İyonosferik uzaktan algılama ve düşük frekans radyo astronomi uygulamalarına yönelik geniş bantlı aktif alıcı anten tasarımı

Abstract

Günümüzde yüksek bant genişliği ve kompakt tasarım isterlerinden kaynaklı birçok haberleşme uygulaması UHF ve üstü frekans bantlarını kullanmaktadır. Bu bantların yanı sıra UHF altı frekans bantlarının kendilerine has özellikleri bu bantlara olan ilginin devamlılığını sağlamaktadır. Bu bantlarda yapılan çalışmalara bakıldığında özellikle iyonosferik radar ve düşük frekans ( < 100 MHz ) radyo astronomi uygulamaları gibi bilimsel çalışmaların ilgili bantları yoğun bir şekilde kullandığı gözlemlenmektedir. Söz konusu bantlarda, frekansın düşmesi dalga boyunu artırmakta bu da çeşitli zorlukları beraberinde getirmektedir. Frekansın düşmesi ile antenlerin fiziksel boyutları artmakta ve yüksek bant genişliği isteyen uygulamalar için antenlerin mekanik yapısı çok fazla karmaşık bir hale gelebilmektedir. Bu duruma alıcı ön ucu kısmı için alternatif bir çözüm olarak literatürde trasistörlü ön-kuvvetlendiriciler ile tasarlanan aktif anten yapıları önerilmektedir. Pasif radyatör terminallerinde doğrudan bağlanan bir aktif devre ile anten boyutları önemli ölçüde düşürülebilmektedir. Öte yandan radyo astronomi çalışmalarında astrofizikçiler tarafından talep edilen yüksek çözünürlük isteri, düşük frekans radyo astronomi çalışmalarında pratikte mümkün olmayan anten boyutları ile sonuçlanmaktadır. Elektriksel olarak kısa antenlerin interferometrik bir düzen içerisinde kullanımı, bu durum için pek çok radyo astronomi merkezinde yaygın çözüm olarak uygulanmaktadır. Düşük frekans radyo astronomi uygulamalarında yüksek çözünürlük, binlerce alıcı antenin interferometrik bir düzende, eş zamanlı kullanımı ile elde edilmektedir. Anten sayısında yaşanan bu artış nedeniyle interferometri dizisinde kullanılacak antenler için düşük maliyet, kolay üretim ve kolay kurulum gibi tasarım isterleri ortaya çıkmaktadır. Bu isterler, antenlerin proje bazlı olarak tasarlanması anlamına gelmektedir. Bu çalışmada 1 – 50 MHz arası iyonosferik radar ve düşük frekans radyo astronomi uygulamalarına yönelik bir aktif alıcı anten tasarımı önerilmiştir. Tasarlanan anten pasif radyaör yapısı, aktif anten ve anten iskeletinden oluşmaktadır. Pasif radyatör yapısının tasarımı için literatürde bulunan anten topolojileri incelenmiş, bunun sonucunda düşük maliyet, üretim ve kurulum kolaylığı gibi isterlerden dolayı ters-V (inverted-V) dipol anten topolojisi seçilmiştir. Pasif radyatör olarak seçilen yapının doğal frekans cevabı aktif anten tasarımında belirleyici olmuştur. Pasif radyatör terminallerine doğrudan bağlanan aktif anten yapısı voltaj örnekleme yöntemi kullanılarak tasarlanmıştır. Tasarlanan ve üretilen aktif devrenin ölçümleri Red Pitaya SDR kullanılarak yapılmış, aktif devrenin talep edilen 30 dB kuvvetlendirme oranını sağladığı gösterilmiştir.Today, due to the demands for high bandwidth and compact design, many communication applications use UHF and higher frequency bands. In addition to these bands, the unique characteristics of the sub-UHF frequency bands continue to maintain interest in them. Observations in these bands, especially in scientific studies such as ionospheric radar and low frequency (< 100 MHz) radio astronomy applications, indicate intensive use of the relevant bands. The decrease in frequency in these bands increases the wavelength, which brings various challenges. With the decrease in frequency, the physical sizes of the antennas increase, and the mechanical structure of the antennas can become overly complex for applications requiring high bandwidth. As a solution to this situation, the literature suggests the use of active antenna structures designed with transistorized pre-amplifiers. The antenna sizes can be significantly reduced with an active circuit directly connected to the passive radiator terminals. In radio astronomy studies, the high resolution demanded by astronomers results in antenna sizes that are practically unfeasible for low-frequency radio astronomy. As a solution, the use of electrically short antennas within an interferometric array has been introduced. In low-frequency radio astronomy applications, high resolution is achieved through the simultaneous use of thousands of receiving antennas in an interferometric arrangement. This increase in the number of antennas leads to design requirements such as low cost, easy production, and easy installation for the antennas to be used in the interferometry array. These requirements imply that the antennas are designed on a project basis. In this study, an active receiving antenna design for ionospheric radar and low-frequency radio astronomy applications in the 1 – 50 MHz range is proposed. The designed antenna consists of a passive radiator structure, an active antenna, and an antenna skeleton. For the design of the passive radiator structure, antenna topologies found in the literature were examined, and as a result, the Inverted-V dipole antenna topology was selected due to requirements such as low cost, ease of production, and installation. The natural frequency response of the chosen passive radiator structure was decisive in the design of the active antenna. The active antenna structure, directly connected to the terminals of the passive radiator, was designed using the voltage sampling method. The measurements of the designed and manufactured active circuit were conducted using the Red Pitaya SDR, and it has been demonstrated that the active circuit provides the required 30 dB amplification ratio.