GPS VE GLONASS uygulamaları için RF alıcı ön kat tasarımı

GNSS (Global Navigation Satellite System) küresel konumlandırma sistemlerine verilen ortak isimdir. Amerika Birleşik Devletleri'nin sistemi olan GPS (Global Positioning System), Rusya Federasyonu'nun sistemi olan GLONASS (Global Navigation Satellite System) ve Avrupa Birliği'nin geliştirdiği sistem olan GALILEO birer GNSS sistemidir. Bu küresel konumlandırma sistemlerinden GPS ve GLONASS daha eski ve daha yaygın olarak kullanılan konumlandırma sistemlerindendir. Günümüzde birçok ülke, askeri ve milli çıkarları için kendi sistemlerini geliştirme çabasındadır. Çin, bu çıkarlar doğrultusunda kendi sistemi olan BeiDou sistemini işletime almıştır ve ek uydularını geliştirme aşamasındadır. Benzer şekilde Hindistan, IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) sistemini başlatmıştır ve geliştirme aşamasındadır. Bunun en büyük amacı, olası bir ihtiyaç halinde kontrolleri kendi ellerinde olan milli bir konumlandırma sistemi ihtiyacıdır. Konumlandırma sistemlerinin her durumda çalışabilmesi, konum ve zaman doğruluğunun artırılması gibi sebeplerden dolayı günümüzdeki sistemlerde GPS ve GLONASS alıcıları birlikte bulunmaktadır. Tek bir sistemden alınan veri yerine özellikle askeri sistemlerde birden fazla ülkenin konum belirleme sisteminin verisini kullanabilecek alıcılar giderek yaygınlaşmaktadır. Bu gereksinim, farklı konumlandırma sistemleri ile uyumlu şekilde çalışan alıcı yapılarının geliştirilmesi ihtiyacı doğurmuştur. Radyo frekans elektroniği devreleri yapısı gereği tasarım, üretim, montaj ve test yöntemlerine kadar her aşaması tecrübe ve dikkat gerektiren devrelerdir. Bu sebeple her tasarım aşaması titizlikle yürütülmüştür. Devre elemanı olarak kullanılacak aktif ve pasif elemanlar titizlikle araştırılmıştır. Elde edilen veriler bilgisayar destekli radyo frekans benzetim ortamına aktarılmış ve gerekli benzetimler yapılarak devre elemanları incelenmiştir. Benzetimlerde hesaplamalarda kullanılan ideal devre elemanları yerine, sistemde kullanılması planlanan elektronik devre elemanlarının özellikleri kullanılmıştır. Böylece daha doğru ve kesin sonuçların alınması sağlanmıştır. Diğer radyo vericilerin yeteri kadar bastırılamayan bant dışı intermodülasyon ürünlerinin tasarlanan alıcı ön katın bandı içine düşmesi, çok düşük güçteki konumlandırma işaretlerinin gücünden fazla olabilir ve alıcı katındaki aktif devrelerin çalışmasını doğrudan etkileyebilir. Alıcı sistemleri bu etkilerden korunmak için sistem girişinde küçük boyutu ve kullanım kolaylığı sebebiyle yüksek seçici ve düşük kayıplı YAD (Yüzey Akustik Dalga) süzgeçler sıklıkla kullanılır. Girişte kullanılan bu süzgecin araya girme kaybı, sistemin toplam gürültü sayısı üzerinde doğrudan etkilidir. Bu sebeple alıcı başarımını düşük gürültülü kuvvetlendiriciden (LNA) sonra doğrudan etkileyen kilit elemanlardan biridir. Sistemde kullanılan düşük gürültülü kuvvetlendiricinin performansı, alıcının performansını doğrudan etkilemektedir ve sistemin en kritik elemanı LNA elemanıdır. Çalışma kapsamında günümüzde kullanılmakta olan GPS ve GLONASS sistemlerinin her ikisi ile de uyumlu, GPS ve GLONASS bandı seçiciliği yüksek, hem aktif hem de pasif anten ile çalışabilecek RF alıcı ön kat tasarımları (iki farklı sistem) yapılmış ve devreler gerçekleştirilmiştir. Sistem çıkışında GPS bandı ve GLONASS bandı yüksek bastırmalı bant ayırıcı yapısı ile ayrılmaktadır. İlk yapı olarak tasarlanan ön kat devresi (Sistem-1) tasarımında dışarıdan gelebilecek ve bozucu etkiye sebep olabilecek diğer radyo işaretlerinin yalıtılarak devrenin başarımının arttırılması hedeflenmiştir. Bu nedenle devrenin işaret girişinde keskin karakteristiğe sahip düşük kayıplı bir süzgeç kullanılmıştır. Girişte süzgeç kullanılması toplam gürültü sayısını arttırsa da istenmeyen işaretleri bastırdığı için devre açısından önemlidir. İkinci yapı olarak tasarlanan ön kat devresi (Sistem-2) tasarımının temel farkı işaret girişinde yüksek seçiciliğe sahip bir süzgeç kullanılmaması sonucu ilk sisteme göre daha düşük gürültü sayısına sahip olmasıdır. Çok düşük gürültüye sahip kuvvetlendiriciler ile alıcının dinamik aralığı arttırılabilmektedir. Ancak YAD süzgeçlerin kayıplarının çok düşük olmaması sistemin toplam gürültü sayısının yükselmesine sebep olmaktadır. Bu durum Sistem-2'nin Sistem-1'e göre dışarıdan gelebilecek bozucu etkilere daha açık olmasına sebep olsa da daha düşük toplam gürültü sayısı vermesi sebebiyle algılanabilecek işaret gücü seviyesini düşürerek alıcı dinamik aralığını arttırmaktadır. Bozucu işaretlerin zayıf olduğu ortamlarda veya fiziksel tasarımdan dolayı bant seçici özelliğe sahip Sistem-2 kullanıma uygun yapıdadır. Sistemlerde kullanılmak üzere seçilen bütün devre elemanları sistemin amacına uygun olacak şekilde seçilmiştir. Devre elemanlarının seçilmesinde elektriksel özelliklerin yanında çalışma sıcaklığı, temin kolaylığı ve maliyet gibi konulara da dikkat edilmiştir. İlk olarak devre elemanlarının elektriksel özellikleri bilgisayar destekli tasarım ortamına aktarılmış, sistem seviyesindeki tasarımların ardından istenilen değerleri sağlayacak şekilde bütün alt sistem bileşeni olan devreler tek tek tasarlanmıştır. Sistem benzetimleri ve devre tasarımları "NI AWR Microwave Office" ve "NI AWR Visual System Simulation" araçları ile yapılmıştır. Tasarımları tamamlanan devrelerin serimleri hazırlanmış ve üretilmiştir. Devre kartı olarak RF4 tercih edilmiştir. Devreleri dış ortamdan yalıtmak için alüminyum kutu tasarımı yapılmıştır Montajlanan devrelerin ölçümleri yapılmış ve tasarım hedeflerinin sağlandığı görülmüştür. Bu tez çalışması NETAŞ firmasının teknik istekleri göz önünde tutularak T.C. Bilim, Sanay ve Teknoloji Bakanlığı tarafından 0781.STZ.2014 numaralı SANTEZ projesi olarak desteklenmiştir.