GPS VE GLONASS uygulamaları için RF alıcı ön kat tasarımı
RF receiver front end design for GPS and GLONASS applications
Yazar: GÖKHAN GÜNEŞ ÖZDEMİR
Danışman: ÖĞR. GÖR. HASAN BÜLENT YAĞCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
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.

Abstract:
Global Navigation Satellite System (GNSS) is a genereic satellite navigation system.  There are three best known satellite navigation systems; United States of America's GPS (Global Positioning System), Russian Federation's GLONASS (Global Navigation Satellite System) and Eurpean Union's GALILEO system. Among these three systems, GPS and GLONASS systems are fully functioning systems and they are more widely used in today's applications. 
In today's world, many countries are in an effort to develop their own satellite navigation systems for their military and national benefits. China has developed their own system called BeiDou for same purposes. Similarly, India has been working on their satellite navigation system called IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System). Developing national positioning system is of vital importance for taking control of the positioning system on their own hands in the case of war, restrictions or conflicts.  
For mobile devices, location data is very important. Moreover, the location information accuracy is very critical for the performance specifications. Combining GPS and GLONASS receivers on a single receiver structure leads to improve location and time information accuracy of the receiver.  This kind of combined receivers are becoming widespread among the basic receivers especially for military applications. The demand for combined receivers has been increasingly important for new RF receiver front end technologies.
In this project, two different types of RF front end circuits have been designed for the navigation systems GPS and GLONASS. Both circuits are capable of operating at GPS and GLONASS frequency bands with passive and active antennas. At the output, a diplexer circuit ,which is a high rejection diplexer at the side channels, has been designed for seperating the GPS and GLONASS signal frequency bands. 
Radio frequency circuits require experience and attention at the all process phases levels including design, manufacturing, assembly and testing by its nature. For this reason, all phases of the project managed carefully and meticulously. To be able to design the front end circuits in desired design specification goals, the components that are used in the both circuits are chosen by simulating, testing and comparing. Instead of ideal component models, simulation models of the circuit components are transferred to the simulation tool and all the simulations are done by using real circuit element models.
First of all, the system topologies are decided for the front end circuits. The first front end circuit is designed for harsh environment conditions. Thus, the first circuit structure has better linearity and filtering specifications at the input. The main difference between the two circuits is the input component. The input component of the first circuit (System-1) is a high out of band rejected SAW (surface acoustic wave) filter. The SAW component filters out GPS and GLONASS frequency band by adding very low insertion loss to the circuit. First component of a receiver is highly important because the overall noise figure of the system is mostly determined by the first component's electrical specifications. For full functioning in noisy environment and having low noise figure at the same time, the loss and out of band rejection specifications of the SAW filter have to be in the desired values. The loss of the filter has to be as low as possible and the out of band rejection has to be high enough. Besides, the component tolerances are considered in the calculations and simulations. 
After the SAW filter, a low noise amplifier (LNA) is used for lowering the overall noise figure of the front end circuit. LNA is another key component of the receiver system. The function of the LNA in receiver systems is adding very low noise to the received signal while amplifying the signal with a good amount of gain at the same time. Briefly, the main purpose of the LNA is to keep the SNR (signal to noise ratio) value at the output as high possible and to limit the noise figure of the system. In this project two different manufacturers' LNAs are chosen by considering the electrical design goals. Two of them are used in the designs for their different electrical characteristics. In the System-1, a high gain, highly linear and low noise amplifier is chosen. For the System-2, very low power and ultra-low noise amplifier is chosen for the specific System-2 application. 
A high isolation, non-reflective single pole double throw (SDPT) RF switch is used after the low noise amplifier in the both circuit designs. The RF switch is used for switching the front end circuit between passive antenna RF path and active antenna RF path. When the RF switch control voltage is high, the system will be switched to the passive antenna RF path, when the control voltage is low the system will be switched to the active antenna RF path. The isolation between the active and passive RF paths is important because any unwanted signal passing through common RF path can be mixed with carrier and generates intermodulation products. Thus, high isolated structure is the one of the main reasons of the RF switch selection criteria. The other important electrical specification of the RF switch is low insertion loss. 
Active antennas require a supply voltage and most of them are supplied from its output RF path.  To be able operate with an active antenna, an additional bias and RF isolation circuit is needed. A circuit element called "Bias-Tee" is used at the active antenna RF path between the RF switch and active antenna. 
To improve the overall gain, an RF amplifier is used as a gain block. This amplifier has another critical role in the design. The amplifier is also used for limiting the noise figure of the system.  
For the last component, a high side band rejection diplexer is added in the design to separate GPS and GLONASS signals. The diplexer consists of two different banded band pass structure in it and one of them is GPS frequency band pass filter and the other one is GLONASS frequency band pass filter.   
Low noise front end circuits are very sensitive devices. To isolate the circuits for the harsh and noisy environment, aluminum metal chassis are design for the both circuits designed and the circuits are assembled. 
The electrical tests, which are noise figure, gain, output 1dB compression point, band rejection and power consumption, are applied the circuits by considering the design goals. According to the result, both circuits are designed successfully.
Finally, two different types of rugged, low noise and low power RF receiver front end systems are designed, realized, and tested. 
The system simulations and circuit design are done using "NI AWR Visual System Simulator" and "NI AWR Microwave Office" simulation programs.
The project has been supported by T.C. Ministry of Science, Industry and Technology as a SANTEZ project with the project number 0781.STZ.2014.