İndir (PDF 3.1 MB)

Düşük Maliyetli Bir Düzlemsel Yakın Alan Anten Ölçüm Sisteminin
Tasarlanması ve Gerçeklenmesi
Yavuz Öztürk1,2, Fatih Üstüner1
[email protected], [email protected],
1
TÜBİTAK UEKAE
Gebze/Kocaeli
2
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü
Fizik Bölümü, Gebze/Kocaeli
Özet: Anten karakterizasyonunda ışıma örüntüsünün tayini önemli yer tutar. Işıma örüntüsü bir uzak alan
parametresidir ve ölçümünün dalga katarlarının eşfazda ilerlediği mesafede gerçekleştirilmesi gerekir. Bu mesafe
eşyönlü antenler için laboratuar ortamında elde edilebilir olmakla beraber yüksek kazançlı yönlü antenlerde elde
edilebilir olmaktan giderek uzaklaşmaktadır. Laboratuar ortamında bu tür bir yüksek kazançlı antenin ancak yakın
alanında ölçüm gerçekleştirilebilir. Diğer taraftan, yakın alan ölçüm sistemlerinin tasarım ve gerçeklenmesi, uzak
alan ölçüm sistemlerine kıyasla daha fazla mühendislik gerektirdiğinden maliyetleri oldukça yüksektir. Düşük
maliyetli, idame ettirilebilir ve yerli bir sistemin elde edilmesine yönelik olarak, TÜBİTAK UEKAE Elektromanyetik
Uyumluluk (EMC) bölümünde bir mühendislik çalışması yürütülmüş ve bir düzlemsel yakın alan ölçüm sistemi
geliştirilmiştir. Geliştirilen sistemle ölçümü gerçekleştirilen bir radyolink anteninin yakın alan ölçüm sonuçları ve
hesaplanan uzak alan sonuçları verilmiştir.
1. Giriş
Işıma örüntüsü ve anten kazancı gibi pekçok anten parametresinin ölçümü, anten ışımasının kararlı hale geldiği uzak
alanda - yani kaynağın Franhaufer bölgesinde - anlamlı hale gelmektedir. Çünkü bu bölgede dalga katarları eşfaza
kavuşmakta, diğer bir deyişle dalga ilerleme yönü dalga katarlarına dik duruma gelmektedir [1]. Oysa yüksek
kazançlı yönlü antenler için, uzak alan mesafesi laboratuar ortamında elde edilebilir olmaktan çıkmaktadır. Örneğin,
10 GHz’de yayın yapan 38 dB’lik kazanca sahip 1 metre çapında bir reflektör antenin uzak alan mesafesi, klasik
2 / denkleminden hareketle, 67 metredir. Klasik yöntemlerle bu türden yüksek kazançlı bir antenin ölçümünün
gerçekleştirilmesi için, büyük boyutlara sahip açık saha test alanları (ASTA) gerekmektedir. Bu tip bir altyapının
oluşturulması oldukça külfetli olduğu gibi pekçok dezavantajları da beraberinde getirmektedir. Özellikle açık saha
test alanlarında olması muhtemel, yerden veya çevredeki diğer unsurlardan yansımalar ölçümün sağlıklı
gerçekleştirilmesine önemli bir engel teşkil etmektedir. Ayrıca, açık sahada yapılan ölçümler meteorolojik şartlara
doğrudan bağlı olmakta ve hava muhalefeti nedeniyle ölçüm yapılabilecek zaman süresi kısıtlanmaktadır. Ayrıca
yağmur, kar, don, rutubet gibi unsurların test altyapısında zaman içerisinde oluşturacakları tahribatın giderilmesi
mecburiyeti de altyapının idamesini zorlaştırmaktadır. Açık saha testlerinin personel açısından da oldukça zahmetli
olduğu bilinen bir husustur. Malzeme/personelin nakli ve ölçüm düzeneğinin kurulumu test süresini belirleyen aslî
unsurlar haline gelmektedir.
Yakın alan ölçümü, yönlü antenlerin laboratuar ortamında ölçülebilmesini mümkün kılmaktadır. Yakın alan ölçüm
teknikleri hassas mekanik altyapıya ve yakın alan ölçüm verisinin uzak alan verisine çevrilmesi için matematiksel
dönüşüme ihtiyaç duyarlar. Bununla birlikte ölçüm mesafesini, ölçüm yapılan frekans dalgaboyunun birkaç katı
mertebesine düşürürler. Ölçümlerde sağladığı hassasiyet ve tekrarlanabilirlik, testlerin hızlıca gerçekleştirilebilmesi
ile sağladığı zaman tasarrufu, personel ihtiyacını minimize etmesi, personel intikali ve araç-gereç nakli gibi
zorlukları ortadan kaldırması, kapalı ortamda testlerin kesintisiz ve güvenli olarak yürütülebilmesi gibi
avantajlarından dolayı yakın alan ölçümü, açık saha testlerine tercih edilebilmektedir[2]. Diğer taraftan, yakın alan
ölçüm sistemlerinin tasarım ve gerçeklenmesi, uzak alan ölçüm sistemlerine oranla daha fazla mühendislik
gerektirdiğinden anahtar teslim sistemler oldukça yüksek konumda fiyatlandırılmaktadır.
Düşük maliyetli, idame ettirilebilir ve yerli bir sistemin elde edilmesine yönelik olarak, TÜBİTAK UEKAE
Elektromanyetik Uyumluluk (EMC) bölümünde bir mühendislik çalışması yürütülmüş ve bir düzlemsel yakın alan
ölçüm sistemi geliştirilmiştir (Şekil 1a). Sistemin mekanik altyapısını oluşturan X-Y tarayıcı, genel amaçlı doğrusal
hareketli mekanik elemanlar kullanılarak tasarlanmıştır. Ölçüm probu olarak açık uçlu dikdörtgen kesitli
dalgakılavuzu kullanılmış, probun iki farklı polarizasyona dönmesini sağlayacak hassas döner motor da sisteme
eklenmiştir. Standart dalga kılavuzu frekans aralıkları baz alınarak, farklı frekans bantlarında ölçüm yapılmasına
olanak sağlayacak şekilde probların tasarımı gerçekleştirilmiştir. 2 m x 2 m boyutlarında bir kare X-Y düzleminde
her iki yönde ve her iki polarizasyonda her yarım dalgaboyu mesafede (λ/2) bir ölçüm alınması gerektiğinden;
motorlar, kontrol birimleri ve bilgisayardan oluşan bir otomasyon altyapısı geliştirilmiştir. X-Y tarayıcının tarama
esnasında Z yönünde sebep olduğu istemsiz hareketlerin ölçümü boyutsal metrolojik araçlar kullanılarak TÜBİTAK
UME tarafından gerçekleştirilmiştir. Yapılan düzlemsellik ölçümlerinde, 2 x 2 m’lik ölçüm düzleminde Z-yönünde
gerçekleşen hatanın ±1.0 mm ile sınırlı kaldığı görülmüştür. Yakın alan ölçümleri için vektör network analizör
kullanılmış, network analizörün mekanik tarayıcı ile eşgüdümü ve ölçüm süresinin kısaltılması için gerekli
çalışmalar yapılmıştır. Yakın alan verisinin toplanması için, test anteni/probu olarak kullanılan açık uçlu dalga
kılavuzu ile ışıma örüntüsü - ölçülen antenin arasındaki araya giriş kaybının (S21 parametresi) genlik ve faz verileri
- X-Y düzleminde her yarım dalgaboyu (λ/2) mesafede kaydedilmiştir. Toplanan veriler 2-boyutlu Fourier
dönüşümünden geçirilerek uzak alan verileri elde edilmiştir. Test anteni/probunun ışıma örüntüsünün ölçüme
etkisinin giderilmesine yönelik uzak alan verileri üzerinde prob telafisi gerçekleştirilmiştir (Şekil 1b).
(a)
(b)
Şekil 1 (a) Yakın Alan Ölçüm Sistemi, (b) Yakın Alan – Uzak Alan Dönüşüm Algoritması
2. Yakın Alan Ölçüm Teorisi
İçerisinde kaynak olmayan, lineer, homojen, izotropik bir ortamda elektrik ve manyetik alanlar için Helmholtz dalga
denklemlerini sırasıyla aşağıdaki gibi yazabiliriz:
+
= 0,
+
=0
(1)
Burada k dalga sayısı olarak bilinir ve bir vektörel büyüklük olup harmonik dalganın propagasyon yönünü verir. k
sabit olduğundan k’yı oluşturan komponentlerden kz, diğer komponentler kx ve ky cinsinden yazılabilir.
=
+
+
∙
,
=
=
+
+
=
=
(2)
(3)
Herhangi bir monokromatik dalga aynı frekansa sahip değişik yönlere yayılan farklı genlikli düzlem dalgaların bir
∞
∞
∙
süperpozisyonu olarak tanımlanabilir: =
,
, buradan hareketle E’nin üç bileşeni
∫ ∫
aşağıdaki şekilde yazılabilir:
, ,
( , , )=
∫
∞
∫
∞
(
,
, ,
)
(4)
Herhangi bir kx, ky ve kz için sadece A(k)’nın iki bileşeni bağımsız seçilebilir, dolayısıyla yukarıda üç denklemle
verilen yapıyı z = zo mesafede yer alan bir xy düzleminde aşağıdaki gibi ifade edebiliriz:
,
( , , =
∞
)=
∞
∫ ∞∫ ∞
(
,
,
)
(5)
Bu denklemler aslında 2-boyutlu Fourier dönüşümleridir. Yönlü antenlerde elektrik alan antenin çevresindeki belirli
bir yüzeyde yoğun olduğundan dolayı Fourier dönüşümünün alınacağı sınırlar daha belirgin hale getirebilir:
,
,
≈
(
)
∫
/
/
∫
/
/
,
( , , = )
(
)
(6)
Düzlem dalga açılımının amacı süperpozisyonu oluşturan düzlem dalgaların yayılma yönlerini ve genliklerini
belirlemektir. z = zo düzlemi üzerinde ölçülen elektrik alanın teğet bileşenleri bize bu imkânı sağlamaktadır. Genlik
fonksiyonu A, elektrik alanın dalga sayısı spektrumu veya düzlem dalga spektrumu olarak adlandırılır. Sonlu sınırlar
içerisindeki integralin doğru sonuç vermesi ölçümü yapılan antenin yönlenmiş bir anten olmasına ve arka ve yan lob
seviyesinin yeterince düşük olmasına bağlıdır.
Burada uzaysal domen ( − domeni) ile açısal domen ( − domen) arasındaki geçiş
= sin cos ,
= sin sin , = cos bağıntıları üzerinden yapılır. Buradan hareketle antenin uzak alan örüntüsü
düzlem dalga spektrum fonksiyonu A cinsinden aşağıdaki gibi hesaplanır:
Burada
= sin
+
⁄
( , , )≈
(
( , , )≈
cos (−
ve
= tan
⁄
cos
+
sin
sin )
+
(7)
cos )
(8)
olmaktadır[2][3].
Düzlemsel tarama tekniğinde bir prob anten, test edilen antenin önünde bir düzlem üzerinde hareket ettirilerek
antenden yayılan işaret genlik ve faz olarak kaydedilir (Şekil 1b). Probun uzaydaki pozisyonu x, y, zo koordinatları
ile test altındaki antene kıyasla verilir. Tarama esnasında zo sabit tutulurken x ve y koordinatları değiştirilerek tüm
yüzeyin taraması gerçekleştirilir. Anten prob mesafesi (zo) için ölçüm yapılan dalgaboyunun 3 ila 10 katı bir değer
seçilir (3λ-10λ). 3 katın altına test altındaki antenin reaktif enerji bölgesine girmemek için inilmez. 10 katın
üstündeyse tarama alanı gereksiz yere daraltılmış olur. Ölçümlerin alındığı noktalar ölçüm yapılan x-y düzlemi
üzerinde Δx ve Δy aralıklı bir dikdörtgen ızgara oluştururlar. Nyquist örnekleme kriterini sağlamak için düzlem
üzerinde ölçüm alınan noktalar arasındaki uzaklığın en fazla ∆ = ∆ = λ/2 kadar olması gerekmektedir.
Örnekleme aralığının bundan daha küçük olmasının mahsuru olmamakla birlikte bunun uzak alandaki çözünürlüğün
artırılmasına da katkısı yoktur. Uzak alandaki çözünürlüğün artırılması, yakın alan verisinin dış kenarlarına suni
sıfırlar eklenmesiyle olur. Böylece örnekleme aralığı azaltılmaksızın örnekleme noktası sayısı arttırılmış olur.
Örnekleme aralığı sabit kaldığından, dalga sayısı limitleri de sabit kalır. İlave gelen dalga sayısı spektrum
noktalarının hepsi orijinal dalga sayısı limitleri içindedir ve hesaplanan uzak alan örüntüsünün çözünürlüğünü
arttırır[3].
Uzak alan seviyesinin hesaplanabilmesi için, yakın alanın hem yatay hem de dikey yönde bileşenlerinin ölçülmesi
gerekmektedir. Ölçümlerde almaç olarak kullanılan açık uclu dikdörtgen dalga kılavuzu, yalnızca tek
polarizasyonda ölçüm alabilmektedir. Her iki polarizasyonun da ölçülebilmesi için sisteme probu 90 derece hassas
bir şekilde döndürecek bir üçüncü motor eklenmiştir. Böylece her ölçüm için bütün yüzey birbirine dik iki
polarizasyon (x- y) için olmak üzere, toplamda iki kez taranmış olur. Tarama alanının genişliği, düzlem merkezine
uzak bölgelerde alınan işaretler en yüksek işaretin 45 dB altında kalacak şekilde ayarlanmalıdır. Bu alanın ölçüm
sonuçlarına zarar vermeyecek şekilde küçük tutulması zamandan tasarruf sağlamaktadır. Ölçülen yakın alan verisi 2boyutlu Fourier dönüşümü kullanılarak k-uzayındaki düzlem dalga spektrumuna dönüştürülür. Test edilen antenin
düzlem dalga spektrumu probun açısal cevabı nedeniyle bozulmaya uğrar. Bu bozulmanın giderilmesi için test
edilen antene ait düzlem dalga spektrumu probun düzlem dalga spektrumuna oranlanır (bölünür). Bu işlem prob
düzeltmesi olarak bilinir. Düzeltilmiş düzlem dalga
−
domeninden açısal domene çevrim denklemleri
kullanılarak (Denklem 7-8) uzak alan örüntüsü bulunur[3].
3. Ölçüm Sonuçları
TÜBİTAK UEKAE EMC Laboratuarında gerçekleştirilen sistem kullanılarak bir radyolink anteninin ölçümü 8 GHz
merkez frekansında gerçekleştirilmiştir. Yakın alan ölçüm sonuçları Şekil 2’de verilmiştir. Uzak alan dönüşümü
gerçekleştirildikten sonra −
domeninde elde edilen uzak alan sonucu ise Şekil 3’te verilmiştir.
Şekil 2, Yakın Alan Ölçüm Sonucu
Şekil 3, Uzak Alan Sonucu
Daha sonra ana düzlemlerde (H ve E düzlemleri) antenin uzak alan örüntüsü hesaplanmıştır. Radyolink anteninin
yakın alan ölçümüyle elde edilen ve hesaplanan ışıma örüntüsünün, antenin üreticisi firma tarafından verilen örüntü
zarfı ile örtüştüğü gözlenmiştir (Şekil 4).
Şekil 4, Ölçüm sonuçlarının üretici firma verileriyle karşılaştırılması (sol:H-düzlemi , sağ:E-düzlemi).
4. Sonuç
Düşük maliyetli ve idame ettirilebilir bir sistemin elde edilmesine yönelik olarak, TÜBİTAK UEKAE
Elektromanyetik Uyumluluk (EMC) bölümünde bir mühendislik çalışması yapılmış ve bir düzlemsel yakın alan
ölçüm sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen sistem temel olarak hassas doğrusal harekete sahip bir mekanik altyapıdan
ve ölçüm verisini almaya ve işlemeye yönelik bir otomasyon/sinyal işleme yazılımından oluşmaktadır. Sistemin
düşük maliyetli gerçekleştirilmesinde en büyük katkı, mekanik altyapının endüstride yaygın olarak kullanılan
doğrusal hareket elemanlarının kullanılarak gerçekleştirilmesi ve yakın alan ölçüm teorisinin doğrudan pratiğe
aktarılması ile ortaya çıkmıştır. Bu şekilde anahtar teslim muadili sistemlere kıyasla maliyet onda birine
düşürülmüştür. TÜBİTAK UEKAE EMC laboratuarı olarak daha büyük boyutlarda ve daha yüksek frekanslarda (<
40 GHz) ölçüm yapabilecek bir sistem üzerinde çalışmalarımız devam etmektedir.
Kaynaklar
[1]. Y. Rahmat-Samii, L.I. Williams ve R.G. Yoccarino, “The UCLA Bi-polar Planar-Near-Field Antenna
Measurement and Diagnostics Range”, IEEE Antennas & Propagation Magazine, Vol. 37, No. 6, Aralık 1995.
[2]. Yaghjian, A.D.: “An Overview of Near-Field Antenna Measurements”, IEEE Transactions on Antenna and
Propagation Vol. AP-34, 1 Ocak 1986.
[3] S. Gregson, J. McCormick ve C. Parini, “Principles of Planar Near-Field Antenna Measurements”, IET
Electromagnetic Waves Series 53.
Teşekkür
Destek ve yardımlarından ötürü TÜBİTAK UME Boyutsal Laboratuarı çalışanlarına, hususiyle Okhan Ganioğlu ve
Orhan Yaman beylere en içten teşekkürlerimizi sunarız.

Download Report