ii

T.C.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

YÖNLÜ KUPLÖR TASARIMI

Adı Soyadı

196134 Nesrin GÖKALP

210225 Münteha Şura YAVUZ

Danışman

Yrd. Dç. Dr. Haydar KAYA

MAYIS 2012

TRABZON

1

T.C.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

YÖNLÜ KUPLÖR TASARIMI

Adı Soyadı

196134 Nesrin GÖKALP

210225 Münteha Şura YAVUZ

Danışman

Yrd. Dç. Dr. Haydar KAYA

MAYIS 2012

TRABZON

ii

LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU

196134 Nesrin GÖKALP ve 210225 Münteha Şura YAVUZ tarafından Yrd. Dç. Dr.

Haydar KAYA yönetiminde hazırlanan “Yönlü Kuplör Tasarımı” başlıklı lisans bitirme

projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi

olarak kabul edilmiştir.

Danışman : Unvanı Adı ve SOYADI ………………………………

Jüri Üyesi 1 : Unvanı Adı ve SOYADI ………………………………

Jüri Üyesi 2 : Unvanı Adı ve SOYADI ………………………………

Bölüm Başkanı : Unvanı Adı ve SOYADI ………………………………

iii

ÖNSÖZ

Hazırlamış olduğumuz bu çalışmada bizlere değerli zamanını ayıran, bizlere her türlü

bilgi ve birikimini sunmaktan kaçınmayarak, çalışma süresince fikirleri ile bizi aydınlatan

bitirme projesi danışmanı, değerli hocamız Yrd. Dç. Dr. Haydar KAYA’ ya sonsuz

teşekkürlerimizi sunarız.

Bölüm olanaklarının Bitirme Çalışmalarında kullanılmasına izin verdiği için Bölüm

başkanlığına, desteklerinden dolayı Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve KTÜ

Rektörlüğüne de teşekkürlerimizi sunarız. Aldığımız mühendislik eğitiminde, iyi bir

mühendis olabilmemiz için değerli bilgilerini bizlerden esirgemeyen bütün bölüm

hocalarımıza da teşekkürlerimizi sunar ve saygılarımızı iletiriz. Ayrıca projede birlikte

çalıştığımız arkadaşlarımıza desteklerinden dolayı teşekkür ederiz.

Son olarak bizlerin bugünlere gelmesinde her türlü fedakarlığı gösteren ve hayatımız

boyunca her türlü maddi ve manevi desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen ailelerimize

şükranlarımızı sunarız.

Mayıs 2012

Nesrin GÖKALP

Münteha Şura YAVUZ

iv

İÇİNDEKİLER

LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU ............................................................... ii

ÖNSÖZ ............................................................................................................................ iii

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

ÖZET ............................................................................................................................... vi

SEMBOLLER VE KISALTMALAR ............................................................................. vii

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

1.1. Tasarlanan Yönlü Kuplörde Dikkat Edilecek Hususlar ........................................ 1

1.2. Yönlü Kuplör Uygulamaları ................................................................................. 1

1.3. İş zaman çizelgesi ................................................................................................. 2

2. TEORİK ALTYAPI ...................................................................................................... 3

2.1. Yansıma Katsayısı ve Duran Dalga Oranı ............................................................ 3

2.2. Yönlü Kuplör ........................................................................................................ 3

2.2.1. Yönlü Kuplör Parametreleri ....................................................................... 4

2.2.1.1. Kuplaj Faktörü ............................................................................ 4

2.2.1.2. Kayıp ............................................................................................ 5

2.2.1.3. İzolasyon ...................................................................................... 6

2.2.1.4. Yönelticilik ................................................................................... 6

2.3. S Parametreleri ..................................................................................................... 7

2.4. Mikroşerit İletim Hatları ....................................................................................... 7

3. YÖNLÜ KUPLÖR TASARIMI ................................................................................... 9

3.1. Tasarımda Kullanılacak Formüller ....................................................................... 9

3.1.1. Adım 1: Tek-Çift Mod Empedansının Bulunması .................................... 10

3.1.2. Adım 2: Fiziksel Boyutların (s/h ve w/h) Bulunması ............................... 10

3.1.3. Adım 3: Yönlü Kuplörün Fiziksel Uzunluğunun Bulunması ................... 12

v

4. YÖNLÜ KUPLÖR SİMÜLASYONU ....................................................................... 16

5. TASARIM ÖRNEKLERİ ........................................................................................... 20

5.1. Birinci Tasarım.................................................................................................... 20

5.2. İkinci Tasarım ..................................................................................................... 21

5.3. Üçüncü Tasarım .................................................................................................. 22

6. SONUÇLAR ............................................................................................................... 24

7. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME .................................................................... 29

KAYNAKLAR ............................................................................................................... 28

ÖZGEÇMİŞ .................................................................................................................... 28

vi

ÖZET

Bu çalışma kapsamında çalışma frekans aralığı 1400-2000 MHz olan dahili osilatör ile

uyumlu yönlü kuplör tasarımına ait teorik ve deneysel sonuçlar yer almaktadır. Tasarımı

yapılan yönlü kuplör, yansıma katsayısı ve duran dalga oranı ölçer cihazında kullanılmak

amaçlı yapılmıştır.

Teorik alt yapıda açıklandığı gibi bir yönlü kuplör, bir yönlü kuplörün tasarımına dair

verilen kompleks formüller ile de tasarlanabilir. Bizim çalışmamızda açık kaynak kodlu bir

program olan Qucs’ da istenen bazı veriler girilerek yönlü kuplör tasarımında kullanılan

mikroşerit hattın fiziksel parametrelerine dair değerler kolaylıkla hesaplanabilir. Bu alınan

değerler kullanılarak Eagle programı yardımı ile tasarım gerçeklenmiştir.

Mikrodalga sistemlerinde olası empedans uyumsuzluklarından kaynaklanan güç kaybı

istenmeyen bir durumdur. Bu durumu engellemenin bir yöntemi olarak yönlü kuplör

kullanılabileceği gibi bir iletim hattı boyunca gelen ve yansıyan dalgaların güç hesabında

da yönlü kuplörden yararlanılmaktadır.

vii

SEMBOLLER VE KISALTMALAR

Г Yansıma Katsayısı

S Duran Dalga Oranı

C[dB] Kuplaj Faktörü

L[dB] Hat Kaybı

I [dB] Izolasyon

D[dB] Yönelticilik

S[X, Y] S-Parametreleri

Zo Karakteristik Empedans

Malzemenin Efektif Geçirgenlik Katsayısı

F [Hz] Çalışma Frekansı

Hz Hertz

dB Desibel

Ω Ohm

∞ Sonsuz

1

1. GİRİŞ

Mikrodalga sistemlerde kaynak ve yük arasındaki empedans uyumsuzlukları nedeniyle

kaynaktan gönderilen dalganın bir kısmı geri yansıyabilir ve bu durum da hat üzerinde bir

duran dalga paterni oluşturarak güç kaybına sebep olur. Mikrodalga sistemlerin

tasarımında istenmeyen güç kaybını engellemek ve sistemin verimli çalışmasını sağlamak

için oluşacak duran dalga paterninin olabildiğince önlenmesine dikkat edilmelidir.

Bu çalışmada yansıma katsayısını ölçerek duran dalga oranını hesaplayan cihaz

kapsamına dahil yönlü kuplör tasarımı yapılmıştır.Yönlü kuplörler koaksiyel, mikroşerit

hat ve iletim boruları ile gerçekleştirilebilir. Tasarlanmış yönlü kuplör ise mikroşerit

iletim hattı ile gerçekleştirilmiştir.

1.1. Tasarlanan Yönlü Kuplörde Dikkat Edilecek Hususlar

Yansıma katsayısı ve duran dalga oranı ölçer cihazının kapsamında kullanılacak çıkış

gücü 7 dBm ve çalışma frekans aralığı 1400-2000 MHz olan dahili osilatör devre

elemanı dikkate alınarak merkez frekansı 1700 MHz olarak tasarlanmıştır. Tasarlanmış

yönlü kuplör AD8302 entegresi ile verimli çalışılabilecek simetrik mikroşerit iletim hattı

ile gerçekleştirilmiştir. Hattın karekteristik empedansı standart 50 Ω olup tasarım amacına

uygun olması için yük empedansı da 50 Ω olması sağlanmaya çalışılmıştır.

1.2. Yönlü Kuplör Uygulamaları

Mikrodalga devrelerinin belli bir noktasındaki güç veya frekansın ölçülmesi

Mikrodalga gücünün örneklenmesi (otomatik seviye ayarlama devrelerinde )

Duran dalga oranı, yansıma katsayısı, empedans ve geri dönüş kaybı ölçümünde

Mikrodalga transistörlerinin s-parametrelerinin belirlenmesinde ve zayıflatıcı

gibi çeşitli uygulamalarda yönlü kuplörlerden faydalanılmaktadır.

[1]

2

1.3. İş zaman çizelgesi

Aylar Bitirme çalışmasının durumu

1.AY

ŞUBAT

1)Bitirme çalışması konusu için bölüme başvuru yapılması ve

malzeme tedariki istenmesi

2)Malzemelerin tedarik edilerek çalışma ortamının oluşturulması

2. AY

MART

1)İlk tasarımın simülasyonunun yapılması

2)Simülasyonu yapılan tasarımın gerçeklenmesi, baskı devresinin

oluşturulması

3)İkinci tasarımın simülasyonunun yapılması

4)Simülasyonu yapılan tasarımın gerçeklenmesi, baskı devresinin

oluşturulması

3.AY

NİSAN

4. AY

MAYIS

1)Üçüncü tasarımın simülasyonunun yapılması

2)Simülasyonu yapılan tasarımın gerçeklenerek baskı devresinin

oluşturulması

3)Gerçeklenen tasarımların Specktrum Analyzer’da ölçümlerinin

yapılması ve karşılaştırılması

1)Karşılaştırılan ölçümlere göre uygun olan tasarımın belirlenmesi

2)Danışman hocamızla birlikte son düzenlemelerin yapılarak

bitirmenin yazımına başlanması

3)Bitirme kitapçığının ve posterlerin oluşturulması

3

2. TEORİK ALTYAPI

2.1. Yansıma Katsayısı ve Duran Dalga Oranı

Bir elektronik devrenin karakteristik empedansı ile bu devrenin beslediği yükün

birbirine eşit olmaması durumunda empedans uyumsuzluğu meydana gelir ve bunun bir

sonucu olarak enerjinin bir bölümü yükten geri yansır.

Hat üzerinde herhangi bir noktadaki yansıyan gerilimin, gelen gerilime oranı yansıma

katsayısı olarak tanımlanır ve Г ile gösterilir. Yansıma katsayısı karmaşık bir

büyüklüktür.

(1)

, (2)

Duran dalga oranı ise, hat üzerindeki gerilimin maksimum değerinin minimum

değerine oranı olarak tanımlanır. Gerçel bir büyüklüktür.

(3)

(4)

Duran dalga oranının yansıma katsayısına bağlı ifadesi;

, 1 ≤ S ˂ ∞ (5)

[1]

2.2. Yönlü Kuplör

Yönlü kuplörler, bir hat üzerinde gelen ve yansıyan dalgaların ayrı ayrı ölçümünü

sağlayabilen ve genelde, ana kol ve yardımcı kol olmak üzere iki iletim hattından

oluşanelemanlardır. Bu iki iletim hattı, biri üzerinden geçen enerji diğerini kuple edecek

4

kadar yeterince birbirlerine yakındırlar. Ana kol ile yardımcı kol birbirine elektromagnetik

olarak kuplajlıdır. Yönlü kuplörlerin önemli bir özelliği, sadece tek bir yönde akan gücü

kuple eder. Çıkış portundaki güç kuple edilemez.

Yönlü kuplörler için en sık kullanılan semboller Şekil 1'de gösterilmiştir. Yönlü

kuplörlerin dört adet bağlantı noktası vardır. Port 1 gücün uygulandığı giriş portudur. Port

3, port 1 e uygulanan gücün bir kısmının göründüğü kuplaj portudur. Port 2, port 1 den

gücün dışarıya verildiği iletilen portudur. Kuplörler genelde simetriktir bu yüzden

izolasyon portu olan port 4 mevcuttur. Port 2’ ye uygulanan gücün bir kısmı port 4’ e

birleştirilebilir. Port 4, normalde kullanılan genellikle eşleşen bir yük (genellikle 50 Ω) ile

sonlandırılır.

Şekil 1. Yönlü kuplör gösterimi [2]

Tüm yönlü kuplörler için istenen ortak özellikler; geniş bir operasyonel bant genişliği,

yüksek yönelticilik, diğer portlarla uyumlu yüklerle sonlandırıldığında tüm portların

empedans uyumluluğunun sağlanmasıdır.

2.2.1. Yönlü Kuplör Parametreleri

2.2.1.1. Kuplaj Faktörü

Kuplaj faktörü ifadesi:

P1: port 1 deki giriş gücü

5

P3: kuplaj portundaki çıkış gücü

Kuplaj faktörü yönlü bir kuplörün birincil özelliğini temsil eder. Kuplaj faktörü negatif

bir büyüklüktür; pasif bir cihaz için 0 dB’ i geçmemelidir ve pratikte kuplaj portu, çıkış

gücü iletim portunun gücünden daha fazla olduğu için -3 dB’ i geçmemelidir. Kuplaj

faktörü sabit değildir, frekans ile değişir.

2.2.1.2. Kayıp

Ideal yönlü kuplörde, port 1’ den port 2’ ye ana hat kaybı (P1-P2) çıkış portuna

verilen kuple edilmiş güçten kaynaklanır:

Gerçek yönlü kuplör kaybı; kuplaj kaybı, dielektrik kaybı, iletim kaybı ve VSWR

kaybının bir kombinasyonudur. Frekans aralığına bağlı olarak, toplam kaybın temelini

oluşturan diğer kayıpların olduğu 15 dB kuplajın üstünde kuplaj kaybı daha az olmaktadır.

Bir kuplör için teorikte araya girme kaybı ile kuplaj arasındaki ilişki grafik 1 de

gösterilmektedir.

Grafik 1. Kuplaj faktörü ve araya girme kaybı arasındaki ilişki [2]

6

2.2.1.3. İzolasyon

Bir yönlü kuplörün izolasyonu, diğer iki port uyumlu yükler tarafından

sonlandırıldığında, giriş portu ve izolasyon portunun dB sinyal seviyeleri arasındaki fark

olarak tanımlanır.

İzolasyon da iki çıkış portu arasında tanımlanabilir. Bu durumda, çıkış portları bir girdi

olarak kullanılır; uyumlu yükler ile diğer iki port (giriş ve izole) sonlandırılırken iletim

portu çıkış portu olarak kabul edilir.

Giriş ve izolasyon portları arasındaki izolasyon iki çıkış portları arasındaki

izolasyondan farklı olabilir. Örneğin port 2 ve port 3 arasındaki izolasyon 25 dB gibi farklı

bir değer olabilir, portların 1 ve 4 arasında izolasyonu 30 dB olabilir. Izolasyon mümkün

olduğunca yüksek olmalıdır. Gerçek kuplörlerde izolasyon portları tamamen izole

değildir. Bazı RF gücü her zaman mevcut olacaktır. Yönlü kuplör dalga kılavuzları en iyi

izolasyonu sağlar.

2.2.1.4. Yönelticilik

Yönelticilik doğrudan izolasyon ile ilgilidir.

P3: kuplaj portundaki çıkış gücü

P4: izolasyon portundaki çıkış gücü

7

Yönelticilik mümkün olduğunca yüksek olmalıdır. Yönelticilik, tasarım frekansı çok

yüksek olduğu ve bu iki dalga bileşenlerinin iptal olmasından dolayı daha hassas bir

frekans fonksiyonudur. Yönlü kuplör dalga kılavuzu en iyi yönelticiliktedir. Yönelticilik

doğrudan ölçülebilir değildir, izolasyon ve kuplaj ölçümleri arasındaki farktan hesaplanır:

[2]

2.3. S Parametreleri

S (saçılım) parametreleri doğrudan gelen, yansıyan ve iletilen gerilim dalgaları ile

ilişkilidir. S parametrelerinin bilinmesi durumunda bir mikrodalga elemanın / hattın

kapıları arasındaki ilişki anlaşılmış olur. S parametreleri bir Vektör Network Analizörü ile

doğrudan ölçülebilir.

Bir yönlü kuplörün 1 kapısı giriş, 2 kapısı iletilen, 3 kapısı yalıtım, 4 kapısı kuplaj

kapısı olmak üzere S parametreleri;

S[1,1]: yansıma

S[1,2]: iletilen

S[1,3]: yalıtılan

S[1,4]: kuplajlanan

güç bilgilerini verir. [1]

2.4. Mikroşerit İletim Hatları

Mikroşerit hat, iletken bir şerit, dielektrik bir taban malzeme ve iletken bir toprak

levhasından oluşan bir iletim hattıdır (şekil 2).

8

Şekil 2. Mikroşerit Hat

Mikroşerit hatların karakteristik empedansı ve hatta yayılan işaretin dalga boyu, şeridin

w genişliği ve taban malzemenin h yüksekliğine bağlı olarak hesaplanır. [3]

Projemizdeki yönlü kuplör tasarımına dair kullanılacak mikroşerit hattın fiziksel

büyüklüklerine ilişkin hesaplamalar ilerleyen kısımda verilecektir.

9

3. YÖNLÜ KUPLÖR TASARIMI

Mikroşerit yönlü kuplörler genellikle mikrodalga sistemlerinde yüksek doğrulukla

yansıyan ve iletilen güçlerin ölçümü için kullanılırlar. İstenen çalışma frekansında,

simetrik iki hatlı bir mikroşerit yönlü kuplörün fiziksel uzunluğuna dair hesaplamalar

ileride üç adımda tanımlanmıştır. Şekil 3’ te hesaplanacak fiziksel parametrelerin

mikroşerit iletim hattında nereyi ifade ettiği gösterilmektedir. Tasarımda; sonlandırılmış

port empedansı, kuplaj seviyesi ve çalışma frekansı gereklidir. Bu tasarım mikrodalga

uygulamalarında genellikle şu beş malzeme ile gerçekleştirilebilir: alüminyum, teflon,

RO4003, FR4 ve RF-60. Kuplaj faktörü yönlü kuplörün fiziksel boyutuyla ilişkilidir.

Tasarım aynı zamanda verilen kuplaj faktörü için yönlü kuplörün fiziksel uzunluğunun

frekansla ilişkili olduğunu da gösterir.

Şekil 3. İki hatlı mikroşerit yönlü kuplör

3.1. Tasarımda Kullanılacak Formüller

Tasarımın başında genellikle yönlü kuplörün fiziksel parametreleri bilinmez. İlk olarak

ulaşılan bilgi; sonlandırılmış hattın empedansı, kuplaj faktörü ve çalışma frekansıdır.

Pratikte çoğu uygulamada, yönlü kuplörün her bir portunun sonlandırılan empedansının 50

Ω olması tercih edilir. Karakteristik empedans Zo port empedansına eşit olduğunda,

eşleştirilmiş sistem tamamlanmış olur.

10

Tasarımda kuplaj faktörü ve karakteristik empedansın bilinmesi gerekir, bilinmemesi

durumunda genellikle kullanılan standart değerler tercih edilir. Bu kabaca yapılan bir

hesaplamadır. Kuplaj hattı için yönlü kuplörün fiziksel uzunluğu l, malzemenin efektif

geçirgenlik katsayısı ’ na bağlıdır. Bu katsayı malzemenin kapasitesinin bilinmesiyle

bulunabilir.

Kuplaj seviyesi ve çalışma frekansı gibi bilinen parametrelere dayalı olarak kuplaj

tasarımı şu üç adımdaki hesaplamalar ile oluşturulur.

3.1.1. Adım 1: Tek-Çift Mod Empedansının Bulunması

Mikroşerit hatlı kuplörün tek ve çift mod değerlerinin hesaplanmasına dair formüller

(13) ve (14)’ te verilmiştir:

Zoe: çift mod empedans

Zoo: tek mod empedans

C[dB]: ileri kuplaj katsayısı

3.1.2. Adım 2: Fiziksel Boyutların (s/h ve w/h) Bulunması

Yönlü kuplörün fiziksel boyutlarına dair mesafe oranı hesabı (15) bağıntısıyla

yapılabilir:

11

(15) bağıntısında verilen ifade de,

:mikroşerit hatlar arası mesafe oranıdır.

ve : çift-tek moda karşılık gelen iletim hattı genişlik oranları (16) bağıntısında

verilen bağıntı ile tek bir mikroşerit hattın genişliğinin hesabı yapılabilir. genişlik

oranı için modifiye terimi (16) de verilen bağıntıdan çok daha farklı hesaplanır, bu

hesaplamalar detaylı olarak (16) bağıntısıyla verilmiştir.

ve için mikroşerit hat genişlik oranı:

: Tek mikroşerit hat için genişlik oranı

Mikroşerit hatlı kuplörde tek ve çift mod için genişlik oranlarına karşılık gelen tek ve

çift mod karakteristik empedanslarının hesaplamalarına ilişkin bağıntılar aşağıda

veirlmiştir:

12

ve :Tek mikroşerit hattın genişlik oranına karşılık gelen karakteristik

empedanslar

ve : Tek mikroşerit hattın genişlik oranı

genişlik oranı için modifiye terimi (21) bağıntısı ile hesaplanabilir:

: iletim hattı genişlik oranı için modifiye terimi

(16) bağıntısı kullanıldığında, simetrik iki hatlı mikroşerit yönlü kuplörün s/h mesafe

oranına dair kesin sonuçlar (15) bağıntısı ile hesaplanabilir.

Kuplaj hattı için s/h oranı bulunduktan sonra, (22) bağıntısı ile kuplaj hattı için w/h

oranı basitçe bulunabilir:

3.1.3. Adım 3: Yönlü Kuplörün Fiziksel Uzunluğunun Bulunması

Yönlü kuplörün fiziksel uzunluğu (25) bağıntısı kullanarak hesaplanır:

13

l : Yönlü kuplörün fiziksel uzunluğu

f [Hz]:çalışma frekansı

:Efektif geçirgenlik sabiti

Efektif geçirgenlik sabiti aşağıdaki gibi hesaplanır:

εefe ve εefo :Çift-tek mod efektif geçirgenlik sabitleri

εefe ve εefo sabitlerinin değerleri tek–çift mod kapasitelerine bağlıdır. Bu sabitlerin

kapasitelere bağlı hesaplamaları (26a) ve (26b) bağıntılarıyla verilmiştir.

Ce ve C : Çift-tek mod kapasiteleri

Ce1, Co1: Aralarındaki dielektrik maddesi hava olan iki paralel levhanın kapasitesi

Çift mod kapasite hesabı:

Çift mod kapasitesi Ce (27) bağıntısı ile verilmiştir:

Paralel levhalı kondansatörün kapasitesi ve tek bir şerit hatta dair saçaklanma

kapasitesi aşağıda hesaplanmıştır:

14

(30) bağıntısında verilen için tek mikroşerit hattın efektif gaçirgenlik sabiti ( )

aşağıdaki gibi tanımlanır:

Daha önce (27) bağıntısında geçen ifadesi aşağıda belirtilmiştir.

Tek mod kapasite hesabı:

Tek mod kapasitesi Co (34) bağıntısı ile verilmiştir:

15

(36) bağıntısında verilen için hava aralığındaki saçaklanmadan kaynaklanan tek

moda dair kapasite terimi (35) bağıntısı ile ifade edilebilir:

Dielektrik bölgedeki saçaklanmadan kaynaklanan tek moda dair kapasite terimi (39)

bağıntısı ile ifade edilebilir:

[4]

16

4. YÖNLÜ KUPLÖR SİMÜLASYONU

Yönlü kuplör simülasyonu için açık kaynak kodlu bir program olan Qucs yazılımı

kullanılmıştır. Qucs programı ile istenen kuplaj değerine sahip bir mikroşerit hat çifti

tasarlanmıştır. Daha sonra tasarımın S parametreleri analizi yapılarak, 1400-2000 MHz

aralığında çizdirildi.

Kullanılan malzeme FR4 Epoxy Glass olarak belirlendi. Malzemenin dielektrik sabiti

Er= 4.8, bord kalınlığı H= 1.6 mm, bakır kalınlığı T= 0.0356 mm alınmıştır.

20 dB kuplaj değeri için çift mikroşerit hatta dair tek ve çift mod empedans hesabı;

Tek mikroşerit hat için;

17

Hesaplanan bu değerler, malzeme parametreleri ve tasarım frekansı Qucs programının

mikroşerit hat hesaplama aracına girilerek, mikroşerit hat uzunlukları hesaplanır. Ekran

görüntüsü Şekil 4 ve Şekil 5 te bu işlem ve sonuçlar görülmektedir.

Şekil 4. Qucs programının iletim hattı hesap arayüzü (tek mikroşerit hat hesabı)

18

Şekil 5. Qucs programının iletim hattı hesap arayüzü (çift mikroşerit hat hesabı)

Hesaplanan bu değerler, malzeme parametreleri ve tasarım frekansı Qucs programının

mikroşerit hat hesaplama aracına girilerek, mikroşerit hat uzunlukları hesaplanır.

Aşağıdaki ekran görüntüsünde bu işlem ve sonuçlar görülmektedir.

Burada program çıktıları W,S ve L parametreleridir. W mikroşerit hatların genişliği, S

hatlar arasındaki mesafe, L hat uzunluğudur. Program çıktıları ve tasarımın yapıldığı

malzeme parametreleri kullanılarak aşağıda verilen şekil 6 daki gibi devre şeması kuruldu.

19

Şekil 6. Yönlü kuplör simülasyonu için Qucs programında oluşturulan devre şeması

Çizimde görüldüğü gibi yönlü kuplörün her bir kapısına birer kaynak bağlanmıştır.

Malzeme parametrelerini belirlemek için tasarıma bir de malzeme bloğu (Subst1)

eklenmiştir. Simülasyon tipi olarak S parametresi simülasyonu ve frekans aralığı olarak

1.4-2 GHz seçilmiştir.

20

5. TASARIM ÖRNEKLERİ

Yapılan üç tasarımda da 20 dB kuplaj değeri için tek ve çift mod empedans hesabı

yapılmıştır. Bir önceki bölümde hesaplanan bu değerler, malzeme parametreleri ve tasarım

frekansı Qucs programının mikroşerit hat hesaplama aracına girilerek, mikroşerit hat

uzunluklarına dair sonuçlar dikkate alınmıştır. Her üç tasarım için eagle programı

kullanılarak board çizimi manuel olarak yapılmıştır.

5.1. Birinci Tasarım

İlk tasarımda, yönlü kuplör AD8302 entegresinin datasheetinde verilen model örnek

alınarak tasarlanmıştır . Tasarımda iki yönlü kuplör uc uca bağlanarak simetrik olmasına

dikkat edildi. Hattın fiziksel parametrelerine dair hesaplamalar tek mikroşerit hat ve çift

mikroşerit hat için bir önceki bölümde ayrı ayrı verilmiştir. Hat uzunluğu dalga boyu

için hesaplanmıştır ve hattın karekteristik empedansı 50 Ω olarak kabul edilmiştir.

Merkez frekansı 1.7 GHz de kuplaj faktörü 20 dB olacak şekilde ayarlanmıştır. Kuplör

giriş, kuplaj, izolasyon ve çıkış kapıları olmak üzere 4 kapıdan oluşmaktadır. Kuplaj ve

izolasyon kapılarının diğer uçları direnç standart değerlerinden 47 Ω luk bir direnç ile

sonlandırılmıştır. Tasarıma dair çizim şekil 7 de ve gerçeklenen ilk tasarımın baskı devresi

Şekil 8 de verilmiştir.

Şekil 7. Birinci tasarıma dair eagle programında elde edilen board çizimi

21

Şekil 8. Gerçeklenen ilk tasarımın baskı devresi

5.2. İkinci Tasarım

İkinci tasarımda, yönlü kuplör üç paralel hat modeli örnek alınarak tasarlanmıştır.

Tasarımda birbiri ile kuplajlanmış çift mikroşerit hat hesabı yapılarak ana hatta paralel ve

simetrik üçüncü bir hat mevcuttur. Hattın fiziksel parametrelerine dair hesaplamalar tek

mikroşerit hat ve çift mikroşerit hat için bir önceki bölümde ayrı ayrı verilmiştir. Hat

uzunluğu dalga boyu için hesaplanmıştır ve hattın karekteristik empedansı 50 Ω

olarak kabul edilmiştir. Merkez frekansı 1.7 GHz’ de kuplaj faktörü 20 dB olacak şekilde

ayarlanmıştır. Kuplör giriş, kuplaj, izolasyon ve çıkış kapıları olmak üzere 4 kapıdan

oluşmaktadır. Kuplaj ve izolasyon kapılarının diğer uçları direnç standart değerlerinden

47 Ω luk bir direnç ile sonlandırılmıştır. Tasarıma dair çizim şekil 9 da ve gerçeklenen

ikinci tasarımın baskı devresi Şekil 10 da verilmiştir.

22

Şekil 9. İkinci tasarıma dair eagle programında elde edilen board çizimi

Şekil 10. Gerçeklenen ikinci tasarımın baskı devresi

5.3. Üçüncü Tasarım

Üçüncü tasarımda, yönlü kuplör iki paralel hat modeli örnek alınarak tasarlanmıştır.

Tasarımda birbiri ile kuplajlanmış çift mikroşerit hat hesabı yapılmıştır. Hattın fiziksel

parametrelerine dair hesaplamalar tek mikroşerit hat ve çift mikroşerit hat için bir önceki

bölümde ayrı ayrı verilmiştir. Hat uzunluğu dalga boyu için hesaplanmıştır ve hattın

karekteristik empedansı 50 Ω olarak kabul edilmiştir. Merkez frekansı 1.7 GHz’ de kuplaj

faktörü 20 dB olacak şekilde ayarlanmıştır. Kuplör giriş, kuplaj, izolasyon ve çıkış kapıları

olmak üzere 4 kapıdan oluşmaktadır. Kuplaj ve izolasyon kapılarının diğer uçları direnç

standart değerlerinden 47 Ω luk bir direnç ile sonlandırılmıştır. Tasarım kesitleri şekil 11

23

de ayrıntılı bir şekilde verilmiştir. Tasarıma dair çizim şekil 12 de ve gerçeklenen üçüncü

tasarımın baskı devresi Şekil 13 te verilmiştir.

Şekil 11. Tasarım kesitleri [7]

Şekil 12. Üçüncü tasarıma dair eagle programında elde edilen board çizimi

Şekil 13. Gerçeklenen ikinci tasarımın baskı devresi

24

6. SONUÇLAR

İlk tasarımda spektrum analizöründen 1.7 GHz’ de 5 dBm’ lik işaret izolasyon ve çıkış

kapıları uygun yükle sonlandırılarak giriş kapısından verildi. Kuplaj kapısından alınan

işaret 24 dB olarak kaydedildi. Daha sonra aynı işaret bu kez kuplaj ve çıkış kapıları uygun

yükle sonlandırılarak izolasyon kapısından yapılan ölçüm sonucunda 22 dB olarak

kaydedildi. Bu kapıdan işaretin çok fazla zayıflatılmış olması beklenmesine rağmen

işaretin bu kapıdan da kuple edildiği anlaşıldı. Deney sonucunda network analizöründen

alınan s-parametrelerine dair değerlerin frekansla değişimi grafik 2 ve grafik 3 de

verilmiştir.

Grafik 2. Birinci Tasarım için ileri yön s parametreleri

Grafik 3. Birinci Tasarım için ters yön s parametreleri

25

İkinci tasarımda spektrum analizöründen verilen aynı işaret ile kuplaj kapısından 23.6

dB ve izolasyon kapısından 27 dB olarak ölçüm alındı. Bu denemede tasarım modeli üç

paralel hat ile yapılarak birinci tasarıma göre iyileştirme yapıldığı kaydedildi. Deney

sonucunda network analizöründen alınan s-parametrelerine dair değerlerin frekansla

değişimi grafik 4 ve grafik 5 de verilmiştir.

Grafik 4. İkinci tasarım için ileri yön S parametreleri

Grafik 5. İkinci tasarım için ters yön S parametreleri

Üçüncü tasarımda spektrum analizöründen verilen aynı işaret ile kuplaj kapısından

yaklaşık 22 dB ve izolasyon kapısında ise yaklaşık 30 dB olarak ölçüm alındı. Deney

sonucunda network analizöründen alınan s-parametrelerine dair değerlerin frekansla

değişimi grafik 6 ve grafik 7 de verilmiştir.

26

Grafik 6. Üçüncü tasarım için ileri yön s parametreleri

Grafik 7. Üçüncü tasarım için ters yön s parametrleri

27

7. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME

Önemli bilimsel ve teknolojik gelişmelere yer veren mikrodalgaların, daha çok

haberleşme alanında ilerlemeleri bilinmektedir. Bununla birlikte RF dalgalarının özel bazı

mikroşerit filtrelerde olduğu gibi endüstriyel alanda kullanıldığı mevcuttur. Bu anlamda

mikrodalga sistemlerde gelen ve yansıyan dalgalara dair bilgi veren yönlü kuplör elemanı,

iletim hattı boyunca belli bir noktadaki güç ve frekans ölçümlerinde kullanılmaktadır.

Ayrıca duran dalga oranı, yansıma katsayısı, empedans ve geri dönüş kaybı gibi

uygulamalarda da yönlü kuplörlerden faydanılmaktadır.

Çalışmamızda çalışma frekans aralığı 1400-2000 MHz olan dahili osilatörden işaret

alınan yönlü kuplör tasarlanmış, devre gerçeklemeleri yapıldıktan sonra alınan ölçüm

sonuçları analiz edilmiştir, simülasyon sonuçları incelenmiştir. Alınan sonuçlardan

simetrik bir yönlü kuplörün 1.7 MHz tasarım frekansında kuplaj faktörü, hedaflenen 20

dB değeri için yaklaşık olarak gerçeklenmiştir. İzolasyon kapısından neredeyse kuplajlanan

hedef işaretine yakın bir işaret alınması çalışmanın farklı tasarımlarla gerçeklenmesini

gerektirmektedir. Üçüncü tasarımla kuplaj ve izolasyon kapıları arasındaki fark yaklaşık 9

dB ölçülerek iyileştirilmenin yapıldığı kaydedilmiştir.

Yapılan çalışmalar doğrultusunda, laboratuvar imkan ve olanaklarından faydalanılarak,

orta seviyeli bir bütçe ile mikrodalga laboratuarlarında kullanılabilecek “Yansıma

Katsayısı ve Duran Dalga Oranı Ölçer” yapılabileceği ve bu cihaz kapsamında, tasarımı

yapılan ‘Yönlü Kuplör’ ün kullanılabileceği görüldü ve tasarım gerçekleştirildi.

28

KAYNAKLAR

[1]. D. K. Cheng, Mühendislik Elektromanyetiğinin Temelleri, Palme Yayıncılık, 2006.

[2]. Thomas Koryu Ishii, Handbook of Microwave Technology: Components and devices,

Academic Press, 1995.

[3]. Rajesh Mangia, RF and Microwave Coupled-Line Circuits, Artech House, 1999.

[4]. A. Eroğlu ve J. K. Lee, “Complete Design Of Microstrip Directional Couplers Using

Synthesis Technique”, IEEE Transactions On Instrumentation And Measurement,

no. 57, 2008.

ÖZGEÇMİŞ

29

ÖZGEÇMİŞ

Nesrin GÖKALP, 07/09/1989 tarihinde Erzincan ilinin Çayırlı ilçesinde doğdu.

İlköğretim ilk iki sınıfını 9 Ocak İlköğretim Okulu’nda tamamladı.İlkokul 3. Sınıftan

itibaren ilköğretimi 29 Ekim İlköğretim Okulu’nda, liseyi Erzincan Anadolu Lisesi’nde

okudu. 2007 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği

Bölümü’nde lisans eğitimine başladı. 3. Sınıfta bölümlerin ayrılması ile seçimini

Elektronik ve Haberleşme dalı olarak yaptı. Şu anda 4. Sınıf öğrencisi olarak öğrenimine

devam etmektedir.

Münteha Şura YAVUZ, 01/06/1988 tarihinde Konya ilinin Meram ilçesinde doğdu.

İlköğretimi Şükrü Doruk İlköğretim Okulu’nda, liseyi Konya Lisesi’nde okudu. 2008

yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü’nde

lisans eğitimine başladı. Muafiyet sınavına girerek, üniversite yabancı dil hazırlık

sınıfından muaf oldu. 3. Sınıfta bölümlerin ayrılması ile seçimini Elektronik ve

Haberleşme dalı olarak yaptı. Şu anda 4. Sınıf öğrencisi olarak öğrenimine devam

etmektedir