canli yayin araÇlarina yÖnelik ku band geniŞ …web.firat.edu.tr/feeb/kitap/c12/123.pdfiçin,...

6
Fırat Üniversitesi-Elazığ CANLI YAYIN ARAÇLARINA YÖNELIK KU BAND GENIŞ BANDLI DÖNER EKLEM TASARIMI Salih Mehmed BOSTAN , 2 , Hamid TORPİ 1 1 Elektronik Haberleşme Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi [email protected] 2 PROFEN İletişim Teknolojileri ve Hizmetleri Sanayi TAŞ [email protected] ÖZET Uydu, radar gibi hareketli haberleşme uygulamalarında, yüksek güç iletimi katı dalga kılavuzları ile gerçekleştirildiği için, uydu takibi veya hedef tespiti gereken durumlarda dalga kılavuzlarının da dairesel hareket kabiliyeti gereklidir. Bu pratikte döner eklem (Rotary Joint) ile sağlanmaktadır. Burada esas tasarım konusu olan, canlı yayın araçlarına yönelik olarak koaksiyel dalga kılavuzu ile KU bantta kullanılan WR-75 dalga kılavuzu arasındaki empedans uyumunu sağlarken, dairesel hareketi de temin eden döner eklemi (rotary joint) gerçeklemektir. Tasarımda küçük yansımalar teoremi baz alınarak dalga kılavuzları arasında empedans uyumunu sağlamak için geniş bantlı uydurma tekniklerinden yararlanılmıştır. Bu çalışmanın ardından elde edilen ilk hesaplamalardan yararlanılarak, simulasyon programı koşturularak optimizasyon yapılmıştır. Optimizasyon için WASP.NET 7.1 yazılımı kullanılmıştur. Anahtar Kelimeler: Microwave,Rotary Joint,KU Band,SNG. 1. GİRİŞ Genel olarak mikrodalga ekipmanlarında işaret iletimi için iki çözüm bulunmaktadır. Birisi RF işaretin eş-eksenli kablo üzerinden taşınması, diğeri dalga kılavuzu ile RF işaretin kılavuzlanmasıdır. Yüksek güç iletimi ve düşük kayıp gerektiren uygulamalarda, RF işaretin taşınması için dalga kılavuzlarının kullanımı kaçınılmazdır. Dalga kılavuzları, İkinci Dünya Savaşı’ndan sonra artan mikrodalga çalışmalarının bir sonucu olarak kullanılmaya başlanmış, günümüzde hala önemini hem askeri alanda hem de ticari alanda korumaktadır Bu çalışmanın amacı, hareketli kısmın iki yakasında kalan TE 10 modunda çalışan WR-75 dalga kılavuzlarını hareketli kısımdaki koaksiyel dalga kılavuzu arasındaki empedans uyumunu geniş bantlı (Ku Band) olarak sağlarken 360̊ dairesel hareketi temin eden döner eklemi tasarlamaktır. Mikrodalga döner eklemler, taramalı anten yapılarında sabit sistemlerle hareketli sistemler arasında mikrodalga enerjisinin iletimini bozulmadan sağlamak için kullanılmaktadır. Pratik uygulamalarda birden fazla kanal iletebilen tipleri de vardır. Literatürde döner eklemlerin tasarımı ve geliştirilmesi [1-14] arasındaki çalışmalarda gösterilmiştir. Bunlardan [7], [8], [12], [13] ve [14]’de iki ve daha fazla kanallı bir yapı söz konusudur. [1]’de seri bağlı iki septum polarizör içeren tek kanallı döner eklem sunulmuştur. Bu döner eklem en kötü durumda 0.8 dB araya girme kaybı, - 18 dB geri dönüş kaybı ve -17 dB yalıtımı 35-41 GHz aralığında sağlamak üzere tasarlanmıştır. Bu çalışmada geçiş ve uydurma kısımları detaylı olarak incelenmemiştir. [2]’de 35 GHz’de çalışan döner eklem sunulmuştur. Bu çalışma rulmanlarla birbirine sıkıca bağlı iki eşdeğer mod dönüştürücü içermektedir. 8.5 GHz’lik bant genişliğinde gücün %97’sinin iletildiği ölçülmüştür. Bu döner eklem 210W tepe güçlerde (Darbe-boşluk oranı %18) çalışmaktadır. [2]’de tek kanallı döner eklemde tasarım detayı verilmemiştir. [3]’ün yazarları modunda çalışan dikdörtgen dalga kılavuzundan modunda çalışan dairesel dalga kılavuzuna dönüştürücü ihtiva eden U tipi tek kanallı bir döner eklemi anlatmaktadır. İki dalga kılavuzu arasında dik açılı E-düzlem birleşimi içermektedir. Bu çalışmada geniş bir bantta iyi bir geri dönüş kaybı ve araya girme kaybı performansı elde edilmiştir. [4]’de tek kanallı döner eklemde faz ayarı çıkıntılı dalga kılavuzu bölmeleriyle gerçekleştirilmiştir. [5]’te temassız döner eklemin choke kısmının tam dalga analizi verilmiştir. Durağan kısımla hareketli kısım arasındaki dönmeyi sağlamak için döner eklemin merkez kısmında uygun choke birleşimlerine ihtiyaç vardır. Aynı zamanda bu birleşimler hareketli ve durağan kısımlar arasında mekanik bir boşluk sağlamaktadır. Buna ilaveten bu boşluktan işaretin sızmasını engelleyecek şekilde elektriksel olarak kısa devre vazifesi sağlamaktadır. McNamara ve Hildbrand [5], döner eklemler için uygun olan farklı tipteki dalga kılavuzu modlarının tanımlanması, iç yüzey akımlarıyla yapılmıştır. [6]’da dikdörtgen dalga kılavuzundan modundaki dairesel dalga kılavuzu uyarılırken uydurma ve ayar için kapı tokmağı şeklindeki dönüştürücüler kullanılmasının basit bir deneysel prosedürü sunulmuştur. [9]’da da geniş bantlı koaksiyelden çıkıntılı dalga kılavuzuna geçiş sunulmuştur. [10]’da ise Smith ve Mongold tarafından yüksek güçlü tek kanallı dalga kılavuzu döner eklem tarif edilmiştir –ki burada dairesel dalga kılavuzun modunu oluşturmak için 1:16’lık güç bölücü kullanılmıştır. [11]’de eş-eksenli dalga kılavuzları için döner eklem sunulmuştur. Yalnız bu çalışma tasarım detayları hakkında ayrıntılı bilgi verilmemiştir. SAN- TEZ projesi olarak desteklenen bizim yaptığımız çalışmada ise tasarladığımız döner eklem tek kanallı olup KU Bandda (10.7 GHz - 14.5 GHz) en kötü durumda Geri Yansıma(Return Loss) < -23 dB ve Araya Girme Kaybı (Insertion Loss)< 0.2 dB hedeflenmiştir. Taşınabilecek maksimum güç olarak ise 500W talep edilmektedir.TE 10 modundan eş-eksenli dalga kılavuzuna geçiş [4) ve [9] anılan yapıya benzer şekilde yapılmıştır. Hedeflenen geri yansıma ve araya girme kayıpları [1] ve benzeri çalışmalarda elde edilen sonuçların ilerisindedir. Hedefler piyasada mevcut ticari ürünler gözönüne alınarak belirlenmiştir. Ortaya çıkacak ürün canlı yayın araçlarında (SNG) kullanılacaktır. 302

Upload: others

Post on 23-Sep-2020

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: CANLI YAYIN ARAÇLARINA YÖNELIK KU BAND GENIŞ …web.firat.edu.tr/feeb/kitap/C12/123.pdfiçin, uydu takibi veya hedef tespiti gereken durumlarda dalga kılavuzlarının da dairesel

Fırat Üniversitesi-Elazığ

CANLI YAYIN ARAÇLARINA YÖNELIK KU BAND GENI Ş BANDLI DÖNER EKLEM

TASARIMI

Salih Mehmed BOSTAN, 2, Hamid TORPİ1

1 Elektronik Haberleşme Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi

[email protected]

2 PROFEN İletişim Teknolojileri ve Hizmetleri Sanayi TAŞ

[email protected]

ÖZET

Uydu, radar gibi hareketli haberleşme uygulamalarında, yüksek güç iletimi katı dalga kılavuzları ile gerçekleştirildiği için, uydu takibi veya hedef tespiti gereken durumlarda dalga kılavuzlarının da dairesel hareket kabiliyeti gereklidir. Bu pratikte döner eklem (Rotary Joint) ile sağlanmaktadır. Burada esas tasarım konusu olan, canlı yayın araçlarına yönelik olarak koaksiyel dalga kılavuzu ile KU bantta kullanılan WR-75 dalga kılavuzu arasındaki empedans uyumunu sağlarken, dairesel hareketi de temin eden döner eklemi (rotary joint) gerçeklemektir. Tasarımda küçük yansımalar teoremi baz alınarak dalga kılavuzları arasında empedans uyumunu sağlamak için geniş bantlı uydurma tekniklerinden yararlanılmıştır. Bu çalışmanın ardından elde edilen ilk hesaplamalardan yararlanılarak, simulasyon programı koşturularak optimizasyon yapılmıştır. Optimizasyon için WASP.NET 7.1 yazılımı kullanılmıştur.

Anahtar Kelimeler: Microwave,Rotary Joint,KU Band,SNG.

1. GİRİŞ

Genel olarak mikrodalga ekipmanlarında işaret iletimi için

iki çözüm bulunmaktadır. Birisi RF işaretin eş-eksenli kablo üzerinden taşınması, diğeri dalga kılavuzu ile RF işaretin kılavuzlanmasıdır. Yüksek güç iletimi ve düşük kayıp gerektiren uygulamalarda, RF işaretin taşınması için dalga kılavuzlarının kullanımı kaçınılmazdır. Dalga kılavuzları, İkinci Dünya Savaşı’ndan sonra artan mikrodalga çalışmalarının bir sonucu olarak kullanılmaya başlanmış, günümüzde hala önemini hem askeri alanda hem de ticari alanda korumaktadır

Bu çalışmanın amacı, hareketli kısmın iki yakasında kalan TE10 modunda çalışan WR-75 dalga kılavuzlarını hareketli

kısımdaki koaksiyel dalga kılavuzu arasındaki empedans

uyumunu geniş bantlı (Ku Band) olarak sağlarken 360 dairesel

hareketi temin eden döner eklemi tasarlamaktır. Mikrodalga döner eklemler, taramalı anten yapılarında

sabit sistemlerle hareketli sistemler arasında mikrodalga enerjisinin iletimini bozulmadan sağlamak için kullanılmaktadır. Pratik uygulamalarda birden fazla kanal iletebilen tipleri de vardır. Literatürde döner eklemlerin tasarımı ve geliştirilmesi [1-14] arasındaki çalışmalarda gösterilmiştir. Bunlardan [7], [8], [12], [13] ve [14]’de iki ve daha fazla kanallı bir yapı söz konusudur. [1]’de seri bağlı iki septum polarizör içeren tek kanallı döner eklem sunulmuştur. Bu döner eklem en kötü durumda 0.8 dB araya girme kaybı, -18 dB geri dönüş kaybı ve -17 dB yalıtımı 35-41 GHz aralığında sağlamak üzere tasarlanmıştır. Bu çalışmada geçiş ve uydurma kısımları detaylı olarak incelenmemiştir. [2]’de

35 GHz’de çalışan döner eklem sunulmuştur. Bu çalışma rulmanlarla birbirine sıkıca bağlı iki eşdeğer mod dönüştürücü içermektedir. 8.5 GHz’lik bant genişliğinde gücün %97’sinin iletildiği ölçülmüştür. Bu döner eklem 210W tepe güçlerde (Darbe-boşluk oranı %18) çalışmaktadır. [2]’de tek kanallı döner eklemde tasarım detayı verilmemiştir. [3]’ün yazarları modunda çalışan dikdörtgen dalga kılavuzundan modunda çalışan dairesel dalga kılavuzuna dönüştürücü ihtiva eden U tipi tek kanallı bir döner eklemi anlatmaktadır. İki dalga kılavuzu arasında dik açılı E-düzlem birleşimi içermektedir. Bu çalışmada geniş bir bantta iyi bir geri dönüş kaybı ve araya girme kaybı performansı elde edilmiştir. [4]’de tek kanallı döner eklemde faz ayarı çıkıntılı dalga kılavuzu bölmeleriyle gerçekleştirilmi ştir. [5]’te temassız döner eklemin choke kısmının tam dalga analizi verilmiştir. Durağan kısımla hareketli kısım arasındaki dönmeyi sağlamak için döner eklemin merkez kısmında uygun choke birleşimlerine ihtiyaç vardır. Aynı zamanda bu birleşimler hareketli ve durağan kısımlar arasında mekanik bir boşluk sağlamaktadır. Buna ilaveten bu boşluktan işaretin sızmasını engelleyecek şekilde elektriksel olarak kısa devre vazifesi sağlamaktadır. McNamara ve Hildbrand [5], döner eklemler için uygun olan farklı tipteki dalga kılavuzu modlarının tanımlanması, iç yüzey akımlarıyla yapılmıştır. [6]’da dikdörtgen dalga kılavuzundan modundaki dairesel dalga kılavuzu uyarılırken uydurma ve ayar için kapı tokmağı şeklindeki dönüştürücüler kullanılmasının basit bir deneysel prosedürü sunulmuştur. [9]’da da geniş bantlı koaksiyelden çıkıntılı dalga kılavuzuna geçiş sunulmuştur. [10]’da ise Smith ve Mongold tarafından yüksek güçlü tek kanallı dalga kılavuzu döner eklem tarif edilmiştir –ki burada dairesel dalga kılavuzun modunu oluşturmak için 1:16’lık güç bölücü kullanılmıştır. [11]’de eş-eksenli dalga kılavuzları için döner eklem sunulmuştur. Yalnız bu çalışma tasarım detayları hakkında ayrıntılı bilgi verilmemiştir. SAN-TEZ projesi olarak desteklenen bizim yaptığımız çalışmada ise tasarladığımız döner eklem tek kanallı olup KU Bandda (10.7 GHz - 14.5 GHz) en kötü durumda Geri Yansıma(Return Loss) < -23 dB ve Araya Girme Kaybı (Insertion Loss)< 0.2 dB hedeflenmiştir. Taşınabilecek maksimum güç olarak ise 500W talep edilmektedir.TE10 modundan eş-eksenli dalga kılavuzuna geçiş [4) ve [9] anılan yapıya benzer şekilde yapılmıştır. Hedeflenen geri yansıma ve araya girme kayıpları [1] ve benzeri çalışmalarda elde edilen sonuçların ilerisindedir. Hedefler piyasada mevcut ticari ürünler gözönüne alınarak belirlenmiştir. Ortaya çıkacak ürün canlı yayın araçlarında (SNG) kullanılacaktır.

302

Page 2: CANLI YAYIN ARAÇLARINA YÖNELIK KU BAND GENIŞ …web.firat.edu.tr/feeb/kitap/C12/123.pdfiçin, uydu takibi veya hedef tespiti gereken durumlarda dalga kılavuzlarının da dairesel

Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011

2. DALGA KILAVUZU TEOR İSİ

TEM tipi dalgalar, konu ile ilgili olmadığı için TE ve TM

modundaki dalgaların yapısına kısaca değinilecektir. Zamana bağlı değişen Maxwell Denklemleri, fazör formda şöyle yazılabilir:

. .

Denklemlerin her iki tarafının rotasyoneli alınırsa,

kaynaksız bir ortamda fazör haldeki Maxwell denklemleri düzenlendiğinde 02. 02. Denklemleri elde edilir. .

(3) denklemi kullanılarak Helmholtz denklemi (4) elde edilir.

04

Bu denklemde Laplace operatöründen gelen z’e göre ikinci dereceden türev yerine -β2 geleceği bilgiside kullanıldığında ancak k2-β2=h2 değerleri için (eigen değerler) Helmholtz Denkleminin çözümü mevcut olup faz sabiti β’nın reel olması gerektiğinden hareketle dalga kılavuzlarının kesim özelliğine sahip olduğu ve ancak belli kesim frekanslarının üzerinde iletim yapabildiği sonucuna bizi getirir. Kesim frekansı en düşük olan mod (çözüm) dominant moddur.

WR 75 dalga kılavuzunda dominant mod TE10 modudur.TE (Transverse Electric) dalga modlarında ise, elektrik alanın yayılma doğrultusundaki bileşeninin olmadığı dalga modudur.

(1)’de bulunan diferansiyel denklemler, sınır koşulları altında değişkenlerin ayrıştırılması (Separation of Variables) metoduyla çözüldüğünde [16] TE modları için ve TM modları için ise Ez çözümleri bulunabilir.

Serbest uzaydaki Fazör formdaki Maxwell denklemlerine (1) sınır koşullarından elde edilen Ez veya Hz değerleri yazılır. Bu işlemler sonucunda Elektrik ve Manyetik alan için altışar adet kısmi türevli diferansiyel denklem çıkmaktadır. Kılavuzlanmış EM Dalganın davranışı bu diferansiyel denklemlerin çözülmesiyle elde edilir.[15],[16].Bunlardan hareketlede taşınabilecek güç ,dalga kılavuzunun dalga empedansı,kaybı ve kesim frekansı gibi kavramlar bulunur.

2.1 Dikdörtgensel Dalga Kılavuzları

TE modu için (Ez=0) dikdörtgen dalga kılavuzunun sınır koşularındaki çözümünde Hz aşağıdaki gibi elde edilir[15]

, !, " # cos '( cos )(!

*5

2. kısımda anlatıldığı yol izlendiğinde Kılavuzlanmış EM dalganın davranışı belirlenmiş olur. Şekil 1’de dikdörtgen dalga kılavuzunun geometrisi verilmiştir. İletken olan iç duvarlarda elektromanyetik dalga yansıyarak ilerlemekte ve süreksizliğin olmadığı durumlarda malzemenin iletkeni, yüzey

direnci gibi parametrelere bağlı olarak az bir kayıpla diğer kapıdan elde edilebilmektedir. Bir dikdörtgensel dalga kılavuzunun kesim frekansı şu denklemle hesaplanır:

(6)

Şekil 1: Dikdörtgensel Dalga Kılavuzunun Geometrisi

TE ve TM modları, 6’da m ve n’in alacağı değerlere göre belirlenir. Dominant modlar TE için m=1, n=0 olduğu, TM içinse m=1, n=1 olduğu durumdur(a>b iken).

İçi boş Dikdörtgen dalga kılavuzlarının TE modunda empedansı ise şu denklemle elde edilir:

(7)

(7)’deki denkleminden de görüleceği üzere, kesim frekansı ile çalışma frekansına bağlı olarak empedans değişmektedir. Dalga kılavuzunun yapısı değişeceği zaman, örneğin daireselden dikdörtgene geçişlerde veya farklı frekans bantlarına geçiş için empedans uydurma gereken durumlarda çeyrek dalga transformatörler, yumuşak geçişli hatlar gibi yapılar kullanılarak, ortaya çıkan süreksizlikler, minimum yansımayla giderilmeye çalışılır[17].

2.2 Çıkıntılı (Ridge) Dalga Kılavuzları

Çıkıntılı dalga kılavuzları, içi boş (hollow) dalga

kılavuzlarının içerisinde belirli süreksizlikler oluşturarak, yüksek dereceli modlarla dominant modlar arasında iyi bir ayrıştırma sağlamaktadır. Şekil 2’den de anlaşılacağı üzere, dalga kılavuzu içerisinde çıkıntı oluşturacak şekilde adımlar eklenir. Çıkıntılı dalga kılavuzlarının önemli özelliklerinden birisi, kendi empedans değerinin standart dikdörtgensel dalga kılavuzunun empedansı ile eş-eksenli dalga kılavuzunun empedans değeri arasında bir değerde empedansa sahip transmisyon hattı vazifesi görmesidir.[17]. Bu yapısı ile eş-eksenli (dalga kılavuzları ile dikdörtgensel dalga kılavuzları arasında geçiş hatları çıkıntılı dalga kılavuzları kullanılarak oluşturulur. Bu geçişlerde empedans uydurma, diğerlerinde olduğu gibi, çeyrek dalga transformatörlerle sağlanmaktadır. Çıkıntılı dalga kılavuzunda sonlu frekanstaki empedans değeri ile sonsuz frekanstaki empedans değeri arasında şöyle bir ilişki vardır[16]:

303

Page 3: CANLI YAYIN ARAÇLARINA YÖNELIK KU BAND GENIŞ …web.firat.edu.tr/feeb/kitap/C12/123.pdfiçin, uydu takibi veya hedef tespiti gereken durumlarda dalga kılavuzlarının da dairesel

Fırat Üniversitesi-Elazığ

, ,∞ .

/ 6 (8)

1- Dalga kılavuzunun dalga boyu 1- Boşlukta dalga boyu

Şekil 2: Çıkıntılı (Ridge) Dalga Kılavuzu Geometrisi

2.3 Eş-eksenli (Koaksiyel) Dalga Kılavuzları

Koaksiyel dalga kılavuzları, anten besleme sistemlerinde

sıklıkla kullanılan dalga kılavuzlarındandır. İçi boş dalga kılavuzlarından farklı olarak bu tip dalga kılavuzları TEM dalga modunu iletebilmektedir. TEM tipi dalgaların özelliğinden dolayı, frekansa bağımlılık yoktur. Dolayısıyla, koaksiyel hatlarda, boyut kısıtlaması frekansa bağımlı değildir. Tasarımın parametreleri burada güce bağlı olarak değişebilmektedir. Ancak eş-eksenli dalga kılavuzları aynı zamanda TE ve TM modunda da iletim yapabilirler. Bu özelliklerinden ötürü, anten besleme ağı içerisinde kullanılabilirler. TE ve TM modunda kesim frekansları TEM’den farklı olarak mevcuttur. Bu frekans değerleri a ve b arasındaki orana göre hesaplanır. Kesim frekansları ile ilgili tablolar [18]’te bulunan kaynaktan elde edilebilir. Eş-eksenli dalga kılavuzlarının empedansı yaklaşık olarak şu denklemle bulunabilir:

, 60ln

(9)

Güç taşıma kapasitesi ise TEM modu için; 4 2(5ln

(10)

olarak verilebilir.

Şekil 3: Dairesel Eş-eksenli Dalga Kılavuzu

3. RJ TASARIMINDA İZLENEN YÖNTEM

Döner Eklem tasarımında üç aşama önemlidir: • Dikdörtgensel dalga kılavuzunun empedansı • Döner Eklem’in taşıması beklenen maksimum güç

ve bu güce bağlı koaksiyel hattın iç ve dış yarıçap oranı

• Uygun bir geçiş için çıkıntılı dalga kılavuzunda çıkıntıların parametreleri ve empedans uydurma devre tasarımı

İlk olarak WR-75 dalga kılavuzunun dalga empedansı (7)’den hareketle bulunur. İkinci olarak dalga kılavuzunun enine kesitin ortasına denk gelecek şekilde eş-eksenli dalga kılavuzunun ana ekseni yerleştirilmi ştir. Koaksiyel dalga kılavuzuna dönüşümde iki kriter esas alınmıştır. Birincisi geniş bantlı uygulamalarda koaksiyel dalga kılavuzlarının empedansı;

,

.

/ 60 ln .

/(11)

denklemi ile bulunmaktadır. Şekil 4’te bir koaksiyel dalga kılavuzunun a ve b (yani iç ve dış yarıçap) oranına bağlı olarak empedans-frekans değişimi bulunmaktadır. TE10 modunda gelen işaret eş-eksenli dairesel dalga kılavuzunda moduna dönüşeceği için ilgili grafikte moduna göre olan çizim incelenmiştir. Döner eklemde geniş bant ihtiyacı olduğu için frekansa bağlı olarak değişen empedans tasarımı

zorlaştırmaktadır. Şekil 4’te görüldüğü üzere

0.5 olduğu

zaman dalga kılavuzunun empedansı hemen hemen değişmemektedir. Bu durum tasarımda geniş bantlı uygulamaların gerçekleştirilebilmesini sağlamaktadır. ZN değeri Şekil 6’den anlaşılabileceği gibi 50 Ω a sabitlenmiş Zo değeri ise WR-75 dalga kılavuzunun tasarım bandının ortasındaki dalga empedansı değeri baz alınarak belirlenmiştir. Arada kalan transmisyon hatlarının empedansları ise çıkıntılı dalga kılavuzları ile elde edilmeye çalışılmıştır. Bu grafikten yola çıkılarak Zo empedansın band boyunca sabit kalabilmesini sağlamak amacıyla a ve b oranları 0.5’e sabitlenmiştir. Bu sabitleme işleminin ardından yapılan bütün optimizasyon işlemlerinde bu oran optimizasyon parametrelerinden çıkarılmıştır.

304

Page 4: CANLI YAYIN ARAÇLARINA YÖNELIK KU BAND GENIŞ …web.firat.edu.tr/feeb/kitap/C12/123.pdfiçin, uydu takibi veya hedef tespiti gereken durumlarda dalga kılavuzlarının da dairesel

Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011

Şekil 4: [10]’da bulunan ve eş-eksenli dalga kılavuzunda a/b oranına göre TE11 modunda frekansa göre empedans

değişimini gösteren grafik. Tasarımda aynı zamanda koaksiyel dalga kılavuzunda elektriksel çöküme (electrical breakdown voltage) sebep olabilecek a ve b arasındaki mesafe dikkate alınmıştır. Bu hesaplama ise ;

4 44||√89) .

/ (12) denklemi ile gerçekleştirilmi ştir. , elektriksel çöküme sebebiyet verecek maksimum alan şiddetidir ki bu kuru hava için 3 10V/m’dir.

Şekil 5: L tipi Rotary Joint İşte tasarımın en önemli kısmı dikdörtgen dalga kılavuzundan (WR-75) dairesel dalga kılavuzunu geniş bandda yansıma kaybını (RL) minimize edecek şekilde geçiş elemanının girintili dalga kılavuzlarından yararlanılarak tasarlamaktır. Bu bir geniş bandlı empedans uydurma problemidir. Böyle bir problem olabilmesi içinde Ku bandı boyunca dairesel dalga kılavuzunun empedansının sabit olabilmesi işimizi kolaylaştıracaktır. Küçük yansımalar teorisinden[16]: Birbiri ardı sıra gelen transmisyon hatlarının (Bakınız Şekil 6:) empedansı çok az değiştiği için ara katmanlardaki yansımalar katman sayısı

Şekil 6: Çok katmanlı çeyrek dalga dönüştürücü yapısı arttıkça iyiden iyiye küçülür. Küçük yansımalar teorisi adını burdan alır. Bu yapının girişinden görülen yansıma katsayısı yaklaşık olarak (13) denklemindeki gibi verilebilir. Arayüzlerdeki yansıma katsayıları binom yada chebyshev polinomlarına uygun olarak seçilirse çok katmanlı dönüştürücünün yansıma katsayısı istenilen fonksiyona uygun olarak değişir(13).Yansıma katsayıları da belirlendikten sonra transmisyon hatlarının dalga empedansları (14)’den bulunur.

Г eθ

Г Г ГГ ⋯ Г

(13) Γ0=(Z1-Z0)/(Z1-Z0); Γn=(Zn+1-Zn)/(Zn+1+Zn); ΓN=(ZL-ZN)/( ZL+ZN) ; (14) Her bir çeyrek dalga boyu(veya tek katları) transmisyon hatları arasındaki yansıma katsayıları Γ0-ΓN değerleri chebyshev polinomlarına uyumlu şeçilmek suretiyle Z0-ZN değerleri belirlenerek başlangıç girinti boyutları belirlenmiştir. [20] Sonuç olarak tasarım kısıtlaması olan standart parametreler tanımlanmıştır. Port boyutları WR-75 standartlarına göre ayarlanmıştır. İkinci aşamada girintilerin boyutları belirlenmiştir. Girintilerin uzunlukları 12.42 GHz’e göre 1/4 olacak şekilde ayarlanmıştır. Girintilerin yükseklikleri ise Bölüm 2’de verilen empedans hesaplama denklemleri ve yukarıda anılan küçük yansımalar teorisine uygun olarak [17] belirlenmiştir.

Şekil 7: Girintili dalga kılavuzuna geçiş (Yayılma doğrultusu boyunca alınan kesit)

Bu bilgilerden yararlanılarak, Şekil 7 ve 8’de görülen çizim yapılmış ve WASP-NET [19] üzerinde simulasyon ve optimizasyon yapılmıştır.

305

Page 5: CANLI YAYIN ARAÇLARINA YÖNELIK KU BAND GENIŞ …web.firat.edu.tr/feeb/kitap/C12/123.pdfiçin, uydu takibi veya hedef tespiti gereken durumlarda dalga kılavuzlarının da dairesel

Fırat Üniversitesi-Elazığ

Şekil 8: Döner eklemin boyuna kesitinin WASP-NET çizimi. Duvarlar mükemmel iletken alınmıştır.

4. HEDEFLER VE SİMÜLASYON SONUÇLARI

Tasarımı yapılan döner eklemin proje başlangıcında hedeflenen tasarım parametreleri şu şekildedir: Çalışma Frekansı: 10.7 GHz - 14.5 GHz Port Parametreleri:

• Birinci Kapı: WR-75 Dikdörtgensel Dalga Kılavuzu, a=19.05mm, b=9.525mm

• İkinci Kapı: WR-75 Dikdörtgensel Dalga Kılavuzu, a=19.05mm, b=9.525mm

Geri Yansıma < -23 dB Araya Girme Kaybı (Insertion Loss): Her iki port için < 0.2 dB Taşınabilecek maksimum güç: 500W Tasarımla ilgili bilinmesi gerekenler:

• Tasarımda, gerçek hayatta dönmeyi sağlayan rulmanların bulunduğu kısım dikkate alınmamıştır. Bu kısım, düz bir koaksiyel dalga kılavuzu olarak kabul edilmiştir –ki teorik olarak dönmenin etkisi yoktur, ancak üretim kaynaklı hatalarda bu etkiler görülebilir- .

• Tasarlanan döner eklem, geniş bantlı (BG %30) bir elemandır.

Şekil 9: Döner eklemin Yansıma karakteristiği

Şekil 10: Döner eklemin araya girme kaybı.

Şekil 9’de ? sonuçları görülmektedir. ? , geri dönüş kaybı (Return Loss) olarak bilinen yansıma kaybını ifade eder ve bu kayıp tüm bant için (10.7 GHz - 14.5 GHz) -25 dB’nin altında olmaktadır.

Şekil 10’da görülen ? sonuçları da araya girme kaybını (insertion loss) belirtmektedir. Tüm bantta en yüksek kayıp, -0.01 dB’den düşüktür. Bandın genelinde çok daha düşük bir kayıp vardır. Bu parametre de, hedeflenen -0.2 dB’lik araya girme kaybını beklenenden iyi bir sonuçla sağlamaktadır.

Elde edilen sonuçlara göre, döner eklem için üretim aşamasına geçilecektir. Döner eklemin CNC’de işlenebilmesi için, makine çizimleri yapılmış ve 4 mm’lik bir deri kalınlığı eklenmiştir. Şekil 11’de bu makine çizimi görülebilmektedir.

5. TARTI ŞMA VE SONUÇ

Sonuç olarak simülasyon neticesinde 10.7 GHz - 14.5 GHz frekans bandı boyunca -0.01 dB den küçük araya girme kaybı ve -25 dB’den küçük geri dönüş kaybı elde edilmiş olup -23 dB lik geri dönüş kaybı ve -0.2 dB’lik araya girme kaybı hedefleri aşılmıştır. Döner eklemi gerçekleştirilirken kullanılacak olan malzemenin ideal olmaması üretimdeki süreksizlikler ve pürüzsüzlüğe ve de rulman kısmında oluşabilecek kayıplarla bu hedeflerde sapmalar olsa da hedefimizi ölçüm neticesinde de tutturacağımızı beklemekteyiz.

306

Page 6: CANLI YAYIN ARAÇLARINA YÖNELIK KU BAND GENIŞ …web.firat.edu.tr/feeb/kitap/C12/123.pdfiçin, uydu takibi veya hedef tespiti gereken durumlarda dalga kılavuzlarının da dairesel

Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011

Şekil 11: CNC’de işlenmesi için deri kalınlığı eklenmiş döner eklem

Projemizi verdiği desteklerden dolayı T.C. Sanayi

Bakanlığına ve PROFEN AŞ’ye teşekkürü bir borç biliriz.

6. KAYNAKLAR

[1] Kaiden, M.; Kimura, K.; Ogawa, H.; Kasuga, T.; Tsuboi, M.; Murata,Y.: Septum polarizer for Ka-band H-shaped rotary joint. J. Infrared Millimeter Terahertz Waves, 30 (2009), 727–737. [2] Chang, T.H.; Yu, B.R.: High-power millimeter-wave rotary joint.Rev. Sci. Instrum., 80 (2009), 034701–034704. [3] Abramov, V.I.; Park, H.J.; Kim, D.H.; Lee, T.H.: U-style rotary joint with E01 mode for millimeter waves, in Microwave Symp. Digest,IEEE MTT-S, Int., Vol. 3, 2004, 1879–1882. [4] Rambabu, K.; Bornemann, J.: Compact single channel rotary joint using ridged waveguide sections for phase adjustment. IEEE Trans.Microwave Theory Tech., 51 (2003), 1982–1985. [5] McNamara, D.A.; Hildbrand, L.T.: Fullwave analysis of noncontacting rotary joint choke sections using the generalized scattering matrix (GSM) approach. Proc. IEE Microwave Antennas Propag., 150 (2003), 5–9. [6] Franco, M.A.R.; Serra˜o, V.A.; Fuhrmann, C.; Herdade,

S.B.: A simple procedure for impedance matching and tuning of microwave couplers for an electron linear accelerator. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 49 (2001), 562–564. [7] Woodward, O.M.: A dual-channel rotary joint for high average power operation. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 18 (1971),1072–1077.

[8] Boronski, S.: A multichannel waveguide rotary joint. Microwave J., 8 (1965), 102–105. [9] Muenzer, P.J.: Broadbanding coaxial-to-ridged-wave-guide transitions. Microwaves, 3 (1964), 92–96. [10] Smith, P.H.; Mongold, G.H.: A high-power rotary waveguide joint. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 12 (1964), 55–58. [11] King, H.E.: Broad-band coaxial choke coupling design. IRE Trans. Microwave Theory Tech., 8 (1960), 132–135. [12] Tomiyasu, K.: A new annular waveguide rotary joint. Proc. IRE, 44 (1956), 548. [13] Raabe, H.P.: A rotary joint for two microwave transmission channels of the same frequency band. IRE Trans. Microwave Theory Tech., 1(1953), 30–41. [14] Ragan, G.L.: Microwave Transmission Circuit. MIT Radiation Laboratory Series, McGraw-Hill, New York (Chapter 6). [15] Time-Harmonic Electromagnetic Fields, Roger F. Harrington, The IEEE Press Series on Electromagnetic Wave Theory.

[16] Microwave Engineering 3rd ed, David M. Pozar, John Wiley & Sons Inc.

[17] Ridge Waveguides and Passive Microwave Components, J. Helszajn, IET Electromagnetic Wave Series 49.

[18] Waveguide Components for Antenna FeedSystems: “Theory And CAD”, Jaroslaw Uher, Jens Bornemann, Uwe Rosenberg, Artech House.

[19] WASP-NET Waveguide Synthesis Program for Waveguide Networks - Software Tutorial Manual, Microwave Support Team. [20] Salih Mehmed BOSTAN, “Canlı Yayın Araçlarına Yönelik Ku-Band Dalga Kılavuzlu Bileşen Tasarımı” Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Tez Danışmanı: Yrd. Doç. Dr. Hamid TORPİ, 2011

307