Düşük Maliyetli Bir Düzlemsel Yakın Alan Anten Ölçüm Sisteminin Tasarlanması ve Gerçeklenmesi Yavuz Öztürk1,2, Fatih Üstüner1 yavuz.ozturk@uekae.tubitak.gov.tr, fatih.ustuner@uekae.tubitak.gov.tr, 1 TÜBİTAK UEKAE Gebze/Kocaeli 2 Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fizik Bölümü, Gebze/Kocaeli Özet: Anten karakterizasyonunda ışıma örüntüsünün tayini önemli yer tutar. Işıma örüntüsü bir uzak alan parametresidir ve ölçümünün dalga katarlarının eşfazda ilerlediği mesafede gerçekleştirilmesi gerekir. Bu mesafe eşyönlü antenler için laboratuar ortamında elde edilebilir olmakla beraber yüksek kazançlı yönlü antenlerde elde edilebilir olmaktan giderek uzaklaşmaktadır. Laboratuar ortamında bu tür bir yüksek kazançlı antenin ancak yakın alanında ölçüm gerçekleştirilebilir. Diğer taraftan, yakın alan ölçüm sistemlerinin tasarım ve gerçeklenmesi, uzak alan ölçüm sistemlerine kıyasla daha fazla mühendislik gerektirdiğinden maliyetleri oldukça yüksektir. Düşük maliyetli, idame ettirilebilir ve yerli bir sistemin elde edilmesine yönelik olarak, TÜBİTAK UEKAE Elektromanyetik Uyumluluk (EMC) bölümünde bir mühendislik çalışması yürütülmüş ve bir düzlemsel yakın alan ölçüm sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen sistemle ölçümü gerçekleştirilen bir radyolink anteninin yakın alan ölçüm sonuçları ve hesaplanan uzak alan sonuçları verilmiştir. 1. Giriş Işıma örüntüsü ve anten kazancı gibi pekçok anten parametresinin ölçümü, anten ışımasının kararlı hale geldiği uzak alanda - yani kaynağın Franhaufer bölgesinde - anlamlı hale gelmektedir. Çünkü bu bölgede dalga katarları eşfaza kavuşmakta, diğer bir deyişle dalga ilerleme yönü dalga katarlarına dik duruma gelmektedir [1]. Oysa yüksek kazançlı yönlü antenler için, uzak alan mesafesi laboratuar ortamında elde edilebilir olmaktan çıkmaktadır. Örneğin, 10 GHz’de yayın yapan 38 dB’lik kazanca sahip 1 metre çapında bir reflektör antenin uzak alan mesafesi, klasik 2 / denkleminden hareketle, 67 metredir. Klasik yöntemlerle bu türden yüksek kazançlı bir antenin ölçümünün gerçekleştirilmesi için, büyük boyutlara sahip açık saha test alanları (ASTA) gerekmektedir. Bu tip bir altyapının oluşturulması oldukça külfetli olduğu gibi pekçok dezavantajları da beraberinde getirmektedir. Özellikle açık saha test alanlarında olması muhtemel, yerden veya çevredeki diğer unsurlardan yansımalar ölçümün sağlıklı gerçekleştirilmesine önemli bir engel teşkil etmektedir. Ayrıca, açık sahada yapılan ölçümler meteorolojik şartlara doğrudan bağlı olmakta ve hava muhalefeti nedeniyle ölçüm yapılabilecek zaman süresi kısıtlanmaktadır. Ayrıca yağmur, kar, don, rutubet gibi unsurların test altyapısında zaman içerisinde oluşturacakları tahribatın giderilmesi mecburiyeti de altyapının idamesini zorlaştırmaktadır. Açık saha testlerinin personel açısından da oldukça zahmetli olduğu bilinen bir husustur. Malzeme/personelin nakli ve ölçüm düzeneğinin kurulumu test süresini belirleyen aslî unsurlar haline gelmektedir. Yakın alan ölçümü, yönlü antenlerin laboratuar ortamında ölçülebilmesini mümkün kılmaktadır. Yakın alan ölçüm teknikleri hassas mekanik altyapıya ve yakın alan ölçüm verisinin uzak alan verisine çevrilmesi için matematiksel dönüşüme ihtiyaç duyarlar. Bununla birlikte ölçüm mesafesini, ölçüm yapılan frekans dalgaboyunun birkaç katı mertebesine düşürürler. Ölçümlerde sağladığı hassasiyet ve tekrarlanabilirlik, testlerin hızlıca gerçekleştirilebilmesi ile sağladığı zaman tasarrufu, personel ihtiyacını minimize etmesi, personel intikali ve araç-gereç nakli gibi zorlukları ortadan kaldırması, kapalı ortamda testlerin kesintisiz ve güvenli olarak yürütülebilmesi gibi avantajlarından dolayı yakın alan ölçümü, açık saha testlerine tercih edilebilmektedir[2]. Diğer taraftan, yakın alan ölçüm sistemlerinin tasarım ve gerçeklenmesi, uzak alan ölçüm sistemlerine oranla daha fazla mühendislik gerektirdiğinden anahtar teslim sistemler oldukça yüksek konumda fiyatlandırılmaktadır. Düşük maliyetli, idame ettirilebilir ve yerli bir sistemin elde edilmesine yönelik olarak, TÜBİTAK UEKAE Elektromanyetik Uyumluluk (EMC) bölümünde bir mühendislik çalışması yürütülmüş ve bir düzlemsel yakın alan ölçüm sistemi geliştirilmiştir (Şekil 1a). Sistemin mekanik altyapısını oluşturan X-Y tarayıcı, genel amaçlı doğrusal hareketli mekanik elemanlar kullanılarak tasarlanmıştır. Ölçüm probu olarak açık uçlu dikdörtgen kesitli dalgakılavuzu kullanılmış, probun iki farklı polarizasyona dönmesini sağlayacak hassas döner motor da sisteme eklenmiştir. Standart dalga kılavuzu frekans aralıkları baz alınarak, farklı frekans bantlarında ölçüm yapılmasına olanak sağlayacak şekilde probların tasarımı gerçekleştirilmiştir. 2 m x 2 m boyutlarında bir kare X-Y düzleminde her iki yönde ve her iki polarizasyonda her yarım dalgaboyu mesafede (λ/2) bir ölçüm alınması gerektiğinden; motorlar, kontrol birimleri ve bilgisayardan oluşan bir otomasyon altyapısı geliştirilmiştir. X-Y tarayıcının tarama esnasında Z yönünde sebep olduğu istemsiz hareketlerin ölçümü boyutsal metrolojik araçlar kullanılarak TÜBİTAK UME tarafından gerçekleştirilmiştir. Yapılan düzlemsellik ölçümlerinde, 2 x 2 m’lik ölçüm düzleminde Z-yönünde gerçekleşen hatanın ±1.0 mm ile sınırlı kaldığı görülmüştür. Yakın alan ölçümleri için vektör network analizör kullanılmış, network analizörün mekanik tarayıcı ile eşgüdümü ve ölçüm süresinin kısaltılması için gerekli çalışmalar yapılmıştır. Yakın alan verisinin toplanması için, test anteni/probu olarak kullanılan açık uçlu dalga kılavuzu ile ışıma örüntüsü - ölçülen antenin arasındaki araya giriş kaybının (S21 parametresi) genlik ve faz verileri - X-Y düzleminde her yarım dalgaboyu (λ/2) mesafede kaydedilmiştir. Toplanan veriler 2-boyutlu Fourier dönüşümünden geçirilerek uzak alan verileri elde edilmiştir. Test anteni/probunun ışıma örüntüsünün ölçüme etkisinin giderilmesine yönelik uzak alan verileri üzerinde prob telafisi gerçekleştirilmiştir (Şekil 1b). (a) (b) Şekil 1 (a) Yakın Alan Ölçüm Sistemi, (b) Yakın Alan – Uzak Alan Dönüşüm Algoritması 2. Yakın Alan Ölçüm Teorisi İçerisinde kaynak olmayan, lineer, homojen, izotropik bir ortamda elektrik ve manyetik alanlar için Helmholtz dalga denklemlerini sırasıyla aşağıdaki gibi yazabiliriz: + = 0, + =0 (1) Burada k dalga sayısı olarak bilinir ve bir vektörel büyüklük olup harmonik dalganın propagasyon yönünü verir. k sabit olduğundan k’yı oluşturan komponentlerden kz, diğer komponentler kx ve ky cinsinden yazılabilir. = + + ∙ , = = + + = = (2) (3) Herhangi bir monokromatik dalga aynı frekansa sahip değişik yönlere yayılan farklı genlikli düzlem dalgaların bir ∞ ∞ ∙ süperpozisyonu olarak tanımlanabilir: = , , buradan hareketle E’nin üç bileşeni ∫ ∫ aşağıdaki şekilde yazılabilir: , , ( , , )= ∫ ∞ ∫ ∞ ( , , , ) (4) Herhangi bir kx, ky ve kz için sadece A(k)’nın iki bileşeni bağımsız seçilebilir, dolayısıyla yukarıda üç denklemle verilen yapıyı z = zo mesafede yer alan bir xy düzleminde aşağıdaki gibi ifade edebiliriz: , ( , , = ∞ )= ∞ ∫ ∞∫ ∞ ( , , ) (5) Bu denklemler aslında 2-boyutlu Fourier dönüşümleridir. Yönlü antenlerde elektrik alan antenin çevresindeki belirli bir yüzeyde yoğun olduğundan dolayı Fourier dönüşümünün alınacağı sınırlar daha belirgin hale getirebilir: , , ≈ ( ) ∫ / / ∫ / / , ( , , = ) ( ) (6) Düzlem dalga açılımının amacı süperpozisyonu oluşturan düzlem dalgaların yayılma yönlerini ve genliklerini belirlemektir. z = zo düzlemi üzerinde ölçülen elektrik alanın teğet bileşenleri bize bu imkânı sağlamaktadır. Genlik fonksiyonu A, elektrik alanın dalga sayısı spektrumu veya düzlem dalga spektrumu olarak adlandırılır. Sonlu sınırlar içerisindeki integralin doğru sonuç vermesi ölçümü yapılan antenin yönlenmiş bir anten olmasına ve arka ve yan lob seviyesinin yeterince düşük olmasına bağlıdır. Burada uzaysal domen ( − domeni) ile açısal domen ( − domen) arasındaki geçiş = sin cos , = sin sin , = cos bağıntıları üzerinden yapılır. Buradan hareketle antenin uzak alan örüntüsü düzlem dalga spektrum fonksiyonu A cinsinden aşağıdaki gibi hesaplanır: Burada = sin + ⁄ ( , , )≈ ( ( , , )≈ cos (− ve = tan ⁄ cos + sin sin ) + (7) cos ) (8) olmaktadır[2][3]. Düzlemsel tarama tekniğinde bir prob anten, test edilen antenin önünde bir düzlem üzerinde hareket ettirilerek antenden yayılan işaret genlik ve faz olarak kaydedilir (Şekil 1b). Probun uzaydaki pozisyonu x, y, zo koordinatları ile test altındaki antene kıyasla verilir. Tarama esnasında zo sabit tutulurken x ve y koordinatları değiştirilerek tüm yüzeyin taraması gerçekleştirilir. Anten prob mesafesi (zo) için ölçüm yapılan dalgaboyunun 3 ila 10 katı bir değer seçilir (3λ-10λ). 3 katın altına test altındaki antenin reaktif enerji bölgesine girmemek için inilmez. 10 katın üstündeyse tarama alanı gereksiz yere daraltılmış olur. Ölçümlerin alındığı noktalar ölçüm yapılan x-y düzlemi üzerinde Δx ve Δy aralıklı bir dikdörtgen ızgara oluştururlar. Nyquist örnekleme kriterini sağlamak için düzlem üzerinde ölçüm alınan noktalar arasındaki uzaklığın en fazla ∆ = ∆ = λ/2 kadar olması gerekmektedir. Örnekleme aralığının bundan daha küçük olmasının mahsuru olmamakla birlikte bunun uzak alandaki çözünürlüğün artırılmasına da katkısı yoktur. Uzak alandaki çözünürlüğün artırılması, yakın alan verisinin dış kenarlarına suni sıfırlar eklenmesiyle olur. Böylece örnekleme aralığı azaltılmaksızın örnekleme noktası sayısı arttırılmış olur. Örnekleme aralığı sabit kaldığından, dalga sayısı limitleri de sabit kalır. İlave gelen dalga sayısı spektrum noktalarının hepsi orijinal dalga sayısı limitleri içindedir ve hesaplanan uzak alan örüntüsünün çözünürlüğünü arttırır[3]. Uzak alan seviyesinin hesaplanabilmesi için, yakın alanın hem yatay hem de dikey yönde bileşenlerinin ölçülmesi gerekmektedir. Ölçümlerde almaç olarak kullanılan açık uclu dikdörtgen dalga kılavuzu, yalnızca tek polarizasyonda ölçüm alabilmektedir. Her iki polarizasyonun da ölçülebilmesi için sisteme probu 90 derece hassas bir şekilde döndürecek bir üçüncü motor eklenmiştir. Böylece her ölçüm için bütün yüzey birbirine dik iki polarizasyon (x- y) için olmak üzere, toplamda iki kez taranmış olur. Tarama alanının genişliği, düzlem merkezine uzak bölgelerde alınan işaretler en yüksek işaretin 45 dB altında kalacak şekilde ayarlanmalıdır. Bu alanın ölçüm sonuçlarına zarar vermeyecek şekilde küçük tutulması zamandan tasarruf sağlamaktadır. Ölçülen yakın alan verisi 2boyutlu Fourier dönüşümü kullanılarak k-uzayındaki düzlem dalga spektrumuna dönüştürülür. Test edilen antenin düzlem dalga spektrumu probun açısal cevabı nedeniyle bozulmaya uğrar. Bu bozulmanın giderilmesi için test edilen antene ait düzlem dalga spektrumu probun düzlem dalga spektrumuna oranlanır (bölünür). Bu işlem prob düzeltmesi olarak bilinir. Düzeltilmiş düzlem dalga − domeninden açısal domene çevrim denklemleri kullanılarak (Denklem 7-8) uzak alan örüntüsü bulunur[3]. 3. Ölçüm Sonuçları TÜBİTAK UEKAE EMC Laboratuarında gerçekleştirilen sistem kullanılarak bir radyolink anteninin ölçümü 8 GHz merkez frekansında gerçekleştirilmiştir. Yakın alan ölçüm sonuçları Şekil 2’de verilmiştir. Uzak alan dönüşümü gerçekleştirildikten sonra − domeninde elde edilen uzak alan sonucu ise Şekil 3’te verilmiştir. Şekil 2, Yakın Alan Ölçüm Sonucu Şekil 3, Uzak Alan Sonucu Daha sonra ana düzlemlerde (H ve E düzlemleri) antenin uzak alan örüntüsü hesaplanmıştır. Radyolink anteninin yakın alan ölçümüyle elde edilen ve hesaplanan ışıma örüntüsünün, antenin üreticisi firma tarafından verilen örüntü zarfı ile örtüştüğü gözlenmiştir (Şekil 4). Şekil 4, Ölçüm sonuçlarının üretici firma verileriyle karşılaştırılması (sol:H-düzlemi , sağ:E-düzlemi). 4. Sonuç Düşük maliyetli ve idame ettirilebilir bir sistemin elde edilmesine yönelik olarak, TÜBİTAK UEKAE Elektromanyetik Uyumluluk (EMC) bölümünde bir mühendislik çalışması yapılmış ve bir düzlemsel yakın alan ölçüm sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen sistem temel olarak hassas doğrusal harekete sahip bir mekanik altyapıdan ve ölçüm verisini almaya ve işlemeye yönelik bir otomasyon/sinyal işleme yazılımından oluşmaktadır. Sistemin düşük maliyetli gerçekleştirilmesinde en büyük katkı, mekanik altyapının endüstride yaygın olarak kullanılan doğrusal hareket elemanlarının kullanılarak gerçekleştirilmesi ve yakın alan ölçüm teorisinin doğrudan pratiğe aktarılması ile ortaya çıkmıştır. Bu şekilde anahtar teslim muadili sistemlere kıyasla maliyet onda birine düşürülmüştür. TÜBİTAK UEKAE EMC laboratuarı olarak daha büyük boyutlarda ve daha yüksek frekanslarda (< 40 GHz) ölçüm yapabilecek bir sistem üzerinde çalışmalarımız devam etmektedir. Kaynaklar [1]. Y. Rahmat-Samii, L.I. Williams ve R.G. Yoccarino, “The UCLA Bi-polar Planar-Near-Field Antenna Measurement and Diagnostics Range”, IEEE Antennas & Propagation Magazine, Vol. 37, No. 6, Aralık 1995. [2]. Yaghjian, A.D.: “An Overview of Near-Field Antenna Measurements”, IEEE Transactions on Antenna and Propagation Vol. AP-34, 1 Ocak 1986. [3] S. Gregson, J. McCormick ve C. Parini, “Principles of Planar Near-Field Antenna Measurements”, IET Electromagnetic Waves Series 53. Teşekkür Destek ve yardımlarından ötürü TÜBİTAK UME Boyutsal Laboratuarı çalışanlarına, hususiyle Okhan Ganioğlu ve Orhan Yaman beylere en içten teşekkürlerimizi sunarız.
© Copyright 2024 Paperzz
