yayılma hızı olarak

alınırsa gecikme süresi aşağıdaki gibidir:

9 = DF4 (3.5)

Radar işaretinin bant genişliği ve periyodu karıştırıcı çıkışından elde edilecek işaretin

frekansını belirler. (BW bant genişliği, T periyot, τ gecikme süresi)

G = HIJ 9 (3.6)

14

Bant genişliği radarın çözünürlüğünü belirler:

KF = 4HI (3.7)

Bant genişliği radarın en küçük ölçüm mesafesini de belirler:

9LM :üçü: = ;HI (3.8)

Bant genişliği bir radarın en önemli parametrelerindendir. Bandın geniş tutulması

devre üretimin tekniğini ve anten tipini de belirleyen önemli etkenlerdendir.

3.5 FMSD Radarı Yapıları

FMSD radarlarındaki temel yapılar gerilim kontrollü osilatör (VCO), devir ettirici

(circulator) veya melez bağlayıcı (hybrid coupler), anten, karıştırıcı, modülatör, alt

geçiren süzgeç ve düşük gürültülü kuvvetlendiricidir.

Tasarlanacak radarın 1 metre çözünürlük ile 50 metre mesafede çalışması

planlanmaktadır. Merkez frekans 10 GHz alındığı takdirde (3.5)(3.6)(3.7) ifadeleri

kullanılarak aşağıdaki veriler elde edilmiştir. Tasarımlarda bu veriler kullanılarak

devrelerin özellikleri belirlenmiştir.

Çizelge 3.1 : Tasarım şartları

Çözünürlük 1m Bant genişliği 150 MHz

Tarama frekansı 100 Hz Frekans sapması 0-5 kHz

15

3.5.1 Gerilim kontrollü osilatör

Çıkış işaretinin frekansının DC gerilim ile ayarlandığı osilatördür. Ko osilatör

kazancı (Hertz / Volt) ise çıkış frekansının ifadesi aşağıdaki gibi olacaktır:

GçO:Oş = P5 QRS8Sş(0) (3.9)

Gerilim kontrollü osilatörler faz kilitlemeli çevrim yapılarında, fonksiyon

jeneratörlerinde ve modülasyon için kullanılır. Tez kapsamında gerilim kontrollü

osilatör tasarımı yapılmamıştır. Hittite firmasının HMC530LP5 kodlu ürünü

kullanılmıştır. Bazı önemli parametreleri şu şekildedir:

Çizelge 3.2 : Tasarım şartları

Frekans Aralığı 9.5-10.8 GHz Çıkış Gücü 8-14 dBm

SSB faz gürültüsü -110dBc/Hz Ayar Gerilimi 2-12 V Çektiği akım 290-390 mA

GKO merkez frekans 10.2 GHz olacak şekilde 3.5.4 başlığında bahsedilen üçgen

dalga işaret üretici ile kontrol edilmektedir. GKO çıkışı Agilent EXA Signal

Analyzer N9010A cihazına bağlanarak çıkış izlenmiştir (Şekil 3.8). Çıkış gücü

yaklaşık olarak 12 dBm seviyesindedir.

16

Şekil 3.8 : Agilent EXA Signal Analyzer N9010A’dan ölçülen GKO çıkış gücü.

3.5.2 Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı (Quadrature hybrid coupler)

Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı girişindeki işareti güçleri eşit olacak şekilde ikiye

böler. Çıkıştaki işaretlerin faz farkı 90º olur.

λ/4

λ/4

Zo

ZoZo

Zo

Zo/√2

Zo/√2

Çıkış 1

Çıkış 2Yalıtılmış

çıkış

Giriş

Şekil 3.9 : Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı.

17

4 kapılı bu yapıda giriş ile yalıtılmış çıkış arasında herhangi bir güç iletimi olmaz.

Yapı simetrik olduğu için (3.9) giriş ve çıkışlar kullanım yönüne bağlıdır. Ancak

çıkışlar her zaman girişin karşısında olur. Genelde mikroşerit (microstrip) veya şerit

hat (stripline) şeklinde yapılır (Pozar, 2005). Yapının [S] matrisi aşağıdaki gibidir:

[S]= T;√D VB W ; BW B B ;; B B WB ; W BX (3.10)

Radar tasarımında gerilim kontrollü osilatör, karıştırıcı ve anteni birlikte

kullanabilmek için çeyrek faz farklı melez bağlayıcı kullanılmıştır.

Şekil 3.10 : Bağlayıcı yapısının radarda kullanımı.

Yapı AWR MWO yazılımı ile Taconic TLX-8 taban (0.76mm kalınlığında)

kullanılarak tasarlanmıştır.

Çizelge 3.3 : Tasarım şartları

ε 2.55 Tand 0.0019

Bakır kalınlığı 0.035 mm

Zo 50Ω, merkez frekans 10.2 GHz seçilerek tasarım yapılmıştır (Antenler 10.2 GHz

de çalıştığı için tasarım 10.2GHz’ye göre yapılmıştır). Hat kalınlıkları ve uzunlukları

WMO yazılımının TXLINE aracı kullanılarak hesaplanmıştır. Yazılım ile tasarlanan

bağlayıcı Şekil 3.9’da verilmiştir. Benzetim ortamı 0.1mm’lik ızgaralara

bölünmüştür. Đletken kısım mükemmel iletken seçilerek benzetim yapılmıştır.

18

Şekil 3.11 : Çeyrek faz farklı melez bağlayıcı tasarımı.

Elektromanyetik benzetim sonuçlarına göre 10.2 GHz’de elde edilen sonuçlar şu

şekildedir (Şekil 3.12, Şekil 3.13):

19

Çizelge 3.4 : Bağlayıcı benzetimi sonuçları.

S21 -3.316 dB S41 -3.256 dB S11 -21.78 dB S22 -21.78 dB S33 -22.28 dB S44 -22.28 dB S31 -21.25 dB S42 -21.25 dB

Şekil 3.12 : Benzetim sonucunda bağlayıcının yalıtım ve yansıma değerleri.

Şekil 3.13 : Benzetim sonucunda bağlayıcının iletim değerleri.

20

Şekil 3.14 : Tasarımın gerçeklenmiş hali

Gerçeklenen yapı (Şekil 3.14, sol taraftaki yapı ÇFFMB’dir) Agilent EXA Signal

Analyzer N9010A cihazına bağlanarak ölçülmüştür. 150 MHz’lik bant genişliği elde

edecek şekilde tasarlanan üçgen dalga üretici ile kontrol edilen GKO çıkışı

bağlayıcının girişine bağlanmış, anten bağlantı noktası da analiz cihazına bağlanarak

ölçüm yapılmıştır (Şekil 3.15). Ölçüm sonucunda hedeflendiği şekilde 10.2 GHz

civarında GKO’dan gelen 12dBm gücündeki işaretin yaklaşık olarak ikiye bölündüğü

gözlemlenmiştir. Merkez frekanstan uzaklaştıkça bölme oranı bozulmuştur. Ancak

tam olarak ikiye bölme olmasa da gücün büyük bir kısmının antene doğru olması

radarın çalışmasını etkilemeyecektir.

28 mm

47 mm

21

Şekil 3.15 : Tasarımın ölçüm sonuçları.

3.5.3 Anten

Elektromanyetik enerjiyi belli bir biçimde etkin olarak yaymak için tasarlanmış

yapılardır (Cheng, 2006). Elektrik akımını elektromanyetik dalgaya veya

elektromanyetik dalgayı elektrik akımına çeviren yapılardır. Đyi tasarlanmamış bir

anten kullanımının sonucunda ilgili işaret uygun şekilde yayılamaz ve istenilen verim

alınamaz. Bu da alıcı ve verici sistemleri etkileyerek kablosuz veri iletimini olumsuz

etkiler.

3.5.3.1 Antenlerin temel özellikleri

Antenin başlıca ışıma özellikleri ışıma deseni, yönlülük, kazanç ve bant genişliği

sayılabilir. Işıma deseni uzak alan (far field) sayılacak belirli bir noktadaki ışıma

gücünün açısal olarak tanımlanmış ifadesidir (Huang, Boyle, 2008). Işıma

desenlerini ifade etmek için 2 veya 3 boyutlu kutupsal (polar) eksenler kullanılır.

Yönlülük bir antenin en önemli parametrelerindendir. Belli bir yöndeki ışıma

gücünün yoğunluğu olarak tanımlanır (Huang, Boyle, 2008). Belli bir yöne doğru

22

olan ışıma gücünün bütün yönlere olan ortalama ışıma gücünün oranı olarak ifade

edilir. Anten tasarımlarında antenin kullanılacağı ortama uygun yönlülükte olmasına

dikkat edilir. Geniş açılı bir yayın yapılmak istenirse yönlülük düşük, belli bir

doğrultuda yayın yapılmak istenirse yönlülük büyük olur. Kazanç da belli bir

yöndeki ışıma gücünün antenin aldığı güce oranıdır. genelde izotropik bir antenin

ışıma gücüyle kıyaslanarak verilir. Birimi de dBi’dir. Bant genişliği de antenin

istenilen şekilde çalışabileceği bant aralığıdır. Frekansa bağlı olarak ifade edilir.

Belirtilen parametrelerin tamamı antenin şekline, anten yapımında kullanılan

malzemeye bağlıdır. Anten şekli antenin kullanılacağı sistemde bağlıdır. Örneğin cep

telefonunda küçük bir anten kullanmak gerekirken uydu haberleşmesinde çapı

metreler boyutunda olan çanak antenler kullanılır. Tasarım esnasında sistemin

boyutunu belirleyen önemli etkenlerden olan anten şekli maliyeti de doğrudan

etkiler.

3.5.3.2 Çok kullanılan anten tipleri

Günümüz uygulamalarında sıklıkla kullanılan anten tipleri: Tel tip anten, açıklıklı

anten, mikroşerit anten, yansıtıcı anten.

Tel tip antenler

Tel tip antenler yapımı en kolay antenlerdir. Dipol, monopol ve çevrim antenler bu

tür antenlerdir.

Şekil 3.16 : Dipol Anten

23

Hertz anten olarak da bilinen dipol anten ile tel tip anten yapısı kolayca açıklanabilir.

Kaynaktan çıkan ve faz farklı işaret belli uzunluktaki tellere bağlanır (Şekil 3.16).

Tel uzunluğu antenin parametrelerini belirler. Monopol antende tek tel kullanılır.

Çevrim tipi anten de Şekil 3.17’de görülmektedir.

Şekil 3.17 : Çevrim anten.

Açıklıklı antenler

Bu tarz antenlerde en çok kullanılan anten korna antendir (horn). Tel antenlerin

verimsiz olduğu daha yüksek frekanslarda kullanılır. Noktadan noktaya haberleşme

sistemlerin sıklıkla kullanılırlar. Yüksek kazançlıdırlar.

Şekil 3.18 : Korna anten (www.hamradio.si).

24

Yansıtıcı antenler

Uydu haberleşmesinde kullanılan antenler yansıtıcı antenlere örnektir. Yüksek

kazançlı, yüksek performanslı ve düşük maliyetlidirler.

Mikroşerit antenler

Yama anten olarak da bilinen mikroşerit antenler bir taban üzerindeki metalden

oluşur. Baskı devre teknolojisi ile kolayca üretilebildiği için çok düşük maliyetlidir,

hafif ve küçük boyutlu olduğu için kullanımı kolaydır, her türlü yüzey ile uygun

tasarlanabilen yapıdadır, anten dizisi olarak kullanılmak istediğinde üretimi çok

kolaydır, birden fazla frekansta çalışacak şekilde tasarlanabilirler, radar kesit alanı

düşük olduğu için uçak ve füze gibi savunma sanayi uygulamalarında kullanılır

(Balanis, 2008). Sivil uygulamalara örnekler ise: GPS, kablosuz haberleşme (WLAN,

WiMax...), cep telefonları v.b.

Şekil 3.19 : Yama anten.

Yama antenlerin istenmeyen özellikleri ise şunlardır: Bant genişlikleri düşüktür.

Çeşitli yöntemler ile arttırılabilmektedir. Ancak genelde bu durumda anten boyutu

büyümektedir (Balanis, 2008). Kullanılan metalin kalınlığı çok az olduğu için yüksek

güç gerektiren uygulamalarda kullanılamazlar. Dizi halinde kullanıldığında aynı

açıklığa sahip diğer antenlere kıyasla daha fazla kayıp söz konusudur. Bu durum

genelde güç bölücü-birleştirici yapılarından kaynaklanmaktadır (Balanis, 2008).

Radar tasarımında düşük maliyet, kolay üretim ve anten dizisi yapımında sağladığı

kolaylıklardan dolayı yama anten kullanılmıştır. Tasarım AWR WMO ve Ansoft

HFSS yazılımları ile yapılmıştır. Đlk olarak tek parçadan oluşan yama anten AWR

25

WMO 2008 ile tasarlanmıştır (Şekil 3.20). Tasarım 1.6mm kalınlığında Taconic

TLX-8 kodlu tabana göre yapılmıştır.

Şekil 3.20 : Tasarlanan yama anten.

L=8.8mm, W=11.2mm alındığında ve çeyrek dalga empedans uydurucu da 10 GHz

için seçildiğinde anten parametreleri istenilen şekilde elde edilmiştir. Antenin

ucundan görünen empedansın gerçek kısmı 93.7Ω, sanal kısmı da -3.4Ω olmaktadır

(Şekil 3.21). Tasarlanan tek anten dörtlü dizi haline getirilerek daha büyük kazanç ve

yönlülük elde edilecektir.

Şekil 3.21 : Anten empedansı.

26

Dizinin beslemesi tek noktadan yapılacak olup empedansı 50Ω olacaktır. Bu

şekildeki bir tasarım için iki anten arası bağlantı 100Ω, ikili yapıları bağlayan

bağlantı 70.71Ω, besleme hattı da 100Ω olmalıdır (Johnson, 1993).

Şekil 3.22 : Dört elemanlı anten dizisi (Johnson, 1993).

Elektromanyetik benzetim ortamında tasarlanan anten WMO yazılımının devre

şeması çizilen kısmına aktarılarak Şekil 3.22’de belirtilen yapı tasarlanmıştır (Şekil

3.23).

27

Şekil 3.23 : Dört elemanlı anten dizisi tasarımı.

Tasarlanan yapının 10 GHz’deki empedansı 51-j2.4’tür. yansıma katsayısı ise -

31dB’dir. Bant genişliği de yaklaşık 455 MHz’dir. Bu değer standart mikroşerit

antenlerdeki merkez frekansının %5’i kadar olan bant genişliğini (Balanis, 2008)

sağlamaktadır.

Şekil 3.24 : Anten dizisinin empedansı.

MTRACE2ID=X5W=2.8 mmL=5.14 mmBType=2M=1

MTRACE2ID=X4W=1.51 mmL=10.9 mmBType=2M=1

MTRACE2ID=X3W=1.51 mmL=10.9 mmBType=2M=1

MTRACE2ID=X2W=1.51 mmL=10.9 mmBType=2M=1

MTRACE2ID=X1W=1.51 mmL=10.9 mmBType=2M=1

PORTP=1Z=50 Ohm

1

SUBCKTID=S4NET="anten"

1

SUBCKTID=S3NET="anten"

1

SUBCKTID=S2NET="anten"

1

SUBCKTID=S1NET="anten"

MTRACE2ID=X8W=1.3 mmL=4.205 mmBType=2M=1

MTRACE2ID=X7W=1.3 mmL=4.205 mmBType=2M=1

MTRACE2ID=X6W=2.8 mmL=5.14 mmBType=2M=1

28

Şekil 3.25 : Anten dizisinin S11 (yansıma) değeri.

AWR WMO ile tasarlanan bu yapı farklı bir elektromanyetik benzetim yazılımı ile

incelenmiştir.Ansoft HFSS yazılımı ile tasarlanan yapı Şekil 3.26’da verilmiştir.

Şekil 3.26 : HFSS’de tasarlanan yapı.

29

Benzetim sonuçları da şu şekildedir:

Şekil 3.27 : S11 verisi.

Şekil 3.28 : Empedans değerleri.

30

Şekil 3.29 : Anten kazancı.

Şekil 3.30 : Anten üzerindeki elektrik alan dağılımı.

AWR WMO ile yapılan tasarımda antenler arası ve beslemeye doğru olan bağlantı

noktaları yazılım içerisindeki hazır modellenmiş mikroşerit yapılar kullanılmıştır.

HFSS’de ise antenler ve ara hatlar aynı yapı içerisinde tasarlanarak benzetim

yapılmıştır. AWR WMO yazılımı ile yapılan analizde tasarım hedefi olan 10 GHz’de

en düşük yansıma katsayısına (S11) sahip çalışan yapı elde edilmiştir. HFSS yazılımı

ile yapılan analizde antenin 10 GHz’de istenilen şekilde kullanılabileceği

31

görülmüştür. Ancak en düşük yansıma katsayısına 9.9 GHz’de eriştiği görülmüştür.

Đki yazılımdan da istenilen sonuç alınınca gerçekleme yapılmıştır. Tasarım baskı

devre üreticilerine gönderilerek üretimi yapılmıştır.

Tasarlanan antenin üretim sonra besleme noktasına SMA tip konnektör takılmıştır.

Şekil 3.31 : Üretilen antenin önden görünüşü.

Şekil 3.32 : Üretilen antenin arkadan görünüşü.

Anten Agilent PNA L 5230 model Network Analiz cihazı ile test edilmiştir. 3 adet

antenin yansıma parametreleri Şekil 3.33’de görülmektedir.

59 mm

61 mm

32

Şekil 3.33 : Üretilen antenlerin ölçüm sonuçları.

Antenlerde pratik olarak yansıma katsayısı -10dB’nin altında ise yansıma katsayısı

yeterli seviyede olur. Antenlerin ölçüm sonuçları aşağıdaki gibidir:

Çizelge 3.5 : Üretilen antenlerin ölçüm sonuçları.

Anten En düşük frekans (GHz)

Merkez frekans (GHz)

En yüksek frekans (GHz)

Bant genişliği (MHz)

Anten 1 9.921 10.164 10.436 515 Anten 2 9.911 10.238 10.534 543 Anten 3 9.982 10.384 10.671 689

33

Antenler merkez frekansları 10GHz olacak şekilde 0.1mm’lik karelere bölünmüş

şekilde benzetim yapılarak tasarlanmıştır. Tasarım boyutu bir anten için 8.2x11.2

mm olmuştur. Benzetimler esnasında 0.1 mm'lik bir boyut değişiminin antenin

merkez frekansında %5’lere varan değişikliklere yol açtığı gözlemlenmiştir. Bu

durum bize üretim hassasiyetinin önemini göstermektedir. Üretimler yüksek

adetlerde olmadığından otomatik makinelerde yüksek hassasiyetle tasarlanmadığı

için boyutlar istenilen hassasiyetle yapılamamıştır. Bu nedenle 3 adet anten aynı

şekilde üretilmiş olmalarına rağmen genel olarak 10GHz civarında çalışmalarına

rağmen merkez frekansları farklılık göstermiştir. Antenler incelendiğinde merkez

frekans 10.2 GHz alındığı takdirde radarın tasarım hedefi olan 150MHz bant

genişliğinde sorunsuz olarak kullanılabileceklerdir.

3.5.4 Üçgen dalga üretici

Gerilim kontrollü osilatör üçgen dalga şeklinde işaret ile sürülmektedir.

Kullandığımız GKO’ya göre uygun DC seviyesinin (offset voltage), işaret

frekansının ayarlanması için üçgen dalga osilatörü tasarlanmıştır. DC seviye ayarı

yapabilmek ve osilatörü GKO’dan ayırabilmek için bir adet tampon devresi de

osilatörün çıkışına eklenmiştir. 3 adet ayarlı direnç ile işaret frekansı, DC seviyesi ve

işaret genliği ayarlanmaktadır. Tasarımda 4 adet bağımsız işlemsel kuvvetlendirici

içeren LM324 tümdevresi kullanılmıştır.

34

Şekil 3.34 : Üçgen dalga üretici ve tampon devresi.

Şekil 3.35 : Üçgen dalga üretici baskı devresi (üstten görünüş).

Baskı devre tek yüzlü olarak tasarlanmıştır. Kartın sağ alt kısımdaki devre elemanları

GKO’ya 5 volt gerilim sağlamak için devreye eklenmiştir (U2, LM7805). Böylece

tek kart ile GKO’nun hem beslemesi hem de kontrolü yapılabilmektedir.

35

Şekil 3.36 : Üçgen dalga üretici devresinin önden ve arkadan görünüşü.

3.5.5 Karıştırıcı (Mixer)

En basit anlamda karıştırıcının iki adet girişi ve bir adet çıkışı vardır. Girişleri

birbiriyle karıştırarak (çarparak) çıkış işaretini üretir. Çıkış işaretinin frekansı giriş

işaretlerinin frekanslarının toplamı ve farkı kadar olur (3.11).

QFY(0) = Z; 6SMD[G;(0),

Q\](0) = ZD 6SMD[GD(0),

QFY(0). Q\](0) = Z;ZDD [456D[(G; − GD)0 − 456D[(G; + GD)0] (3.11)

Şekil 3.37 : Karıştırıcı yapısı.

36

Melez bağlayıcı GKO’dan aldığı işareti ikiyi bölerek yarısını antene yarısını da

karıştırıcıya gönderir. Aynı zamanda antenden aldığı işareti de karıştırıcıya gönderir.

Đki işareti birbiriyle karıştırarak fark işareti elde edilir.

GKO çıkışı Anten

KarıştırıcıLO girişi

KarıştırıcıRF girişi

Bağlayıcı

Şekil 3.38 : Karıştırıcı girişlerinin bağlayıcıdan yapılışı.

Çalışma kapsamında karıştırıcı tasarımı yapılmamıştır. Hittite firmasının

HMC412MS8G kodlu tümdevresi kullanılmıştır. Temel özellikleri şöyledir (IF=1.45

GHz, LO=13dBm, T=25º):

Çizelge 3.6 : HMC412MS8G özellikleri.

Frekans aralığı 9-15 GHz IF frekansı 0-2.5 GHz

Çevirme kaybı 8-11 dB Gürültü faktörü 8-11 dB LO-RF yalıtımı 40-50 dB LO-IF yalıtımı 40-50 dB

RF-IF 17 dB IP3 17 dBm

1dB bastırma noktası 9.5 dBm

3.5.6 Kuvvetlendirici

Karıştırıcı çıkışından alınan işaretin genliği çok küçük olacağı için işlenebilmesi için

kuvvetlendirilmesi gerekmektedir. Bu kuvvetlendirme esnasında kazanç yüksek

olduğu için işlemsel kuvvetlendiricinin iç yapısından kaynaklanan kondansatörlerden

etkisinden dolayı kesim frekansı düşük olmaktadır. Bir alt geçiren süzgeç görevi

görecek şekilde tasarlanarak kuvvetlendirici ile gerekli olan süzme işlemi de

yapılmaktadır. Kuvvetlendirici tasarımında Analog Devices firmasının AD8676

kodlu çok düşük gürültülü, tepeden tepeye çıkış verebilen, simetrik beslemeli

işlemsel kuvvetlendiricisi kullanılmıştır 2 katlı olarak tasarlanan devre ile daha

yüksek kazanç elde etmenin yanı sıra daha etkili bir süzme işlemi yapılmıştır.

37

Karıştırıcı çıkışında radar tasarımının yapısından dolayı 0-5kHz frekanslarında bir

işaret görülecektir. Bu nedenle teorik olarak kesim frekansı 5 kHz olan bir alt geçiren

süzgeç yeterli olacaktır. Tasarlanan kuvvetlendiricide kazanç 79.9 dB, kesim frekansı

da 12.5 kHz olarak belirlenmiştir. Kesim frekansının 2.5 kat yüksek tutulmasının

sebebi istenilen 0-5 kHz aralığında olabildiğince doğrusal bir kuvvetlendirme

istenmesidir.

Şekil 3.39 : Kuvvetlendirici.

Şekil 3.40 : Kuvvetlendiricinin kazanç bant genişliği grafiği.

Frequency

1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHzVDB(R6:2)

-40

-20

0

20

40

60

80

(12.502K,76.948)

(156.293,79.901)

39

4. GERÇEKLENEN RADARIN ANALĐZĐ

AWR WMO, Ansonft HFSS ve Orcad PSpice ile yapılan tasarımların hedeflenen

şekilde yapılmasının ardından üretim yapılmıştır. Hazırlanan baskı devrelere

elektronik devre elemanları montajlanmasının ardından önce devreler tek tek test

edilmiş ve sonra birleştirilerek mesafe testleri yapılmıştır.

4.1 Sistemin Oluşturan Yapılar

Tasarlanan ÇFFMB’nın montajlanmış hali şekil 4.1’de verilmiştir.

Şekil 4.1 : Montajlanmış ÇFFMB’nin önden (soldaki) ve arkadan görünüşü.

Şekil 4.1’de verilen devrenin önden görünüşünde sağdaki yapı kuvvetlendiricidir.

Sağdaki yapı ise ÇFFMB olup iki yapı arasında karıştırıcı vardır. Arkadan

görünüşteki siyah konnektör kuvvetlendirici için besleme gerilimi bağlantısıdır.

Şekil 4.2 : FMSD radarı parçaları.

40

Sistem dört adet yapıdan oluşmaktadır. Şekil 4.2’de soldan sağa üçgen dalga işaret

üretici, gerilim kontrollü osilatör, melez bağlayıcı-karıştırıcı-kuvvetlendirici ve

antendir.

Kuvvetlendirici çıkışı 0-5 kHz olduğundan frekans analizinin yapmak için çıkış

işareti bir bilgisayarın ses kartı girişine bağlanmıştır. Kuvvetlendirici çıkışı tepeden

tepeye 12V olduğundan ve ses kartı girişi en yüksek 1V olduğu için basit bir direnç

yapısı ile 1/11 oranında gerilim bölücü yapılarak ses kartı girişine kuvvetlendiriciden

gelen işaret girişi yapıldı.

Şekil 4.3 : Kuvvetlendirici çıkışından ses kartına bağlantı.

SigView yazılımı ile ses kartı girişine uygulanan işaretin Hızlı Fourier Dönüşümü

(Fast Fourier Transform) yapılarak analizi yapılmıştır. Alınan sonuçlar MATLAB

yazılımı ile işlenerek sonuçlar değerlendirilmiştir.

41

4.2 Mesafe Ölçümü

Boşlukta yayılan işaretin yol kaybı frekans MHz, mesafe de km olarak alındığında:

_5` :abcı (7H) = DB`5R;B(7) + DB`5R;B(d) + ED. ee (4.1)

d=20 m (10 metredeki hedef giden işaret), f=10200 MHz alındığında 78.63 dB

zayıflama olacaktır. Buna işaretin hedeften yansıması esnasında ve devre içindeki

kayıplar da göz önüne alındığında ciddi bir zayıflama söz konusu olmaktadır. Belli

bir uzaklıktan sonra çıkıştan bir önceki katta 80 dB’lik kuvvetlendirmeyle mevcut

ölçüm cihazı olan bilgisayar ses kartından bile algılanamaz hale gelmektedir. Ancak

birkaç yüz kat daha kuvvetlendirmeden sonra ya da çok daha hassas ADC’ler ile

algılama yapılabilir.

Sistemin besleme gerilimi 12 V’dir. GKO ise 5V ile çalışmaktadır. Öncelikle radar

anteni gökyüzüne tutularak gürültü analizi yapıldı (Şekil 4.4). Bu analiz radara

herhangi bir işaret girişi olmadığında karıştırıcı çıkışından görünen işaretleri

belirlemek için yapılmıştır.

Şekil 4.4 : Gürültü analizi.

42

Gökyüzünden alınan ölçümden 20 metre uzaklıktaki bir otomobil, 4 metre

uzaklıktaki ve 7 metre uzaklıktaki iki duvardan alınan ölçüm verisi alınmıştır. Bu

verilerden boşta çalışmada oluşan gürültüleri süzmek için gökyüzünden alınan

ölçümden çıkarıldığında (Şekil 4.5) analizi yapılacak veri elde edilir. 4 metre

uzaklıktaki duvardan alınan asıl işaretin frekansı 387Hz’dir (Şekil 4.5 mavi işaret).

Teorik değer ise (3.6) ifadesine göre 400 Hz olmalıdır. 7 metredeki duvardan alınan

işaretin frekansı 646 Hz’dir (Şekil 4.5 kırmızı işaret). Teorik hesap ise 700 Hz’dir.

Şekil 4.5’teki yeşil işaret ise 20 metre uzaklıktaki otomobilden alınan işarettir.

3 uzaklık ölçümünde de özellikle 1kHz’den sonraki işaretlerin frekansları neredeyse

aynıdır. Sadece ölçüm yaptığımız uzaklık olan 4 ve 7 metrede beklediğimiz

frekanslarda değişimler olmuştur. Hedeften yansıyıp gelen işaretin genliği karıştırıcı

çıkışındaki işaretin genliğini belirler (3.3). Bu nedenle belli bir uzaklıktan sonra

değişim sezilemeyecek kadar küçük olduğu için mevcut ölçüm cihazları ile

sezilememiştir. Ancak diğer ölçümlerdeki değişimleri kıyaslayabilmek için uzak

mesafe ölçümü de yapılmıştır. (559 Hz’lik işaret yaklaşık 12 metreden sonraki her

ölçümde mevcuttur, bu nedenle gürültü işaretidir.)

43

Şekil 3.45 : Ölçüm sonuçları.

44

45

5. SONUÇLAR ve GELECEKTEKĐ ÇALIŞMALAR

Hedeflenen şekilde başarıyla çalıştırılan frekans modülasyonlu kısa mesafe radarı

belirlenen çözünürlük dikkate alındığında istenilen sonucu vermiştir.

Tasarım esnek bir yapıda tasarlandığı için üçgen dalga işaret üretici uygun şekilde

ayarlanarak ya da 50Ω’luk çıkış direncine uygun empedansta farklı antenler ile

sadece kısa mesafe, hassas ölçüm gibi özellikler kolayca kazandırılabilir.

Proje sonunda mikrodalga devrelerin tasarımında karşılaşılan zorluklar görülmüştür.

Özellikle üretimden kaynaklanan hataların en aza indirilmesine yönelik tasarımların

önemi anlaşılmıştır.

Gelecek çalışmalar da şu şekilde özetlenebilir:

•Daha büyük anten dizileri oluşturularak radarın etkisi arttırılabilir

•Antenler elektronik olarak yönlendirilebilir.

•Karıştırıcı ve GKO tasarımları yapılarak sistem bir bütün halinde üretilebilir.

•Mikrodenetleyici kontrolü ile kullanım esnekliği arttırılabilir.

Gelecek çalışmalarında belirtilen özelliklerin bu sisteme eklenmesiyle daha hassas,

belli bir amaca özel daha yetenekli, daha güçlü radarların tasarımı mümkündür.

Çizelge 4.1 : Ölçüm sonuçları.

Mesafe (m) Ölçülen (m)- Hata (%)

4 3.87 3.25

7 6.46 7.71

46

47

KAYNAKLAR

Balanis, C. A., 2008: Modern Antenna Handbook. Wiley and Sons, Danvers, MA.

Cheng, D. K., Çev: Armağan, N., Can, N., Çıngı, E., Đşçi, C., Önengül, G., Sözüer, S., :2006: Dalga ve Alan Elektromanyetizması. Akademi, Ankara.

Huang, Y. ve Boyle, K., 2008:Antennas from Theory to Practice. Wiley and Sons, Singapore.

Johnson, R. C., 1993: Antenna Engineering Handbook. McGraw-Hill, USA.

Komarov, I. V., Smolskiy, S. M., 2003: Fundamentals Of Short-Range FM Radar. Artech House, London.

Kulke, R., Günner, C., Holzwarth, S., Kassner, J., Lauer, A., Rittweger, M., Uhlig, P., Weigand, P., 2005: 24 GHz Radar integrates Patch Antenna and Frontend Module in single Multilayer LTCC Substrate, European Microelectronics and Packaging Conference, Brugge, Belgium, June 12-15.

Pozar, D. M., 2005: Microwave Engineering. Wiley and Sons, USA.

Skolnik, M. I., 1962: Introduction to Radar Systems. McGraw-Hill, USA.

Uhlig, P., R., Günner, C., Holzwarth, S., Kassner, Kulke, J., Lauer, A., Rittweger, M., 2004: LTCC Short Range Radar Sensor for Automotive Applications at 24 GHz, 37th IMAPS International Symposium on Microelectronic, Long Beach, November.

48

49

ÖZGEÇMĐŞ

Ad Soyad: Osman Ceylan

Doğum Yeri ve Tarihi: Çivril / Denizli 04.10.1984

Adres: ĐTÜ Ayazağa Kampüsü Elektrik Elektronik Fakültesi oda 1206 Maslak/Đstanbul

Lisans Üniversite: Đstanbul Teknik Üniversitesi Elektronik Mühendisliği 2006

Yayın Listesi:

Koyuncu, E, Yeniçeri, R., Ceylan, O., 2005: Bilgisayarla Görü Tabanlı Cisim Yörünge Doğrultusu Đzleyen Robot Kol Tasarımı, Otomatik Kontrol Türk Milli Komitesi Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, Đstanbul.

Koyuncu, E, Yeniçeri, R., Ceylan, O., 2006: Kamera Denetimli Yapay Sinir Ağları ile Hareketli Cisim Yörüngesi Đzleyen Zeki Taret Savunma Sistemi Tasarımı, Kara Harp Okulu Savunma Bilimleri Enstitüsü Savunma Bilimleri Araştırmaları Teşvik Ödülleri, Ankara.