Mobil uydu haberleşme sistemleri için ku band faz dizili almaç sistemi tasarımı
Ku band phased array receiver system design for mobile satellite communication systems
Yazar: EMRE AYDIN
Danışman: PROF. DR. SELÇUK PAKER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Uydu haberleşmesinde kullanılan geleneksel almaç yapıları incelendiğinde, yansıtıcı
antenler ve yansıtıcı merkezine yerleştirilmiş LNB yapıları görülebilir. LNB, çift
kutuplamalı olarak iki ayrı pininden dikey ve yatay kutuplanmalı dalgaları almaktadır.
Her iletişim sisteminde olduğu gibi alınan işaret ön yükselteçe sokulduktan sonra aşağı
çevirici yardımıyla orta frekansa indirilir. Sonrasında ise çözücü aygıta iletilerek işaret
anlamlandırılır. Uydu sistemlerinde anten yönü her zaman uyduya dönük olmalıdır.
Hareketli araçlarda bu yönlenme motor kontrol birimleri vasıtasıyla sağlanır. Bu tezde
geleneksel sistemin kapladığı hacmi düşürecek ve uyduya yönelme hızını yükseltecek
ve aynı zamanda araç içerisinde daha gizli tutulabilir bir sistem tasarımı çalışılmıştır.
Tez içeriğinde bu amaçla faz dizili anten alıcı sistemi tasarlanmıştır. Sistemin Ku band
alıcı frekansları olan 10.7 GHz ile 12.7 GHz arasına uygun yapılması hedeflenmiştir.
Dizi antenin kazancının en düşük 30 dB olması hedeflenmektedir. En yüksek kazanç
noktasında ise 32 dB kadar kazanç görülmesi beklenmektedir. Bu sebeple 16x16 bir
sistem, birim antenleri 8 dB ortalama kazanç sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Bu
kazançta bir birim anten için yama anten kullanımı uygun olmaktadır ancak geniş bant
bir tasarım olacağı için yama anten üzerinde değiklik yapılması zorunlu olmuştur.
Yama antenin band genişliği normal koşullarda % 5 iken, açıklık beslemesi ve
parazitik yama metoduyla %13'ten fazla band genişliği elde edilebilmektedir.
Uygulama kolaylığı sebebi ile bu tezde parazitik yama yöntemi tercih edilerek yeterli
band genişliği sağlanmıştır. Anten ölçümlerinde, dalga kılavuzu birleştirmesinde çıkan
sorunlar sebebi ile sadece 1x16 sistemi ölçülebilmiştir. Faz dizili sistemlerin en büyük
eksi tarafı olan iletim hattı kayıplarını en düşük seviyeye getirmek üzere, ışıyan
elemanların arkasında hava boşluklu dalga kılavuzu güç bölücüleri her iki kutuplanma
için de tasarlanmıştır. İletim hatları çıkışlarında dalga kılavuzunun kısa kenarına dik
olacak şekilde mikroşerit hatta çevrim yapısı tasarlanarak almaç devrelerinin girişine
uygun iletim hattına dönüştürme işlemi yapılmıştır. Sistemde önemsenen bir diğer
husus da faz kontrol çözünürlüğüdür. Faz kontrol çözünürlüğünü en üst düzeyde
tutmak üzere analog faz kaydırıcı tasarımı yapılmıştır. Analog faz kaydırıcı devresi ara
frekansta, lange bağdaştırcı ve değişken kapasite elemanları kullanılarak yansıtıcı tipte
bir faz kaydırıcı olarak tasarlanmıştır. Değişken kapasite elemanları gerilim ile kontrol
edilmektedir. Gerilim kontrolü 16 bit elemanlarla sağlanmaktadır ve bu sayede faz
çözünürlüğü 0.01 derecelere kadar düşürülmüştür. Faz kaydırma işlemi ara frekansta
yapıldığı için öncesinde aşağı çevirici çipi kullanılarak çevirme işlemi yapılmaktadır.
Çevirici öncesi düşük gürültülü kuvvetlendirici tasarımı benzetim ortamında
tamamlanmıştır. Kuvvetlendirici hedefi 20 dB kazanç ve 1 dB gürültü faktörü olarak
belirlenmiştir. Tez sonucunda 1x4 ve 1x16 yama antenler, 16 bit SPI arayüzlü 120
derece faz aralığında faz kaydırıcı, 1x4 ve 1x16 güç bölücü dalga kılavuzu yapıları ile
mikroşerit-dalgakılavuzu arası kısa kenardan geçiş sağlayan yapılar tasarlanmış ve
üretilip ölçülerek sonuçları gözlenmiştir. 1x4 sistemde band genişliği kayma
olmaksızın sağlanırken, 1x16 sistemde parazitik yama değişimi sebebi ile olduğu
düşünülen yaklaşık 500 MHz bir kayma gözlenmiştir. Bununla birlikte band
genişliğinin aynı kaldığı gözlenmiştir. Bu ölçüm yapılırken, yama antenler, dalga
kılavuzları ve geçiş yapısı beraber şekilde kullanıldığı için üç yapının da istenilen
düzeyde çalıştığı belirtilebilir. Aktif kısımda ise faz kaydırcı istenilen incelikte xviii
çözünürlükte tasarlanmıştır. Aktif Ku band düşük gürültülü kuvvetlendirici için üretim
ve birleştirme aşamaları gelecek çalışma planlarındadır.

Abstract:
When conventional reception structures used in satellite communication are examined,
reflective antennas and LNB structures placed in the reflector center can be seen. The
LNB receives the vertical and horizontal polarized waves from two separate pins with
double polarity. As with any communication system, the received signal is
downconverted to the intermidiate frequency with the help of the downconverter after
low noise preamplifier stage. Then the singal is made meaningful by transmitting to
the decoder device. In satellite systems the antenna direction must always be facing
the satellite. In moving vehicles, this direction accuracy is achieved by means of motor
control units. In this thesis, a system design which will decrease the volume covered
by the traditional system and increase the speed of the satellite orientation and at the
same time a more concealable system design has been studied. For this purpose, the
phased array antenna receiver system is designed. The system is intended to be
compatible with Ku band receiver frequencies between 10.7 GHz and 12.7 GHz. The
gain of the array antenna is expected to be at least 30 dB. The highest gain point is
expected to be as high as 32 dB. Therefore, a 16x16 system is designed so that the unit
antennas provide an average gain of 8 dB. To achieve this level of gain, the use of
patch antennas for a unit antenna is appropriate, but since it would be a wide band
design, it was necessary to manipulate the patch antenna. Bandwidth of the patch
antenna is 5% in normal conditions, but more than 13% band width can be obtained
by aperture feed and parazitic patch method. Due to the ease of application, parasitic
patch method is preferred in this thesis and sufficient bandwidth has been provided.
Another consideration of the system is the axial ratio. Due to the both vertical and
horizontal signals are received in same time and bot of them is in same amplitude,
vertical-horizontal ports of the patch antennas' shoul be capture just one polarity
purely as possible. Another manipulation is used for this goal. A "corner-star" structure
developed and placed into the corner between two feeding point to increase axial ratio
of the antenna. Finally, unit antenna design is finalized with specified manipulations.
Waveguide design was also challenging. The waveguide used and produced in this
work is not a standard waveguide. Firstly, it should be placed under the patch antenna
feeding point and there is two feeding point in unit antenaa with seperation by 4.55
mm. Two wave guide coupling pin should be fit this seperation. To do that, 6 by 12
mm rectengular waveguide structure is chosen. Cut-Off frequency off the waveguide
was 10.5 GHz nearly. Unit antenna structure and seperation also brings another
consideration to the waveguide. Two unit antenna is placed by 23 mm seperation. With
these dimensions, feeding point of the path antennas are not in the center of wave uide.
This creates phse balance problem in the input of the waveguide combiner. So, two
signal is combined in same amplitude but not in same phase, one of the is little delayed
and 1x2 waveguide combiner output is observed as in same phase by using separation
pin placed into the middle of the waveguide by an offset. Also, 1x4, 1x8 and 1x16 waveguide structures also balanced in same way. Last part before active circuits is the
microstrip-waveguide transition structure. Normally, it is a basic structure can be
found in literature easily if designer have enough area and feeding point is at center of
long edge of the waveguide. However, in this design it is mandotary to feed the system
from short edge of the waveguide. After many trials, directly transforming the wave
from short edge to the microstrip line is not a suitable way. So, it is manipulated the
litearture structures. Thin line on the Rogers4350B dielectric material which
itsdielectric constat is 3.66 in the wave guide is placed at the center of the vertical and
horizontal waveguide offset with 3 mm. By changing line thickness and length and
dielectric length inside of the waeguide, a fitting solution is designed. Also, it is critical
parameter that height from deep point of waveguide short end to the dielectric. In the
antenna measurements, only 1x16 system could be measured due to problems with
integration wave guide to antenna feed. In order to minimize transmission line losses,
which are the biggest negative side of the phase array systems, the air gap waveguide
power splitters behind the radiating elements are also designed for both polarities. The
transmission line was transformed into the transmission line according to the input of
the receiver circuits by designing the microstrip line evenly to the short edge of the
waveguide at the outputs of the transmission lines. Another important issue in the
system is the phase control resolution. An analog phase shifter design has been
designed to maximize the phase control resolution. The analog phase shifter circuit is
designed as a phase shift in a reflective type at intermediate frequency using the lange
coupler and variable capacity elements. Variable capacity (varactor diodes) elements
are controlled by voltage. The voltage control is provided with 16 bit elements,
whereby the phase resolution is reduced to 0.01 degrees. Since the phase shifting is
done at the intermediate frequency, frequency decreasing process is done by using the
TFF1018HN downconverter chip. Downconverting process should be thought in
details. System includes 16 downconverter unit and output phase of these units should
be nearly same, otherwise alll system considerations will be meaningless. Antenna
seperation, phase and amplitude balance in 1x16 waveguide combiner is for that signal
reaches to the LNA input in same phase. After that, LNA responses will be nearly
same beacuse LNA's will be in same temperature and humidity etc. However mixers
has a random frequency generator actually. The crystal used for mixer can give
reference frquency in any phase. So, just one crystal should be use for all 16 mixer
device. For this purpose, Crystal frequency divider circuit is designed also.
Experiments shoew that two mixer can deliver output signal in same phase but when
16 device are in use, some variances can be observed. The low noise amplifier design
before the inverter was completed in the simulation environment. The aimed
specifications of the amplifier is 20 dB gain and 1 dB noise factor. LNA design
includes GaAs FET transistors discretely. To run these transistors, Diodes' Coorps'
ZABG4003 driver circuit is used. It is also a commercial product for LNB solutions
and provides 4 biasing output drive. In another paranthesis, frequency selective surface
development is tried on the bandwidth and axial ratio manipulated patch antenna. Just
using, 3x4 array "Ohm" shaped FSS unit at 18 mm away in vertical axis of parasitic
patch, 1.5 dB directivity and gain increment is provided. It should be stated that this
work is just done in simulation, there is no real product and measurement. As a result
of the thesis, 1x4 and 1x16 patch antennas, 120-phase phase spacer with 16-bit SPI
interface, 1x4 and 1x16 power divider waveguide structures and microstrip-waveguide
short-edge transition structures were designed and produced and measured. In the 1x4
system, the band width was achieved without shift, whereas in the 1x16 system a shift
of about 500 MHz which was thought to be due to parasitic patch change was observed.
However, the band width remained the same. When this measurement is performed, it
can be stated that since the patch antennas, waveguides and transition structure are
used together, all three structures work at the desired level. In the active part, the phase
shift is designed in the desired fineness resolution. The production and assembly stages
for the active Ku band low noise amplifier and producing and measuring unit antenna
with FSS are in the future work plans.