Küp uydular için, VHF/UHF bandı aktarıcı tasarımı ve gerçeklemesi
VHF/UHF transponder design for cubesats
Yazar: HASAN ONUR ÇAKAR
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Eğitim ve araştırma amaçlı uydular düşük maliyetleri ve kısa sürede tasarlanabilmeleri sebebiyle üniversiteler ve araştırma kurumlarında öncelikli araştırma alanlarındandır. Bu uydular birkaç kg ağırlığındadır ve genelde küp şeklindedir. Firmalar açısında da, ürünlerini uzay ortamında test etmenin en uygun yollarından birisi küp uydular aracılığıyla tasarladıkları ürünleri uzaya göndermektir.
Uydu aracılığıyla yapılan haberleşmenin en önemli üstünlüğü, çok geniş bir alanın dünyadakine oranla çok daha basit bir donanımla kapsanabilmesidir. Uyduya ulaştırılan işaret, frekansı ve gücü değiştirilerek tekrar dünyaya gönderilebilir. Bu sayede merkezi bir noktadan uyduya gönderilen işaret, uyduda işlenir ve çok daha geniş kapsama alanına sahip bir bölgeye tekrar gönderilebilir. Bu işlevi yapan cihazlara da aktarıcı denilmektedir.
Projede alış frekansı 145 MHz, verici frekansı ise 435 MHz civarında çalışan bir aktarıcı tasarımı yapılmıştır. Tasarım adımlarının başlangıcı olarak, RF bütçe hesabı matematiksel olarak yapılarak, alıcının minimum alış gücü -100 dBm, vericinin çıkış gücünün de 30 dBm olarak olması gerekli görülmüştür. Bu durumda aktarıcının RF kazancı net olarak 130dB olmuştur. Bunun kadar yüksek kazançlı bir devrenin osilasyon riski çok fazladır Bu nedenle sistem mekanik olarak havuzlu bölgelerde tasarlanarak, frekansları farklı bölgelerin birbiri ile karışması engellenmiştir. RF bütçe hesabından sonra sistemin blok tasarımı yapılarak, eleman seçimi yapılmıştır. Eleman seçimleri sırasında her elemanın modülleri hazırlanarak, elemanlar sıcak/soğuk testlerine atılmış ve elemanların performanslarının sıcaklık ile değişimine bakılarak eleman seçiminde kıstas olarak kullanılmıştır. Aynı zamanda bilgisayar ortamında sistemin genel gürültü sayısı, 1 dB doyma noktası, 3. Derece harmonik kesişim noktası gibi parametreleri incelenirken, özel bir benzetim ile sistemin her bir düğümündeki harmonikler, intermodulasyonlar ve taşıyıcı işaretin gücü ve davranışları incelenerek blok tasarım güncellenmiştir.
Küp uyduların düşük boyutlarından dolayı, çıkış frekansındaki güçlü işaret sistemin girişine gelerek sistemi doyurabilmekte hatta yakabilmektedir. Sistemin girişine veya çıkışına çok dar bandlı filtreler konularak bu soruna çözüm bulunabilir; fakat küp uyduların 50 kHz aralıklı olarak frekans bilgilerinin değişmesi, filtre bulunmasını zorlaştırarak, her seferinde özel tasarım filtre alınmasına gerek kılmaktadır. Bu üniversiteler ve küçük şirketleri maddi olarak zor duruma düşürmektedir. Bu nedenle sistemin girişinde, sistemin çıkış frekansında çentik filtre olarak davranan alçak geçiren filtre kullanılarak hem gürültü performansı iyileştirilmiş hem de çıkış frekansında 0 dBm gücünde işarete dayanabilen bir yapı elde edilmiştir. Aynı zamanda giriş ve çıkış filtrelerinin dar bandlı olmaması sayesinde, sistemin giriş ve çıkış frekansı osilatörlerin frekansları programlanarak değiştirilebilmektedir. Herhangi bir donanım değişikliği yapılmadan giriş frekansı 130-150 MHz bandında, çıkış frekansı ise 430-440 MHz aralığında 1 kHz  hassasiyetle ayarlanabilmektedir. Bu değişiklik yazılım ile yapıldığı için uzay şartlarında da uydu bilgisayarı denetiminde gerçekleştirilebilmektedir. 
Bir sonraki aşama olarak elemanların modülleri ile faraday kafesinin içerisinde masaüstü testleri yapılarak, bilgisayar destekli tasarımda incelenen her düğümdeki harmoniklerin, intermodulasyonların ve taşıyıcı işaretin davranışı ölçülerek; benzetimler ile karşılaştırılmıştır. 
Sistem küp uydular için tasarlanmıştır, bu nedenle küp uyduların standartlarına uyarak, besleme yapısı PC104 konektörü ile uyumlu şekilde anakart tasarımı yapılmıştır. Tasarlananan anakart üzerinde güç yönetim devre parçaları vardır. Bu parçalar ile aktarıcının sıcaklığı, yansıma miktarı, akımı, girişine gelen işaretin gücü, verimi gibi ifadeler çeşitli haberleşme standartları ile küp uydunun bilgisayarına iletilebilmektedir. Ayrıca güç yönetim devreleri ile aktarıcıda görülebilecek kısa devre koruma, anlık akım koruma, giriş, çıkış gerilimlerinin fazlalığı/azlığı durumunda aktarıcıyı otomatik olarak kapatarak sistemi güvenli modda bekletmektedir. Küp uydu bilgisayarı aracılığıyla sistem uyku moduna alınabilmektedir. Sistem uyku modunda iken, yaklaşık olarak 35 mW güç tüketmektedir. Uyku modunda sistemde bulunan işlemci üzerinden sorgular yapılabilmekte ve sıcaklık, akım gibi veriler sorgulanabilmektedir. Eğer istenirse aktarıcı tamamen kapatılarak, hiç güç tüketimi yapmaması sağlanabilmektedir.
Mekanik yapı tasarımı yapılırken, sistemin farklı frekanslarında işaret üreten kısımları ve farklı amaçlar ile tasarlanan kısımları farklı mekanik havuzlarda bulunmaktadır. Bu sayede sistemin harmoniklerinin birbiri ile karışması ve daha önemlisi sistemin üzerinde bulunan geri besleme yolları engellenerek osilatör riskleri ortadan kaldırılmıştır. Mekanik yapı H şeklinde tasarlanarak anakarta vidalanmaktadır. Anakart üzerinde bulunan mikroişlemci, güç yönetim elemanları, akım, sıcaklık sensörleri anakartın üst tarafında bulunmaktadır. Bu nedenle mekanik yapı bu elemanları da korumaktadır. Bu elemanların, ayarlanabilir çevre elemanları anakartın alt katına alınarak, sistem montajı sonrasında da ulaşılabilir konuma getirilmiştir. RF kartların, besleme ve haberleşme pinleri anakart üzerinden gelmektedir. Bu nedenle mekanik yapıda uygun noktalarda, uygun çaplarda dişler ve delikler bulunmaktadır. DC gerilimler için vidalanabilir feedthrough ile RF kartların beslemeleri verilmiştir. Feedthroughlar ile RF geri besleme yolları engellenmeye çalışılmıştır. Haberleşme pinleri ise, pinler ile iletilmiştir. Bu pinler uygun deliklerden geçirildikten sonra anakarta ve RF kartlara lehimlenerek sağlamlaştırılmaktadır. Mekanik yapının diğer bir faydası ise; sistemin ısınan parçaları için soğutucu plaka görevidir. Sistem üzerinde en çok ısınan parça güç kuvvetlendiricisi kısmıdır. Bu nedenle sıcaklık sensörleri, güç kuvvetlendiricisinin yanına ve anakart üzerine konumlandırılmıştır. Sistem verimli bölgede çalışırken, açılış anından itibaren anakart üzerindeki sıcaklık sensörü ile güç kuvvetlendiricisi üzerindeki sıcaklık sensörü arasında yaklaşık olarak 2℃ fark bulunmaktadır. Bu durum güç kuvvetlendiricisinin hızlı bir şekilde üzerindeki ısı yükünü atabildiğini göstermektedir.

Anakart, RF kartlar ve mekaniklerin tasarım aşamasından sonra üretilerek sistemin montajı yapılmıştır. Üzerinde bulunan işlemcinin içerisine gömülü sistem kodu yazılarak sistem çalışır duruma getirilmiş ve davranışları ayrıntılı olarak incelenmiştir. Sistemin çalışma sıcaklığı olan -20℃, +60℃ arasında ölçümler alınarak sistem performansının değişimi incelenmiştir. Oda sıcaklığında sistemin girişine gelen işaretin gücü -104 dBm olduğunda, sistem 30 dBm çıkış vermeye başlamaktadır. Sistem üzerinde bulunan otomatik kazanç kontrolü sayesinde, sistem -40 dBm işaret gücüne kadar, harmonik ve intermodulasyonların gücü değişmeden çıkış verebilmektedir. Sistemin faz gürültüsü, oda sıcaklığında giriş gücü -100 dBm iken, yaklaşık olarak -75 dBc/Hz iken; giriş gücü arttırıldığında -110 dBc/Hz e kadar iyileşmektedir. Sistemin verimi yaklaşık olarak %20 iken, 1 W çıkış gücü için toplam 5W güç çekmektedir.
Türkiye uzay teknoloji konusunda önemli çalışmalara imza atmaktadır. Bu proje de, bu kapsamda test ve eğitim amaçlı küp uygularda kullanılabilecek bir donanım hedeflenmiştir. Tasarım sonrasında uzay koşullarına uygun olarak çeşitli testler yapılmıştır.
Ülkemizde uzay uygulamalarına yönelik bir donanımın başarılı bir şekilde geliştirilmesi, diğer firmalar ve üniversiteler için de uydu teknolojileri alanında çalışmaya teşvik için önemli bir motivasyon da olacaktır.

Abstract:
Eğitim ve araştırma amaçlı uydular düşük maliyetleri ve kısa sürede tasarlanabilmeleri sebebiyle üniversiteler ve araştırma kurumlarında öncelikli araştırma alanlarındandır. Bu uydular birkaç kg ağırlığındadır ve genelde küp şeklindedir. Firmalar açısında da, ürünlerini uzay ortamında test etmenin en uygun yollarından birisi küp uydular aracılığıyla tasarladıkları ürünleri uzaya göndermektir.
Uydu aracılığıyla yapılan haberleşmenin en önemli üstünlüğü, çok geniş bir alanın dünyadakine oranla çok daha basit bir donanımla kapsanabilmesidir. Uyduya ulaştırılan işaret, frekansı ve gücü değiştirilerek tekrar dünyaya gönderilebilir. Bu sayede merkezi bir noktadan uyduya gönderilen işaret, uyduda işlenir ve çok daha geniş kapsama alanına sahip bir bölgeye tekrar gönderilebilir. Bu işlevi yapan cihazlara da aktarıcı denilmektedir.
Projede alış frekansı 145 MHz, verici frekansı ise 435 MHz civarında çalışan bir aktarıcı tasarımı yapılmıştır. Tasarım adımlarının başlangıcı olarak, RF bütçe hesabı matematiksel olarak yapılarak, alıcının minimum alış gücü -100 dBm, vericinin çıkış gücünün de 30 dBm olarak olması gerekli görülmüştür. Bu durumda aktarıcının RF kazancı net olarak 130dB olmuştur. Bunun kadar yüksek kazançlı bir devrenin osilasyon riski çok fazladır Bu nedenle sistem mekanik olarak havuzlu bölgelerde tasarlanarak, frekansları farklı bölgelerin birbiri ile karışması engellenmiştir. RF bütçe hesabından sonra sistemin blok tasarımı yapılarak, eleman seçimi yapılmıştır. Eleman seçimleri sırasında her elemanın modülleri hazırlanarak, elemanlar sıcak/soğuk testlerine atılmış ve elemanların performanslarının sıcaklık ile değişimine bakılarak eleman seçiminde kıstas olarak kullanılmıştır. Aynı zamanda bilgisayar ortamında sistemin genel gürültü sayısı, 1 dB doyma noktası, 3. Derece harmonik kesişim noktası gibi parametreleri incelenirken, özel bir benzetim ile sistemin her bir düğümündeki harmonikler, intermodulasyonlar ve taşıyıcı işaretin gücü ve davranışları incelenerek blok tasarım güncellenmiştir.
Küp uyduların düşük boyutlarından dolayı, çıkış frekansındaki güçlü işaret sistemin girişine gelerek sistemi doyurabilmekte hatta yakabilmektedir. Sistemin girişine veya çıkışına çok dar bandlı filtreler konularak bu soruna çözüm bulunabilir; fakat küp uyduların 50 kHz aralıklı olarak frekans bilgilerinin değişmesi, filtre bulunmasını zorlaştırarak, her seferinde özel tasarım filtre alınmasına gerek kılmaktadır. Bu üniversiteler ve küçük şirketleri maddi olarak zor duruma düşürmektedir. Bu nedenle sistemin girişinde, sistemin çıkış frekansında çentik filtre olarak davranan alçak geçiren filtre kullanılarak hem gürültü performansı iyileştirilmiş hem de çıkış frekansında 0 dBm gücünde işarete dayanabilen bir yapı elde edilmiştir. Aynı zamanda giriş ve çıkış filtrelerinin dar bandlı olmaması sayesinde, sistemin giriş ve çıkış frekansı osilatörlerin frekansları programlanarak değiştirilebilmektedir. Herhangi bir donanım değişikliği yapılmadan giriş frekansı 130-150 MHz bandında, çıkış frekansı ise 430-440 MHz aralığında 1 kHz  hassasiyetle ayarlanabilmektedir. Bu değişiklik yazılım ile yapıldığı için uzay şartlarında da uydu bilgisayarı denetiminde gerçekleştirilebilmektedir. 
Bir sonraki aşama olarak elemanların modülleri ile faraday kafesinin içerisinde masaüstü testleri yapılarak, bilgisayar destekli tasarımda incelenen her düğümdeki harmoniklerin, intermodulasyonların ve taşıyıcı işaretin davranışı ölçülerek; benzetimler ile karşılaştırılmıştır. 
Sistem küp uydular için tasarlanmıştır, bu nedenle küp uyduların standartlarına uyarak, besleme yapısı PC104 konektörü ile uyumlu şekilde anakart tasarımı yapılmıştır. Tasarlananan anakart üzerinde güç yönetim devre parçaları vardır. Bu parçalar ile aktarıcının sıcaklığı, yansıma miktarı, akımı, girişine gelen işaretin gücü, verimi gibi ifadeler çeşitli haberleşme standartları ile küp uydunun bilgisayarına iletilebilmektedir. Ayrıca güç yönetim devreleri ile aktarıcıda görülebilecek kısa devre koruma, anlık akım koruma, giriş, çıkış gerilimlerinin fazlalığı/azlığı durumunda aktarıcıyı otomatik olarak kapatarak sistemi güvenli modda bekletmektedir. Küp uydu bilgisayarı aracılığıyla sistem uyku moduna alınabilmektedir. Sistem uyku modunda iken, yaklaşık olarak 35 mW güç tüketmektedir. Uyku modunda sistemde bulunan işlemci üzerinden sorgular yapılabilmekte ve sıcaklık, akım gibi veriler sorgulanabilmektedir. Eğer istenirse aktarıcı tamamen kapatılarak, hiç güç tüketimi yapmaması sağlanabilmektedir.
Mekanik yapı tasarımı yapılırken, sistemin farklı frekanslarında işaret üreten kısımları ve farklı amaçlar ile tasarlanan kısımları farklı mekanik havuzlarda bulunmaktadır. Bu sayede sistemin harmoniklerinin birbiri ile karışması ve daha önemlisi sistemin üzerinde bulunan geri besleme yolları engellenerek osilatör riskleri ortadan kaldırılmıştır. Mekanik yapı H şeklinde tasarlanarak anakarta vidalanmaktadır. Anakart üzerinde bulunan mikroişlemci, güç yönetim elemanları, akım, sıcaklık sensörleri anakartın üst tarafında bulunmaktadır. Bu nedenle mekanik yapı bu elemanları da korumaktadır. Bu elemanların, ayarlanabilir çevre elemanları anakartın alt katına alınarak, sistem montajı sonrasında da ulaşılabilir konuma getirilmiştir. RF kartların, besleme ve haberleşme pinleri anakart üzerinden gelmektedir. Bu nedenle mekanik yapıda uygun noktalarda, uygun çaplarda dişler ve delikler bulunmaktadır. DC gerilimler için vidalanabilir feedthrough ile RF kartların beslemeleri verilmiştir. Feedthroughlar ile RF geri besleme yolları engellenmeye çalışılmıştır. Haberleşme pinleri ise, pinler ile iletilmiştir. Bu pinler uygun deliklerden geçirildikten sonra anakarta ve RF kartlara lehimlenerek sağlamlaştırılmaktadır. Mekanik yapının diğer bir faydası ise; sistemin ısınan parçaları için soğutucu plaka görevidir. Sistem üzerinde en çok ısınan parça güç kuvvetlendiricisi kısmıdır. Bu nedenle sıcaklık sensörleri, güç kuvvetlendiricisinin yanına ve anakart üzerine konumlandırılmıştır. Sistem verimli bölgede çalışırken, açılış anından itibaren anakart üzerindeki sıcaklık sensörü ile güç kuvvetlendiricisi üzerindeki sıcaklık sensörü arasında yaklaşık olarak 2℃ fark bulunmaktadır. Bu durum güç kuvvetlendiricisinin hızlı bir şekilde üzerindeki ısı yükünü atabildiğini göstermektedir.

Anakart, RF kartlar ve mekaniklerin tasarım aşamasından sonra üretilerek sistemin montajı yapılmıştır. Üzerinde bulunan işlemcinin içerisine gömülü sistem kodu yazılarak sistem çalışır duruma getirilmiş ve davranışları ayrıntılı olarak incelenmiştir. Sistemin çalışma sıcaklığı olan -20℃, +60℃ arasında ölçümler alınarak sistem performansının değişimi incelenmiştir. Oda sıcaklığında sistemin girişine gelen işaretin gücü -104 dBm olduğunda, sistem 30 dBm çıkış vermeye başlamaktadır. Sistem üzerinde bulunan otomatik kazanç kontrolü sayesinde, sistem -40 dBm işaret gücüne kadar, harmonik ve intermodulasyonların gücü değişmeden çıkış verebilmektedir. Sistemin faz gürültüsü, oda sıcaklığında giriş gücü -100 dBm iken, yaklaşık olarak -75 dBc/Hz iken; giriş gücü arttırıldığında -110 dBc/Hz e kadar iyileşmektedir. Sistemin verimi yaklaşık olarak %20 iken, 1 W çıkış gücü için toplam 5W güç çekmektedir.
Türkiye uzay teknoloji konusunda önemli çalışmalara imza atmaktadır. Bu proje de, bu kapsamda test ve eğitim amaçlı küp uygularda kullanılabilecek bir donanım hedeflenmiştir. Tasarım sonrasında uzay koşullarına uygun olarak çeşitli testler yapılmıştır.
Ülkemizde uzay uygulamalarına yönelik bir donanımın başarılı bir şekilde geliştirilmesi, diğer firmalar ve üniversiteler için de uydu teknolojileri alanında çalışmaya teşvik için önemli bir motivasyon da olacaktır.