Mobil uydu haberleşme sistemleri için ku band faz dizili almaç sistemi tasarımı
Ku band phased array receiver system design for mobile satellite communication systems
- Tez No: 601291
- Danışmanlar: PROF. DR. SELÇUK PAKER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 84
Özet
Uydu haberleşmesinde kullanılan geleneksel almaç yapıları incelendiğinde, yansıtıcı antenler ve yansıtıcı merkezine yerleştirilmiş LNB yapıları görülebilir. LNB, çift kutuplamalı olarak iki ayrı pininden dikey ve yatay kutuplanmalı dalgaları almaktadır. Her iletişim sisteminde olduğu gibi alınan işaret ön yükselteçe sokulduktan sonra aşağı çevirici yardımıyla orta frekansa indirilir. Sonrasında ise çözücü aygıta iletilerek işaret anlamlandırılır. Uydu sistemlerinde anten yönü her zaman uyduya dönük olmalıdır. Hareketli araçlarda bu yönlenme motor kontrol birimleri vasıtasıyla sağlanır. Bu tezde geleneksel sistemin kapladığı hacmi düşürecek ve uyduya yönelme hızını yükseltecek ve aynı zamanda araç içerisinde daha gizli tutulabilir bir sistem tasarımı çalışılmıştır. Tez içeriğinde bu amaçla faz dizili anten alıcı sistemi tasarlanmıştır. Sistemin Ku band alıcı frekansları olan 10.7 GHz ile 12.7 GHz arasına uygun yapılması hedeflenmiştir. Dizi antenin kazancının en düşük 30 dB olması hedeflenmektedir. En yüksek kazanç noktasında ise 32 dB kadar kazanç görülmesi beklenmektedir. Bu sebeple 16x16 bir sistem, birim antenleri 8 dB ortalama kazanç sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Bu kazançta bir birim anten için yama anten kullanımı uygun olmaktadır ancak geniş bant bir tasarım olacağı için yama anten üzerinde değiklik yapılması zorunlu olmuştur. Yama antenin band genişliği normal koşullarda % 5 iken, açıklık beslemesi ve parazitik yama metoduyla %13'ten fazla band genişliği elde edilebilmektedir. Uygulama kolaylığı sebebi ile bu tezde parazitik yama yöntemi tercih edilerek yeterli band genişliği sağlanmıştır. Anten ölçümlerinde, dalga kılavuzu birleştirmesinde çıkan sorunlar sebebi ile sadece 1x16 sistemi ölçülebilmiştir. Faz dizili sistemlerin en büyük eksi tarafı olan iletim hattı kayıplarını en düşük seviyeye getirmek üzere, ışıyan elemanların arkasında hava boşluklu dalga kılavuzu güç bölücüleri her iki kutuplanma için de tasarlanmıştır. İletim hatları çıkışlarında dalga kılavuzunun kısa kenarına dik olacak şekilde mikroşerit hatta çevrim yapısı tasarlanarak almaç devrelerinin girişine uygun iletim hattına dönüştürme işlemi yapılmıştır. Sistemde önemsenen bir diğer husus da faz kontrol çözünürlüğüdür. Faz kontrol çözünürlüğünü en üst düzeyde tutmak üzere analog faz kaydırıcı tasarımı yapılmıştır. Analog faz kaydırıcı devresi ara frekansta, lange bağdaştırcı ve değişken kapasite elemanları kullanılarak yansıtıcı tipte bir faz kaydırıcı olarak tasarlanmıştır. Değişken kapasite elemanları gerilim ile kontrol edilmektedir. Gerilim kontrolü 16 bit elemanlarla sağlanmaktadır ve bu sayede faz çözünürlüğü 0.01 derecelere kadar düşürülmüştür. Faz kaydırma işlemi ara frekansta yapıldığı için öncesinde aşağı çevirici çipi kullanılarak çevirme işlemi yapılmaktadır. Çevirici öncesi düşük gürültülü kuvvetlendirici tasarımı benzetim ortamında tamamlanmıştır. Kuvvetlendirici hedefi 20 dB kazanç ve 1 dB gürültü faktörü olarak belirlenmiştir. Tez sonucunda 1x4 ve 1x16 yama antenler, 16 bit SPI arayüzlü 120 derece faz aralığında faz kaydırıcı, 1x4 ve 1x16 güç bölücü dalga kılavuzu yapıları ile mikroşerit-dalgakılavuzu arası kısa kenardan geçiş sağlayan yapılar tasarlanmış ve üretilip ölçülerek sonuçları gözlenmiştir. 1x4 sistemde band genişliği kayma olmaksızın sağlanırken, 1x16 sistemde parazitik yama değişimi sebebi ile olduğu düşünülen yaklaşık 500 MHz bir kayma gözlenmiştir. Bununla birlikte band genişliğinin aynı kaldığı gözlenmiştir. Bu ölçüm yapılırken, yama antenler, dalga kılavuzları ve geçiş yapısı beraber şekilde kullanıldığı için üç yapının da istenilen düzeyde çalıştığı belirtilebilir. Aktif kısımda ise faz kaydırcı istenilen incelikte xviii çözünürlükte tasarlanmıştır. Aktif Ku band düşük gürültülü kuvvetlendirici için üretim ve birleştirme aşamaları gelecek çalışma planlarındadır.
Özet (Çeviri)
When conventional reception structures used in satellite communication are examined, reflective antennas and LNB structures placed in the reflector center can be seen. The LNB receives the vertical and horizontal polarized waves from two separate pins with double polarity. As with any communication system, the received signal is downconverted to the intermidiate frequency with the help of the downconverter after low noise preamplifier stage. Then the singal is made meaningful by transmitting to the decoder device. In satellite systems the antenna direction must always be facing the satellite. In moving vehicles, this direction accuracy is achieved by means of motor control units. In this thesis, a system design which will decrease the volume covered by the traditional system and increase the speed of the satellite orientation and at the same time a more concealable system design has been studied. For this purpose, the phased array antenna receiver system is designed. The system is intended to be compatible with Ku band receiver frequencies between 10.7 GHz and 12.7 GHz. The gain of the array antenna is expected to be at least 30 dB. The highest gain point is expected to be as high as 32 dB. Therefore, a 16x16 system is designed so that the unit antennas provide an average gain of 8 dB. To achieve this level of gain, the use of patch antennas for a unit antenna is appropriate, but since it would be a wide band design, it was necessary to manipulate the patch antenna. Bandwidth of the patch antenna is 5% in normal conditions, but more than 13% band width can be obtained by aperture feed and parazitic patch method. Due to the ease of application, parasitic patch method is preferred in this thesis and sufficient bandwidth has been provided. Another consideration of the system is the axial ratio. Due to the both vertical and horizontal signals are received in same time and bot of them is in same amplitude, vertical-horizontal ports of the patch antennas' shoul be capture just one polarity purely as possible. Another manipulation is used for this goal. A“corner-star”structure developed and placed into the corner between two feeding point to increase axial ratio of the antenna. Finally, unit antenna design is finalized with specified manipulations. Waveguide design was also challenging. The waveguide used and produced in this work is not a standard waveguide. Firstly, it should be placed under the patch antenna feeding point and there is two feeding point in unit antenaa with seperation by 4.55 mm. Two wave guide coupling pin should be fit this seperation. To do that, 6 by 12 mm rectengular waveguide structure is chosen. Cut-Off frequency off the waveguide was 10.5 GHz nearly. Unit antenna structure and seperation also brings another consideration to the waveguide. Two unit antenna is placed by 23 mm seperation. With these dimensions, feeding point of the path antennas are not in the center of wave uide. This creates phse balance problem in the input of the waveguide combiner. So, two signal is combined in same amplitude but not in same phase, one of the is little delayed and 1x2 waveguide combiner output is observed as in same phase by using separation pin placed into the middle of the waveguide by an offset. Also, 1x4, 1x8 and 1x16 waveguide structures also balanced in same way. Last part before active circuits is the microstrip-waveguide transition structure. Normally, it is a basic structure can be found in literature easily if designer have enough area and feeding point is at center of long edge of the waveguide. However, in this design it is mandotary to feed the system from short edge of the waveguide. After many trials, directly transforming the wave from short edge to the microstrip line is not a suitable way. So, it is manipulated the litearture structures. Thin line on the Rogers4350B dielectric material which itsdielectric constat is 3.66 in the wave guide is placed at the center of the vertical and horizontal waveguide offset with 3 mm. By changing line thickness and length and dielectric length inside of the waeguide, a fitting solution is designed. Also, it is critical parameter that height from deep point of waveguide short end to the dielectric. In the antenna measurements, only 1x16 system could be measured due to problems with integration wave guide to antenna feed. In order to minimize transmission line losses, which are the biggest negative side of the phase array systems, the air gap waveguide power splitters behind the radiating elements are also designed for both polarities. The transmission line was transformed into the transmission line according to the input of the receiver circuits by designing the microstrip line evenly to the short edge of the waveguide at the outputs of the transmission lines. Another important issue in the system is the phase control resolution. An analog phase shifter design has been designed to maximize the phase control resolution. The analog phase shifter circuit is designed as a phase shift in a reflective type at intermediate frequency using the lange coupler and variable capacity elements. Variable capacity (varactor diodes) elements are controlled by voltage. The voltage control is provided with 16 bit elements, whereby the phase resolution is reduced to 0.01 degrees. Since the phase shifting is done at the intermediate frequency, frequency decreasing process is done by using the TFF1018HN downconverter chip. Downconverting process should be thought in details. System includes 16 downconverter unit and output phase of these units should be nearly same, otherwise alll system considerations will be meaningless. Antenna seperation, phase and amplitude balance in 1x16 waveguide combiner is for that signal reaches to the LNA input in same phase. After that, LNA responses will be nearly same beacuse LNA's will be in same temperature and humidity etc. However mixers has a random frequency generator actually. The crystal used for mixer can give reference frquency in any phase. So, just one crystal should be use for all 16 mixer device. For this purpose, Crystal frequency divider circuit is designed also. Experiments shoew that two mixer can deliver output signal in same phase but when 16 device are in use, some variances can be observed. The low noise amplifier design before the inverter was completed in the simulation environment. The aimed specifications of the amplifier is 20 dB gain and 1 dB noise factor. LNA design includes GaAs FET transistors discretely. To run these transistors, Diodes' Coorps' ZABG4003 driver circuit is used. It is also a commercial product for LNB solutions and provides 4 biasing output drive. In another paranthesis, frequency selective surface development is tried on the bandwidth and axial ratio manipulated patch antenna. Just using, 3x4 array“Ohm”shaped FSS unit at 18 mm away in vertical axis of parasitic patch, 1.5 dB directivity and gain increment is provided. It should be stated that this work is just done in simulation, there is no real product and measurement. As a result of the thesis, 1x4 and 1x16 patch antennas, 120-phase phase spacer with 16-bit SPI interface, 1x4 and 1x16 power divider waveguide structures and microstrip-waveguide short-edge transition structures were designed and produced and measured. In the 1x4 system, the band width was achieved without shift, whereas in the 1x16 system a shift of about 500 MHz which was thought to be due to parasitic patch change was observed. However, the band width remained the same. When this measurement is performed, it can be stated that since the patch antennas, waveguides and transition structure are used together, all three structures work at the desired level. In the active part, the phase shift is designed in the desired fineness resolution. The production and assembly stages for the active Ku band low noise amplifier and producing and measuring unit antenna with FSS are in the future work plans.
Benzer Tezler
- Circularly polarized array antenna design with emphasis to enhance the antenna performance for C-band applications
C-bandı uygulamaları için anten performasını geliştiren dairesel polarizasyonlu dizi anten tasarımı
SAEİD KARAMZADEH
Doktora
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MESUT KARTAL
- Dizi yama anten tasarımında yapay sinir ağları kullanarak anten parametrelerinin hesaplanması
Determination of desing parameters of patch antenna array using neural networks
ÖZGÜR DÜNDAR
Doktora
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SEYFETTİN SİNAN GÜLTEKİN
- Evre kaydırımlı mikroşerit yama anten dizili ku band alıcı tasarımı
Design of ku band receiver with phased array microstrip patch antennas
BÜLENT YAĞCI
Doktora
Türkçe
2003
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI
- Kişisel mobil uydu haberleşme sistemleri için anten tasarımı
Antenna desing for personal mobile satellite communication systems
BURAK BAYRAKCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. SELÇUK PAKER
- Software implementation of key transceiver algorithms for an in-band full-duplex DVB-S2-based satellite communication system
Bant-içi tam-dupleks DVB-S2 tabanlı tabanlı uydu haberleşme sistemleri için anahtar alıcı-verici algoritmalarının yazılımsal uygulamaları
KHALED WALID ELGAMMAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET KEMAL ÖZDEMİR