Design and realization of Ku-band microstrip patch antenna with LNA for small satellites

Uzay teknolojileri yarışı, resmi anlamda Sovyetler Birliğinin, Sputnik'i 4 Ekim 1957'de yörüngeye oturtmaları ile ivme kazanmıştır. 58 cm çapındaki küreye benzeyen yapısıyla, ilk telsiz işareti dünyaya ulaştığında insalık için de önemli ve yeni bir alan doğuyordu. Uydu teknolojileri, birçok mühendislik alanının uyumlu ve başarılı bir şekilde çalışmasının ürünüdür. İnsan yapımı uydular günümüzde çok çeşitli amaçlar için kullanılmaktadır. Hava tahmin uyduları, iletişim uyduları, radyo-tv yayını uyduları, bilimsel gözlem uyduları ve askeri gözlem uyduları gibi. Uydunun görevi ne olursa olsun, bütün uydular için vazgeçilmez en önemli özellik, uydunun haberleşme birimidir. Veri alınamayan ya da komut gönderilemeyen bir uydu kaybedilmiş sayılır ve uzay çöpünün bir parçası olur. Uydu teknolojileri denince akla genelde büyük haberleşme uyduları gelse de, günümüzde giderek kullanımı artan uydular, kütle ve hacim olarak daha küçük uydulardır. Alt yörüngeye konumlandırılan ve bu bölgede görev alan ve 500kg den hafif olan küçük uydular, üretim maliyeti ve düşük işletme gideri gibi özelliklerinden dolayı tercih edilmektedir. Gelişen elektronik ve malzeme bilimi sayesinde, küçük uyduların yetenekleri de artmıştır. Daha küçük alana daha fazla ve daha verimli elektronik donanımların yerleştirilmesiyle, daha fazla veri toplama imkanı da doğmuştur. Toplanan bu verilerin dünyaya aktarılması da küçük uyduların görevlerinin önemli bir parçasıdır. Alçak yörüngede konumlandırılmaları sebebiyle küçük uyduların hızları oldukça yüksektir (5-10 km/saniye). Yüksek hız sebebiyle, dünya üzerinde sabit durumda bulunan yer istasyonları için haberleşme penceresi çok dar olmaktadır. Artan veri aktarımı ihtiyacı, bu kısıtlı geçiş zamanı içerisinde çoğu zaman yeterli olmamaktadır. Bu nedenle yer istasyonu sayısı arttırılmakta, ya da birkaç geçişte verinin tamamı alınabilmektedir. Örneğin yüksek çözünürlüklü fotoğraflar, sensör verileri, pozisyon bilgisi kayıtları gibi. Bu nedenle küçük uydularda da geniş bantlı haberleşme sistemlerine olan ihtiyaç artmaya başlamıştır. Geniş bantlı haberleşmeye uygun yer istasyonlarının da küçük uydulara uyarlanmasıyla birlikte küçük uydularda kullanılabilecek sistem tasarımları önemli bir araştırma alanı haline gelmiştir. Küçük uydulardaki yüksek hızlı haberleşme için, yüksek verimli, küçük boyutlu, uzay şartlarına dayanıklı devre ve sistemler gereklidir. Uydu dışına yerleştirilebilecek şekilde uygun geometriye sahip, yüksek kazançlı anten de haberleşme sisteminin önemli bir parçasıdır. Bu tez çalışmasında, yüksek hızda iletişimi sağlayabilmek için Ku bandında çalışacak bir anten ve bu antene yakın bir şekilde konumlandırılacak bir düşük gürültülü kuvvetlendirici tasarımı hedeflenmiştir. Sınırlı bant genişliği problemini aşabilmek için, uydu haberleşme sistemlerinde dizi anten sürecinin uygulanması son zamanlarda önerilmiştir. Kanallı parça dizi antenleri kapsamlı olarak anten sistemlerinin çoğunda kullanılmaktadır. Bunun nedeni ise; kullanışlı bir bant genişliği, uygun bir polarizasyon, düşük maliyet, sadelik, kolay üretim ve kalitedir. Bahsedilen ihtiyaçların doğrultusunda,bu tip antenler Ku-Band için elverişli çözümler sunabilir. Mikrodalga ve kablosuz haberleşme RF ön uç alıcılarında, sistemin toplam gürültüsü sayısını belirleyen en önemli bileşen, sistem girişindeki ilk devredir. Bu nedenle, bu yapının kazançlı ve mümkün olduğunca düşük gürültülü olması istenir. Yüksek hızda haberleşebilen sistemlerde, düşük gürültülü kuvvetlendirici tasarımında, geniş bant boyunca kazancın yüksek olması, gürültünün düşük olması önemli bir ihtiyaç olmakla birlikte tasarımcıyı zorlayan en önemli şartlardır. Transistör kazancının frekans düştükçe azalması da, ilk katta yüksek kazanç elde etmenin önündeki kısıtlardan birisidir. Bunun için birden fazla transistör içeren yapılar kullanılmakta, ancak bu da güç tüketimini ve devre boyutunu arttırmaktadır. Bu yüksek lisans tez çalışmasında küçük uyduların yüksek hızda haberleşebilmesine imkan sağlayacak ve Ku bantta çalışacak 3 yarıklı ve topraklanmış metal tabanlı bir anten yapılı anten dizisi ve geniş bantlı düşük gürültülü kuvvetlendirici tasarımı ve gerçeklemesi sunulmuştur. Tez 4 ana başlıkta incelenmiştir. İlk kısımda küçük uydularla ilgili kısa bir bilgi verilmiş, çeşitli uygulamalar sunulmuştur. 2. kısımda Ku bantta çalışan anten dizisinin teorik altyapısı anlatılmıştır. Anten dizisi tasarımından önce, ilk olarak tek anten tasarlanmıştır. Tek antenli yapı için 1.52mm kalınlığında Taconic TSM-30-0600-C1/C1 (εr=3) taban tercih edilmiştir. Tasarım için Ansoft HFSS bilgisayar destekli tasarım ve analiz yazılımı kullanılmıştır. Benzetim sonuçlarına göre, yansıma katsayısı dikkate alındığında (S11<-10dB) en yüksek kazanç için antenin ışıması doğrusal olup ters yöndeki ışıma miktarı ihmal edilebilecek seviyededir. Tasarlanan antenin benzetim sonucuna göre en yüksek kazancı 7dBi'dir. Tek antenli yapının tasarımının ardından dizi anten tasarımına geçilmiştir. Bunun için 2×2 şeklinde 4 antenli bir yapı tercih edilmiştir. 4 anten, uygun bir besleme yapısı ile birbirine bağlanmıştır. Anten dizisinin boyutu 16x18mm2 olup birleştirme yapısı 50 ve 100 Ω T birleştiriciler ile 0.76mm kalınlığındaki Taconic TSM taban üzerine, antenlerin baktığı yönün tersinde yer alacak şekilde yapılmıştır. Birleştirici ve anten dizisi uygun şekilde birleştirilerek dizi anten yapısı tek noktadan beslenebilir hale getirilmiştir. Tasarlanan antenin ölçülen çalışma aralığı (S11<-10dB) yaklaşık olarak 11.9-12.9 GHz'dir. Ölçülen tepe kazancı da 10.9 dBi'dir. 3. kısımda düşük gürültülü kuvvetlendirici sunulmuştur. Alt kısmı topraklanmış olarak tek yüzeye tasarlanan düşük gürültülü kuvvetlendirici antenin çalıştığı aralığı kapsayacak şekilde tasarlanmıştır. Tasarımda NI AWR Microwave Office kullanılmıştır. 0.76mm kalınlığındaki Rogers RO3003 taban (εr=3) kullanılmıştır. Tasarımda NEC firmasının N kanallı HJ-FET'i olan NE3511S02 kullanılmıştır. Üretici firma tarafından sağlanan S parametreleri ile tasarım yapılmıştır. Tasarlanan kuvvetlendiricinin ölçülen en yüksek kazancı 10.5dB olup çalışma bandı içindeki toplam gürültüsü de 1.5dB'den küçüktür.