Geri Dön

GNSS sistemleri için küçük boyutlu yama anteni ve kompakt anten dizisi tasarımı

Design of a compact patch antenna and antenna array for GNSS systems

PDF İndir

  1. Tez No: 954425
  2. Yazar: MUHAMMED YUSUF ŞAHİN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MESUT KARTAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Bu tez çalışmasında, GNSS (Küresel Navigasyon Uydu Sistemleri) uygulamalarında kullanılmak üzere sağ el dairesel kutuplaşmalı (RHCP), kompakt boyutlu, tek katmanlı ve düşük profilli bir yama anten tasarlanmıştır. Bu anten temel alınarak dört elemanlı sıralı döndürülmüş (sequentially rotated) bir GNSS anten dizisi geliştirilmiş ve benzetim ortamında analiz edilmiştir. GNSS sistemleri, konum, hız ve zaman bilgilerini dünya genelindeki kullanıcılara sağlaması nedeniyle hava, kara ve deniz ulaşımı, askeri ve sivil sistemler, otonom araçlar, taşınabilir elektronik cihazlar ve haberleşme gibi birçok kritik alanda kullanılmaktadır. GPS, GLONASS, Galileo ve BeiDou gibi küresel uydu sistemleri tarafından gönderilen sinyaller L bandı içerisinde yer almakta olup, özellikle GPS L1, Galileo E1, BeiDou B1C (1575.42 MHz) ve GLONASS G1 (1602 MHz) frekansları sivil kullanıcılar arasında yaygın olarak tercih edilmektedir. GNSS sinyalleri, yeryüzüne ulaştıklarında oldukça zayıf güç seviyelerine (yaklaşık -130 dBm) sahiptir ve bu nedenle elektromanyetik parazitlere karşı oldukça hassastır. Bu durum, alıcı antenlerin yüksek kazançlı, çok yollu yayılıma ve parazite karşı dirençli şekilde tasarlanmasını gerekli kılmaktadır. Ayrıca İHA ve otonom platformlar gibi boyut ve ağırlık kısıtlamaları olan sistemlerde, antenlerin düşük profilli, hafif ve küçük hacimli olması büyük önem taşımaktadır. Tez kapsamında ilk olarak Rogers TMM10 (epsilon_r = 9.8) ve RO3010 (epsilon_r = 11.2) yüksek dielektrik sabitine sahip iki farklı substrat kullanılarak, 1.27 mm ve 2.5 mm olarak iki farklı kalınlıkta toplamda dört farklı birim yama anten tasarımı yapılmıştır. Anten geometrisinde RHCP performansını artırmak ve empedans uyumunu iyileştirmek amacıyla köşe kesitleri, ilave çentikler ve yama kenarlarına yerleştirilen dikdörtgen yarıklar entegre edilmiştir. Simülasyonlar CST Microwave Studio ortamında gerçekleştirilmiş, antenlerin geri dönüş kaybı (S11), yönlülük, kazanç ve eksenel oran (AR) gibi temel RF parametreleri değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, 2.5 mm kalınlıklı yapıların, 1.27 mm kalınlıklı yapılara göre daha geniş bant, daha yüksek kazanç sağladığını göstermektedir. Buna rağmen, daha ince olan 1.27 mm kalınlıklı yapıların ise GNSS L1 bandı için yeterli performans sunduğunu ortaya koymaktadır. Tezin ikinci aşamasında, 2.5 mm kalınlıklı TMM10 tabanlı birim anten ve 1.27 mm kalınlıklı RO3010 tabanlı birim antenler yapıtaşı olarak seçilmiş ve dört elemanlı anten dizileri tasarlanmıştır. Oluşturulan anten dizileri için anten elemanları arası mesafenin dizi antenin çalışma performansına etkisi araştırılmış ve farklı uzaklıklar denenerek optimum mesafe belirlenmiştir. Her bir birim eleman 55 mm ötelenmiş ve saat yönünde 90 derece döndürülmesiyle oluşturulmuş, sıralı döndürülmüş (sequentially rotated) bir geometriye sahiptir. Dizi antenin performansı, aktif geri yansıma katsayısı (active reflection coefficient) üzerinden değerlendirilmiştir. Bu parametre, yalnızca klasik S-parametrelerinin sunduğu empedans uyumu bilgisinin ötesinde, portlar arası faz ilişkilerini ve kuplaj etkisini de dikkate almaktadır. Benzetim programı ortamında uygulanan bu yöntem, anten dizisinin bir 1:4 güç bölücü üzerinden eşzamanlı beslendiği bir senaryoyu taklit ederek gerçekçi bir simülasyon sunmaktadır. GNSS sistemleri, zayıf sinyal seviyelerinde çalıştığından dolayı kasıtlı parazit (jamming) ve şehir içi binalardan, araçlardan, atmosferik koşullardan yansıyan kasıtsız enterferans sinyallerine oldukça savunmasızdır. Bu nedenle GNSS sinyalinden konum bilgisi oluştururken aynı zamanda enterferansa, karıştırma sinyallerine dayanıklı sistemler olarak bilinen CRPA (Controlled Reception Pattern Antenna) uygulamaları günümüzde oldukça yaygınlaşmaktadır. CRPA sistemlerinde kullanılması için tasarlanan anten dizilerinin, dijital hüzme yönlendirme (digital beamforming) algoritmaları ile entegre edilerek tehditlere karşı dirençli çözümler sunmaktadır. Bu çalışmada sunulan anten yapısı, bu tür sistemlerde kullanılabilecek küçük boyutlu, RHCP karakteristiğine sahip ve dijital hüzme yönlendirme algoritmalarında kullanılabilir uygun bir yapı sunmayı amaçlamıştır. Dizi tasarımında, kuplaj etkisinin minimum seviyede tutulması hedeflenirken aynı zamanda boyutsal kompaktlık da korunmuştur. Elemanlar arası mesafe, kuplaj etkisini artırmayacak şekilde yeterince uzak tutulmuş, fakat sistemin toplam boyutunun artmaması için optimum mesafede sınırlandırılmıştır. Elde edilen simülasyon sonuçları, önerilen GNSS anten dizisinin GNSS L1 bandında çalışan uydu takımyıldızları (GPS, Galileo, BeiDou) için tutarlı kazanç, düşük eksenel oran ve kararlı RHCP kutuplaşma sunduğunu göstermiştir. Ayrıca tasarlanan anten dizilerinin ışınım örüntüleri yarımküresel dağılım sergilemekte olup GNSS uygulamaları için uygun yönlülük karakteristikleri taşımaktadır. Yapılan tasarımlar arasından seçilen 1.27 mm kalınlıklı Rogers RO3010 tabanlı birim anten, prototip olarak üretilmiş ve laboratuvar ortamında vektör ağ analizörü (VNA) ile karakterize edilmiştir. İlk üretim sonrasındaki ölçümlerde gözlemlenen frekans kaymasının, alt malzemenin efektif dielektrik sabitindeki belirsizlikten kaynaklandığı belirlenmiş; gerçekleştirilen parametrik tarama sonucunda epsilon_r değeri 10.95 olarak güncellenmiştir. Optimize edilen bu değerle anten yeniden üretilmiş ve elde edilen S11 ölçümleri, simülasyon sonuçlarıyla yüksek oranda örtüşmüştür. Nihai tasarım, GNSS L1 bandında çalışan bir alıcıya bağlandığında güvenilir uydu takibi sağlayarak konum bilgisi üretebilmektedir. Bu birim antenden dört adet üretilmiş ve dört kanallı bir CRPA platformuna başarıyla entegre edilebilir. Sonuç olarak, bu tez çalışması kapsamında GNSS alıcı sistemleri için uygun, üretime hazır, miniaturize edilebilir ve düşük profilli bir anten yapısı geliştirilmiştir. Tasarlanan yapı, özellikle İHA'lar ve taşınabilir GNSS sistemleri gibi fiziksel alan kısıtlamalı platformlar için uygulanabilir, maliyet etkin ve yüksek performanslı bir çözüm sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

Throughout human history, the need to determine location, direction, and time has been a fundamental requirement for the advancement of civilizations. With the evolution of technology, solutions to these needs have become increasingly accurate, reliable, and globally accessible. Among the key technologies that facilitate this transformation are Global Navigation Satellite Systems (GNSS), which provide users with real-time Position, Velocity, and Time (PVT) data worldwide. These systems have transformed modern navigation by enabling a wide range of civilian and military applications. GNSS has become a core infrastructure in daily life and critical operations, from air, land, and sea transportation to autonomous vehicles, precision agriculture, disaster management, and mobile communication synchronization. Antennas are essential components of communication and navigation systems and play a critical role in the overall performance and reliability of GNSS-based applications. Specifically, GNSS receiver antennas are expected to operate under challenging conditions, such as weak signal reception, multipath effects, electromagnetic interference, and intentional jamming, while still maintaining high levels of performance. Therefore, the design of antennas suitable for GNSS receivers must account for several critical criteria such as right-hand circular polarization (RHCP), low axial ratio (AR), stable impedance matching, high gain, and wide radiation coverage. GNSS systems, including GPS, GLONASS, Galileo, and BeiDou, primarily transmit signals within the L-band frequency range (1–2 GHz). The GPS L1, Galileo E1, BeiDou B1 (1575.42 MHz) and GLONASS G1 (1602 MHz) signals are common in civilian navigation due to their widespread compatibility and accessibility. However, signals arriving from medium Earth orbit (MEO) satellites experience significant free-space path loss, often resulting in received power levels as low as -130 dBm. These signals, which are already at or below the noise floor of most radio receivers, become highly susceptible to degradation from multipath propagation and man-made or natural interference. This makes it essential for GNSS antennas to exhibit robust RHCP characteristics that match the polarization of satellite signals, maintain an axial ratio below 3 dB, and provide a radiation pattern that covers the visible sky hemisphere. Modern applications such as unmanned aerial vehicles (UAVs), autonomous vehicles, wearable or portable navigation devices, and small-scale IoT platforms introduce additional physical constraints on GNSS antennas. These platforms demand antennas that are not only electromagnetically efficient but also compact, low-profile, lightweight, and simple to integrate. Within this context, patch antennas offer a favorable trade-off due to their ease of fabrication, low cost, and planar profile, which makes them suitable for embedded systems. In addition, a literature review was conducted to benchmark existing GNSS antenna and array designs. Studies reveal that traditional single-layer patch antennas are often limited by narrow bandwidth and sensitivity to mutual coupling, especially in dense array configurations. To overcome these limitations, numerous researchers have explored advanced techniques including multi-layer stacking, slot loading, dielectric resonator integration, and artificial magnetic conductor (AMC) layers. These methods aim to improve gain, widen bandwidth, and suppress cross-polarization effects. In particular, AMC-backed patches have demonstrated the ability to reduce profile height while preserving isolation between array elements. As GNSS receivers increasingly face challenges such as jamming, spoofing, and electromagnetic interference, CRPA (Controlled Reception Pattern Antenna) systems have emerged as a promising solution. These systems dynamically adjust their beam patterns using digital signal processing to reject unwanted interference while maintaining signal reception from valid satellites. Integration of compact RHCP patch antennas with CRPA systems enhances anti-jamming capabilities and enables deployment in constrained platforms like UAVs and wearable devices. Current literature supports the use of RHCP patch antennas as optimal candidates for CRPA arrays due to their simplicity, polarization performance, and manufacturability. Moreover, the study emphasizes the growing demand for miniaturized and interference-resilient GNSS antennas, particularly for Beyond Visual Line of Sight (BVLOS) missions in UAV applications. The proliferation of drones in surveillance, environmental monitoring, and public safety tasks has necessitated robust and miniaturized GNSS receivers. This, in turn, has intensified the need for compact, lightweight, and interference-tolerant antenna architectures that can operate reliably in congested RF environments. In response to these challenges, this thesis presents the design, simulation, and evaluation of a miniaturized, single-layer RHCP patch antenna, as well as a corresponding four-element sequentially rotated array configuration. The primary objective is to enhance GNSS performance on platforms with stringent size and weight constraints. Literature reviews consistently show that one of the most critical factors in antenna miniaturization is the use of high-permittivity substrate materials. These substrates allow for a substantial reduction in antenna size while preserving resonance characteristics. Accordingly, in this study, two ceramic substrates with high dielectric constants, Rogers TMM10 (epsilon_r = 9.8) and RO3010 (epsilon_r = 11.2) were selected to explore the trade-offs between physical size, bandwidth, gain, and polarization performance. Each substrate material is evaluated at two thickness levels, 1.27 mm and 2.5 mm. Structural optimizations were applied to each unit patch design, such as corner truncation to enable RHCP excitation by generating orthogonal patch modes with a 90-degree phase shift. Additionally, small rectangular slots were placed near the patch edges to enhance the circular polarization bandwidth and reduce the axial ratio. Feed-point optimization was conducted to ensure impedance matching with standard 50-ohm systems. All simulations were conducted using CST Microwave Studio, a full-wave electromagnetic simulation software. The simulation results indicate that the 2.5 mm TMM10-based design provided superior performance, achieving an impedance bandwidth of 1563–1594 MHz (S11 < -10 dB), a peak RHCP gain of 5.28 dBi, and an axial ratio of approximately 2.32 dB at the GPS L1 center frequency of 1575.42 MHz. The patch size for this design was optimized at 29.68 mm. In comparison, the 1.27 mm TMM10-based design, while being thinner and potentially more suitable for compact integration, exhibited a narrower impedance bandwidth of 1566–1585 MHz and a reduced peak RHCP gain of 4.65 dBi. The axial ratio was approximately 2.6 dB at the same center frequency, and the patch size was slightly increased to 30.19 mm to maintain resonance due to the thinner substrate. The same design principles were applied to RO3010-based antennas. Owing to its higher dielectric constant, the RO3010 substrate enabled further miniaturization while maintaining acceptable GNSS performance. The 2.5 mm RO3010 patch antenna achieved an S11 bandwidth of 1566–1591 MHz, with a minimum return loss of -16 dB, a peak RHCP gain of 5.15 dBi, and an axial ratio of 2.16 dB at 1575.42 MHz. The patch size was optimized at 27.9 mm, which is notably smaller than the corresponding 2.5 mm TMM10 design. In contrast, the 1.27 mm RO3010-based design, while offering a thinner and more compact form factor, exhibited a narrower bandwidth of 1568–1583 MHz and a lower peak gain of 4.45 dBi. The axial ratio in this case was slightly improved to 1.91 dB, while the patch size increased to 28.32 mm to compensate for the reduced substrate thickness. These results confirm the suitability of high-permittivity ceramic substrates such as RO3010 for size-constrained GNSS applications, where patch miniaturization is desired without compromising critical antenna parameters. While thinner substrates (1.27 mm) exhibited slightly reduced bandwidth and gain, both TMM10 and RO3010-based designs achieved sufficient performance within the GNSS L1 band, making them suitable for compact systems requiring minimal volume. It is important to highlight that the axial ratio degradation near the lower end of the band, especially around 1600 MHz, led to increased signal distortion and reduced gain, further emphasizing the importance of polarization optimization in GNSS antenna design. Building on the results of the unit patch antenna analysis, the second stage of the study focused on the design and evaluation of a four-element GNSS antenna arrays using the 2.5 mm TMM10 and 1.27 mm RO3010 based patches as the unit element. The arrays were arranged in a 2×2 square configuration, with each antenna rotated 90 degrees clockwise relative to its neighbor, forming a sequentially rotated structure. This layout enhances polarization purity, stabilizes radiation patterns, and enables more uniform hemispherical gain distribution—essential characteristics for mobile and dynamic GNSS platforms. To evaluate the performance of the arrays, parametric analyses were conducted to determine the optimal inter-element spacing. A distance of 55 mm was found to offer the best trade-off between minimizing mutual coupling and maintaining a compact footprint. Additionally, the study adopted the active reflection coefficient methodology to evaluate the real-world performance of the array under simultaneous excitation. Unlike traditional S-parameters that consider individual ports, the ARC incorporates mutual coupling and phase relationships among ports, thereby modeling scenarios involving a 1:4 power divider or digitally controlled beamforming circuits. The final optimized arrays demonstrated consistent RHCP performance across the GNSS L1 band (1575.42 MHz), with the 2.5 mm TMM10-based array achieving a peak gain of 7.22 dBi in the L1 band and 5.20 dBi at the GLONASS G1 frequency (1602 MHz). In this configuration, axial ratios remained below 1.5 dB across the entire L1 range, accompanied by broad hemispherical radiation coverage. In contrast, the 1.27 mm RO3010-based array exhibited axial ratios below 1.5 dB within a narrower bandwidth (1570–1580 MHz), with reduced gains of 6.19 dBi in the L1 band and only 0.62 dBi at G1. These results clearly demonstrate the influence of substrate thickness on bandwidth and gain, highlighting the trade-off between compactness and electromagnetic performance. Overall, the achieved metrics confirm the suitability of the proposed antenna arrays for integration into UAVs, vehicle-mounted GNSS systems, and portable receivers, where directional stability, compactness, and signal robustness are essential. Among the designs evaluated in this study, the unit patch antenna based on the 1.27 mm thick Rogers RO3010 substrate was selected for prototyping and fabricated using standard PCB techniques. The manufactured antenna was characterized using a vector network analyzer (VNA), and discrepancies between the measured and simulated return loss were observed due to the variation in the substrate's effective dielectric constant. Through a parametric sweep, the dielectric constant was revised from 11.2 to 10.95 to match the measured response better. The antenna was subsequently re-fabricated using the updated design, resulting in excellent agreement between measured S11 values and simulated data. When connected to a GNSS receiver, the final antenna design demonstrated successful satellite acquisition and position fix within the L1 band. A total of four identical units were fabricated and integrated into a four-channel CRPA platform. Integration tests confirmed that the antennas operate compatibly with CRPA beamforming algorithms even under jamming conditions, maintaining signal tracking and interference suppression capabilities. This thesis delivers a practical and technically rigorous antenna solution tailored for modern GNSS platforms. By combining miniaturized, high-performance RHCP unit elements with a sequentially rotated array configuration, the design achieves key goals in bandwidth coverage, polarization purity, and mechanical simplicity. The proposed antenna is easy to fabricate, cost-effective, and ready for mass production using standard PCB processes. Its potential for integration into adaptive CRPA systems further enhances its value for future GNSS applications in navigation, timing, and secure communication infrastructures. Through an extensive design, simulation, and validation process, this work not only addresses the pressing needs of GNSS antenna miniaturization but also contributes a scalable and future-proof architecture for resilient satellite-based positioning systems. As GNSS technology continues to evolve and integrate with emerging autonomous and critical systems, the relevance and applicability of compact, high-performance antenna designs such as the one presented in this thesis will only increase.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    941104

    Nonlinear solver-aided estimation filter based geostationary satellite navigation with available GNSS signals

    Mevcut küresel uydu navigasyon sistemleri sinyalleri ile yer sabit yörünge uyduları için doğrusal olmayan çözücü destekli kestirim filtresi tabanlı navigasyon

    FURKAN ŞEVİK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ DEMET ÇİLDEN GÜLER

  2. Tez No

    807828

    Ai-based visual odometry implementation on an embedded system

    Yapay zeka tabanlı görsel odometrinin gömülü bir sistemde gerçeklemesi

    OĞUZHAN BÜYÜKSOLAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ECE OLCAY GÜNEŞ

  3. Tez No

    921997

    Estimation of position and orientation with visual odometry for ground vehicles

    Kara araçları için görsel odometri yöntemi ile pozisyon ve duruş tahmini

    BURAK ALİ ARSLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN

  4. Tez No

    557855

    Alternative navigation methods: Fusion of optical flow and visual-inertial pose estimation using EKF

    Alternatif navigasyon metotları: EKF kullanılarak, poz tahmini için optik akışı ile görsel ataletliyi füzyon etmektedir

    ABDEL SALAM BAWARSHI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE KOYUNCU

  5. Tez No

    513347

    Geoid modeling by the least squares modified hotine formula using voronoi cell structures

    Voronoi hücre yapıları aracılığıyla hotine integralinin en küçük kareler modifikasyonu ile geoit belirleme

    FATIMA FEYZA SAKİL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. SERDAR EROL

Geri Dön