URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ Gemilerde Üstyapının HF Monopol Antenlerin Empedans ve Işıma Karakteristiklerine Etkisi Fatih Üstüner TÜBİTAK BİLGEM UEKAE Gebze, Kocaeli [email protected] Özet: Kompleks geometriye sahip iletken platformlarda anten performansı büyük oranda yapısal elemanların geometrisine bağlıdır. Bu bildiride, gemi üstyapısının bir HF bandı anteninin performansı üzerinde anten konumuna bağlı olarak nasıl bir etki oluşturduğu gösterilecektir. İdeal monopol antenden gemi platformu üzerindeki tüm kompleks geometrinin varolduğu yapıya kadarki anten giriş empedansı ve ışıma örüntüsündeki değişim incelenmiştir. Üç boyutlu anten ışıma örüntüsündeki değişimleri izleyebilmek için yeni bir metrik ortaya konmuştur. Abstract: The antenna performance on a complex metallic platform largely depends on the structural elements. In this paper, the superstructure effect on the performance of an HF antenna is demonstrated by using an incremental approach. The change in the impedance and the radiation pattern are examined starting from an ideal monopole and ending with the antenna facing the full details of the platform. In order to exploit the changes in the 3D radiation pattern, a new metric is devised. 1. Giriş Askeri gemilerde, antenlerin yerleşimi bir çok kriterin optimizasyonunu içeren karmaşık bir problemdir. Işıma performansı, girişim ve ışıma zararları üstünde durulması gereken önemli kriterlerdir [1]. Bu çalışmada, özellikle birinci kriter üzerinde durulmuş ve gerçek bir deniz platformu üzerinde anten yerleşiminin ışıma performansı üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Bu amaçla, deniz platformuna yerleştirilecek bir HF anteninin yerleşimi örnek vaka olarak ele alınmıştır. Gemi üzerinde farklı frekans bantları için bir çok anten bulunmakla beraber, HF antenleri büyüklükleri (tipik 10 m uzunluk), geniş bir banda sahip olmaları (2-30 MHz), kuvvetli vericilerle beslenmeleri (tipik 1 kW) ve gemi üzerindeki sayılarının görece fazla olmaları (savaş gemilerinde tipik olarak 68 HF anteni vardır) gibi özellikleriyle diğer antenlerden ayrı olarak değerlendirilmeyi hak ederler. HF antenleri büyüklükleri nedeniyle genelde geminin üstyapısına yakın noktalarda yerleştirilmek durumunda kalırlar. Gemi üstyapısı ise HF antenini özellikle empedans ve ışıma karakteristikleri açısından etkiler. Etkideki değişimi adım adım gözlemleyebilmek için, platform üzerinde birden fazla anten konfigürasyonu belirlenmiştir. Konfigürasyon değişimlerine bağlı olarak anten giriş empedansı ve ışıma örüntüsündeki değişimler incelenmiştir. Anten yerleşiminin üç boyutlu ışıma örüntüsündeki oluşturduğu farkı gözlemleyebilmek için yeni bir metrik geliştirilmiştir. Bu yeni metrik ışımanın gerçekleştiği yarımkürede kazanç dağılımının ayrık olarak basamaklandırılması esasına bağlı olarak ortaya konmuştur. Bu yeni metrik tüm yarımkürede uygulanabileceği gibi yükseliş düzleminde belirli bir kapsama açısı için de uygulanabilir. 2. Problem Tanımı ve Konfigürasyonlar Bildiride ele alınan problem, dört adet HF verici anteninin yaklaşık 70 m uzunluğunda bir gemi üzerinde optimum yerleşimi sürecinde ortaya çıkmıştır. Operasyonel ve mekanik kısıtlar nedeniyle, sadece gemi üstyapısına yakın bölgeler HF antenlerinin yerleşimine uygun yerler olarak belirlenmiş ve dört HF anteninin gemi üstyapısının dört köşesine yakın noktalara yerleştirilmesine karar verilmiştir (Şekil 1). Bu noktada üstyapıya yakın köşelere yerleştirilen HF antenlerinin performansının ideal monopol anten performansından ne kadar sapma göstereceği bir soru olarak ortaya çıkmıştır. Beş ayrı konfigürasyon üzerinde durulmuştur. Birinci durumda, antenin sonsuz büyüklükte bir mükemmel toprak düzlemi üzerindeki ideal koşulları analiz edilmiştir. İkinci durumda, anten, üzerinde üstyapı olmayan gemi güvertesinin ortasına yerleştirilmiştir. Üçüncü durumda, anten yine üzerinde üstyapı bulunmayan gemi güvertesinde ancak bu sefer gerçekte planlanan noktaya yerleştirilmiştir. Dördüncü durumda ise anten gerçekte planlanan yerinde muhafaza edilirken üstyapı bütün ayrıntılarıyla gemi modeli üzerine entegre edilmiştir. Beşinci durumda ise dördüncü durumda üstyapıya yakın konumlanan anten (0.5 m) bir miktar daha uzak mesafedeki bir noktaya (1.5 m) kaydırılmıştır. URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ Şekil 1. Analizi yapılan platform ve farklı konfigürasyonlar (ikinci durum ve üçüncü durum) 3. Analiz Karmaşık geometriye sahip platform ve anten, ticari bir moment metodu (FEKO) yazılımı kullanılarak modellenmiş ve analiz edilmiştir. Anten uzunluğu 10 m olup yarıçapı 10 cm olarak seçilmiştir. Geminin eni 14 m, gemi üstyapısının yüksekliği ise güverteden itibaren 5 m’dir. Üstyapı ile analizi yapılacak anten arasındaki mesafe konfigürasyona bağlı olarak 0.5 m’den 1.5 m’ye kadar değişmektedir. Konfigürasyonların analiz sonuçları giriş empedansı ve ışıma karakteristiği açılarından karşılaştırılacaktır. Empedanstaki değişim kompleks empedansın reel kısmının frekansa bağlı değişiminin incelenmesi ile değerlendirilebilir durumda iken, üç boyutlu ışıma örüntüsündeki değişimin değerlendirilmesi oldukça zorludur. Antenin üç boyutlu ışıma örüntüsündeki değişimi değerlendirebilmek için yeni bir metrik geliştirilmiştir. Bu yeni metrik basamaklandırılmış kazanç dağılımını baz alan histogram grafiği tekniğini kullanmaktadır. Bu teknikte kazanç ışıma yarımküresinin tüm yükseliş ve yanca açılarında birer derecelik ayrık noktalarda (θ = 10 ve φ = 10) açıyla hesaplanmıştır. Böylece kazanç ışıma yarımküresinin tüm yüzeyinde, 91 x 361 = 32851 ayrı noktada elde edilmiştir. Analiz HF bandı boyunca 2 MHz’den 30 MHz’e kadar 1’er MHz’lik aralıklarla gerçekleştirilmiştir. HF Antenna Input Impedance 800 600 Imaginary [ohm] 400 Case #1 Case #2 Case #3 Case #4 Case #5 200 0 -200 -400 -600 -800 1 10 2 10 3 10 Real [ohm] Şekil 2. Anten giriş empedansı 4. Analiz Sonuçları Giriş empedansındaki frekansa bağlı değişim farklı durumlar için reel-imajiner düzlem kullanılarak verilmiştir (Şekil 2) Tüm durumlarda anten ilk çeyrek dalga rezonansının altında kapasitif reaktans ve düşük direnç göstermiştir. Daha sonraki frekanslarda HF bandının sonuna kadar reel empedans 50 ila 1500 ohm arasında dalgalanmış ve reaktif empedans da endüktif ve kapasitif arasında gidip gelmiş ve mutlak değer olarak azami 700 ohm değerini bulmuştur. Burada kritik frekans aralığı HF bandının alt kısmında 2 ila 6 MHz arasıdır. Bu frekans aralığında ışıma direnci oldukça düşük değerlerde seyretmektedir. İkinci durumu (temiz güverte durumu) ideal monopol anten durumu ile karşılaştırdığımızda anten ışıma direncinin ikinci durumda daha yüksek olduğunu görüyoruz. Işıma direnci, anten güvertenin kenarına asıl yerleştirileceği konumunda olduğu zaman (üçüncü durum) daha da yükselmektedir. Bununla birlikte üstyapı antenin yanında belirdiğinde (dördüncü durum) ışıma direnci hızla düşmektedir. Işıma direncindeki bu düşüş özellikle 5 MHz’in altında 5 ohmun altı gibi değerlerin elde edilmesini beraberinde getirmektedir. Bu durum antenin bu frekanslarda çalışırken zorlanacağını sistem empedansıyla uyum sorunu yaşayacağını göstermektedir. Bu aşamada düşük ışıma direnci URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ problemini çözmek için anten ile üstyapı arasındaki mesafenin artırılmasına karar verilmiştir ve bu artırılmış durum beşinci durum olarak isimlendirilmiştir. Beşinci durumda, reel empedansta bir artış görülmekte olup bu artış sayesinde antenin giriş empedansı ideal monopol antenin emepdansı ile karşılaştırılabilir seviyeye ulaşmıştır. Düşük frekanslarda gözlemlenen küçük ışıma direnci özellikle anten uyumlama devresini zorlar nitelikte olup toplam anten ışıma verimliliğini olumsuz yönde etkilemektedir. Anten ışıma örüntüsü değerlendirmesi 2 MHz’de ve antenin rezonans frekanslarına denk gelen bazı frekanslarda yapılmıştır; 7 MHz (çeyrek dalga), 14 MHz (yarım dalga) gibi. Anten ışıma örüntüsü analiz edilen geometri karmaşıklaştıkça ve frekans yükseldikçe klasik eş yönlü örüntüden uzaklaşmakta ve büyük miktarlarda bozunumlara uğramaktadır. Bu nedenle yönsüz antenlerde farklı durumlarda elde edilen üç boyutlu ışıma örüntülerinin karşılaştırılması kolay bir iş olmaktan çıkmaktadır. Karşılaştırma belki bir kaç kesit için iki boyutlu olarak yapılabilir ancak anten yönsüz olduğundan bu karşılaştırma bütün resmi ortaya çıkarmayacak ve yanıltıcı olabilecektir. Bununla birlikte şöyle bir yaklaşım söz konusu olabilir; yarımkürede ışıma yapan bir bir izotropik kaynağın yarımküre üzerinde göstereceği ortalama kazanç 3 dBi olacaktır. Dolayısıyla kazancı farklı açılarda hesaplayıp bu kazançların 3 dBi çevresine ne seviyede odaklandığına bakarak bir antenin ideal eş yönlü ışıma yapıp yapmadığı hakkında yorum yapılabilir. Ayrıca kazancın çok yüksek ve düşük kazançlara doğru ne kadar uçlara gittiği de gözlenip anten ışıma örüntüsündeki bozunum değerlendirilebilir. Bu noktadan hareketle ve üç boyutlu ışıma örüntüsünü niceliksel olarak karşılaştırabilmek amacıyla kazancın farklı yükseliş ve yanca açılarında tüm yarımküre üzerinde nasıl dağılım gösterdiğinin araştırılmasına karar verilmiştir. Ancak bu noktada yarımkürede birer derecelik açılarda hesaplanan ayrık kazanç değerleri aynı ağırlığa sahip değildirler. Yarımküreye bakıldığında düşük yükseliş açılarında ayrık kazancın tekabül ettiği veya kapsadığı alan ile yüksek açılardaki ayrık kazancın kapsadığı alan aynı değildir. Birer derecelik açılarla hesaplama yapıldığında kazancı değerlendirirken aşağıdaki ağırlık faktörünün devreye alınması gerekmektedir. SA = [cos(θ2) – cos(θ1)].(φ2 – φ1) (1) Şekil 3’te sırasıyla 2 MHz, 7 MHz ve 14 MHz için farklı konfigürasyonlar için sonuçlar verilmiştir. 10 10 3 #1 #2 #3 #4 #5 2 1 0 10 -25 HF Antenna Radiation Pattern Histogram 4 10 10 Case Case Case Case Case 3 10 Case #1 Case #2 Case #3 Case #4 Case #5 Number of Far Field Point 10 HF Antenna Radiation Pattern Histogram 4 Number of Far Field Point Number of Far Field Point 10 2 10 1 10 -15 -10 -5 0 Antenna Gain [dBi] 5 10 10 -25 10 10 3 Case #1 Case #2 Case #3 Case #4 Case #5 2 1 0 0 -20 10 HF Antenna Radiation Pattern Histogram 4 -20 -15 -10 -5 0 5 10 10 -25 Antenna Gain [dBi] -20 -15 -10 -5 0 5 10 Antenna Gain [dBi] Şekil 3. 2 MHz, 7 MHz ve 14 MHz için ışıma örüntüsü histogramları 5. Sonuç Bu bildiride, gemi üstyapısının HF anteni performansı üzerindeki etkisi farklı konfigürasyonlar baz alınarak gösterilmiştir. Empedans ve ışıma örüntüsündeki değişim ideal monopol antenden tüm yapının varolduğu son yerleşim durumuna kadar incelenmiştir. Anten ışıma direnci düştükçe, antene transfer edilen gücün düştüğü ve empedans uyumunun zorlaştığı gösterilmiştir. Üç boyutlu ışıma örüntüsündeki değişimleri gözlemleyebilmek için yeni bir metrik ortaya konmuştur. Bu yeni metrik yönsüz antenlerde anten kazancının farklı durumlarda nasıl değişim gösterdiğine ilişkin bir nicel gösterge olmuştur. Bu yeni metrik, üç boyutlu ışıma örüntüsünde kazancın her iki düzlemde (theta ve phi) birer derecelik açılarla basamaklandırılması ve buna bağlı olarak belirlenen kazanç histogramının farklı konfigürasyonlar için karşılaştırılmasını içermektedir. Elde edilen sonuçlar, üstyapının varlığının anten giriş empedansının özellikle gerçel kısmının azalmasına yol açtığını göstermiştir. Gerçel kısmın azalması ise özellikle HF spektrumunun aşağı bölümünde, anten uyumlama devresinin de etkisiyle, anten verimliliğinin düşmesini beraberinde getirmiştir. Diğer taraftan, üstyapı antenin ışıma örüntüsü performansını beklendiği kadar olumsuz etkilemediği ortaya çıkmıştır. Kaynaklar [1]. P.E.Jr. Law, “Shipboard Electromagnetics”, Artech House Publishers, 1987.
© Copyright 2024 Paperzz
