Ankara Üniversitesi Kreiken Rasathanesinde Bulunan Radyo Teleskobun Yönlendirme Mekanizmasının İncelenip Yenilenmesi, Anten Benzetimleri ve Uyumlama Tasarımı
AAnkara Üniversitesi Kreiken RasathanesindeBulunan Radyo Teleskobun YönlendirmeMekanizmasının İncelenip Yenilenmesi, AntenBenzetimleri ve Uyumlama Tasarımı
Türker Dolapçı , Şahin Küliğ , Özgür Ergül Orta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik - Elektronik Mühendisliği Bölümü[email protected], [email protected] Türkiye Amatör Uydu Teknolojileri Derneği (TAMSAT)[email protected] Eylül 2020
Özet
A.Ü. Kreiken Rasathanesinde bulunan, tam dalgaboyunda dipol elemanlarasahip VHF ve UHF anten dizilerinden oluşan tarihi radyo teleskobun faal halegetirilmesi için anten yönlendirme mekanizması incelenip tamir edilmiş, teles-kop anteninin uyumlama tasarımı benzetim ortamında gerçekleştirilmiştir. Kısadevre ile sonlandırılmış paralel iletim hattı saplamaları kullanarak uyumlamatasarlanmıştır. Dipol anten elemanlarının boyunun yaygın tercih edilen yarımdalgaboyu yerine yüksek kazançlı tam dalgaboyu olması, antenin ve uyumlamayönteminin önemini artırmaktadır.
Abstract
To make the historical radio telescope of A.Ü. Kreiken Observatory thatincludes full-wavelength VHF and UHF dipole arrays operational, the antennarotator mechanism is renovated and the antenna matching structure is designedin a simulation environment. The matching structure is designed by using short-circuited parallel transmission line stubs. The use of high-gain full-wavelengthelements, as opposed to the conventional half-wavelength elements, increasesthe importance of the structure and the matching method.1 a r X i v : . [ a s t r o - ph . I M ] S e p Giriş
Ankara Üniversitesi Kreiken Rasathanesinde [1] bulunan, Güneş leke gözlem-lerinde kullanılan radyo teleskop, düzlemsel yansıtıcı üzerine konumlandırılmış
MHz ve
MHz’te çalışan tam-dalga dipol anten dizileri, bu anten dizile-rini döndürmeye yarayan motorlu bir yönlendirme mekanizması, ve bir almaçtanoluşmaktadır. 1960–1980’li yıllarda kullanılan bu radyo teleskop günümüzde faaldeğildir. Sistemin, günümüz teknolojisinden bir hayli geride olmasına karşın, ta-rihi değer taşıması ve dayanıklı yapısı sayesinde hala fiziksel olarak iyi durumdaolması yenilenme ihtimalini gündeme getirmiştir. Bu doğrultuda, anten yönlen-dirme mekanizması incelenmiş ve çalışır hale getirilmiştir. Anten benzetimleriMoM yöntemini kullanan NEC tabanlı 4NEC2 [2] programıyla gerçekleştirilmiş-tir. Benzetimler vasıtasıyla kazanç analizlerinin yanı sıra, çeşitli empedanslarasahip iletim hatlarının kullanılmasıyla anten dizilerinin Ohm’a uyumlamasısağlanmıştır. Tam dalgaboyundaki elemanlara sahip bir dipol anten dizisininçeyrek dalga boyu dönüştürücüler ve kısa devre yapılmış saplamalarla uyum-lanması, literatürde karşılaşılmamış özgün bir çalışma olarak öne çıkmaktadır.
Yönlendirme mekanizması, anten dizilerinin Güneş’i takip etmesi için motorlararacılığı ile yanca ekseninde hareket sağlamaktadır. Mevsime bağlı olarak deği-şen Güneş pozisyonuna göre ayarlanması gereken yükseliş açısı ise bir el meka-nizması ile değiştirilmektedir. Çalışma başlangıcında yapılan ilk incelemelerde,yönlendirme mekanizmasının uzun süredir kullanılmamasından dolayı dişlileri-nin arasında bulunan gres yağının katılaştığı ve bu yüzden çalışmadığı gözlem-lenmiştir. İlk olarak, tüm aksam yağ çözücü ile temizlenmiş ve ağır çevreselkoşullarda kullanıma uygun tipte gres yağı ile yağlanmıştır. Bu sayede, yönlen-dirme mekanizmasının hareket etme yeteneğini tekrar kazanması sağlanmıştır.Şehir şebekesi elektriğiyle çalıştırılan motorlardaki elektriksel donanım baş-tan sonra kontrol edilmiş, mekanizma parçalarının fonksiyonları incelenmiştir.Anten üzerindeki iki adet tek fazlı asenkron motordan birinin Güneş takibi içinhareketi, diğerinin ise hızlı başa almayı sağladığı gözlemlenmiştir. Güneş taki-bini sağlayan motorun, dişlilerin de yardımıyla Güneş’in hareket hızına uyumluhareket gerçekleştirdiği anlaşılmıştır. Asenkron motorlar ilk kalkış anında hare-kete geçme eğiliminde değildir. Hareketi başlatmak için, aynı zamanda hareketyönünü de belirleyen, yardımcı sargı içermektedirler. Hareketi sürdüren ana sar-gıya sürekli, hareketi başlatan yardımcı sargıya ise kısa bir süre enerji verilmesigerekmektedir. Güneş takibi için hareketi sağlayan motorun yardımcı sargılarınaenerji gitmediği ve başlangıç rölesinin arızalı olduğu, bu yüzden dönüş hareke-tinin başlayamadığı tespit edilmiştir. Yaklaşık 70 yaşındaki arızalı elektrome-kanik rölenin yenisini bulmak güç olacağından, arızayı gidermek için aynı işleviyerine getirebilecek güncel teknolojiye sahip elektronik zaman rölesi kullanılmış-tır. Yapılan testlerde yardımcı sargıya yaklaşık sn enerji verildiğinde motorundönmeye başladığı gözlemlenmiştir. 2onuç olarak, yönlendirme mekanizması yapılan bakım ve tamirattan sonramekanik ve elektriksel olarak çalışır hale getirilmiştir. Yönlendirme mekanizmasının üzerinde
MHz’te çalışan yatay polarizasyonasahip iki elemanlı ve
MHz’te çalışan dikey polarizasyona sahip sekiz elemanlıanten dizileri bulunmaktadır. Dizi elemanları olarak çalışma frekanslarında tamdalgaboyu uzunluğuna sahip dipol antenler kullanılmıştır. Anten elemanları,üzerinde bulundukları yansıtıcı ızgaradan çeyrek dalgaboyu kadar yukarıya yer-leştirilmiştir. Boyutları × cm olan yansıtıcı ızgarayı oluşturan çubuklar,çalışma frekanslarındaki dalgaboylarının onda birine denk gelen aralıklarla di-zilmiştir. Yatay antenlerin çapı . cm, dikey antenlerin çapı cm, ızgarayıoluşturan çubukların çapı cm’dir.Çalışma frekansı MHz olan dikey dipol dizisinin elemanları arasındakibağlantılar, aralarında . cm uzaklık bulunan . cm çapındaki paralel iletkenlidengeli iletim hatlarıyla sağlanmıştır. Dizi elemanları ikinin kuvvetleri olarak üçaşamada birleştirilmiştir. Antenlerden ortak besleme noktasına doğru uzananilk grup iletim hattı yarım dalgaboyu, ikinci grup iletim hattı yarım dalgaboyu,üçüncü grup (ortak besleme noktasına en yakın) iletim hattı ise tam dalga-boyu uzunluğundadır. Çalışma frekansı MHz olan yatay dipol dizisinde iseherhangi bir besleme yapısı mevcut değildir. Bu anlatılan duruma göre 4NEC2programı vasıtasıyla oluşturulan model Şekil 1’de gösterilmiştir.Rasathanede bulunan yazılı kaynaklarda [3],
MHz frekansındaki dizininortaklanmış bağlantı yerinin uygun bir balun ve Ohm empedans değerine sa-hip eşeksenli bir iletim hattı vasıtasıyla almaca bağlandığı belirtilmiştir. Diğer(
MHz) frekanstaki dizinin elemanlarının ise, çeyrek dalgaboyu uzunluğun-daki iletim hatlarıyla birbirlerine bağlandıkları, sonrasında uygun bir balun veŞekil 1: Benzetim ortamında oluşturulan anten modeli.3ekil 2: 4NEC2 programında bulunan uyumlama aracı. Ohm empedans değerine sahip eşeksenli bir iletim hattı ile almaca bağlan-dıkları belirtilmiştir.Tam dalgaboyu dipoller genelde geometrik merkezleri dışındaki bir veya bir-den fazla noktadan beslenerek kullanılırlar. Bunun nedeni orta noktadaki akımyoğunluğunun düşük olması ve çok yüksek empedans değeridir [4]. Merkezdenbesleme için ise mutlaka uyumlama devresi tasarımı gerekmektedir [5]. Birdenfazla elemanın paralel bağlanmasıyla elde edilen dizide empedans, tek elemanempedansına kıyasla düşük olsa da, Ohm’dan yüksektir.Çalışma frekansı
MHz olan dizi elemanları, benzetim ortamında iki adetçeyrek dalgaboyu uzunluğunda
Ohm empedans değerine sahip dengeli iletimhattıyla ortalarından birbirine bağlanmıştır. Elde edilen bağlantı noktasındakiempedans değerinin paralel saplama yöntemiyle [6] Ohm’a uyumlanabilecekmertebede olduğu gözlemlenmiştir. 4NEC2 programındaki uyumlama aracının(Şekil 2) kullanılmasıyla, bu ortak nokta L1= cm uzunluğundaki Ohmempedans değerine sahip dengeli iletim hattı ve kısa devre ile sonlandırılmışL2= cm uzunluğundaki . Ohm empedans değerine sahip RG58 eşeksenlisaplama ile Ohm’a uyumlanmıştır. Çalışma frekansı
MHz olan dizidekieleman bağlantıları halihazırda bulunduğu için, doğrudan 4NEC2 programın-daki uyumlama aracının kullanılmasıyla paralel saplama yöntemiyle uyumlamagerçekleştirilmiştir. Uyumlama aracıyla yapılan hesaplamalarda, L1= . cmve L2= . cm kullanıldığında anten uyumlamasının başarılı olarak gerçekleş-tiği gözlemlenmiştir.4NEC2 programıyla gerçekleştirilen uyumlama öncesi ve sonrası yansımakatsayıları Şekil 3’te, dizilerin merkez çalışma frekanslarındaki kazanç örüntüleriise Şekil 4’te gösterilmiştir. Yatay anten dizisinin dB hüzme genişliği ◦ vekazancı . dBi, dikey anten dizisinin dB hüzme genişliği ◦ ve kazancı . dBi olarak hesaplanmıştır. 4ekil 3: Uyumlama öncesi ve sonrası yansıma katsayıları.Şekil 4: Dizilerin merkez çalışma frekanslarındaki kazanç örüntüleri.5 Sonuç
Bu çalışmada, A.Ü. Kreiken Rasathanesinde bulunan radyo teleskobun yönlen-dirme mekanizması ve anten dizileri incelenmiştir. Sistemin yeniden faal hale gel-mesinde kritik öneme sahip yönlendirme mekanizması çalışır hale getirilmiştir.Benzetim ortamında gerçekleştirilen çalışmalarla, anten dizilerinin beslemeleri-nin 50 Ohm’luk almaçlara uyumluluğu sağlanmıştır. Tam dalgaboyundaki dipolanten dizilerinin besleme tasarımları çeşitli empedanstaki iletim hatlarının kul-lanımıyla planlanmış, iletim hattı uzunlukları 4NEC2 programındaki uyumlamaaracı vasıtasıyla hesaplanmıştır.L1 uzunluğunda ve Ohm empedans değerine sahip dengeli iletim hattın-dan sonra kart tipi bir Ohm balun kullanılması, hemen ardından isekart üzerindeki mikroşerit hatta paralel takılacak kısa devre ile sonlandırılmışRG58 eşeksenli iletim hattı ile L2 uzunluğunda saplama uyumlaması gerçek-leştirilmesi, her iki dizi için de kolay ve etkili bir uyumlama gerçeklemesidir.Benzetim sonucu elde edilen yansıma katsayısı değerlerinin her iki dizi için degeniş bir frekans bandında − dB seviyesinin altında olması, uygun bir uyum-lama tasarımının gerçekleştirildiğini göstermektedir. Teşekkür
Yazarlar, bu çalışma fikrini gündeme getiren Barış Dinç’e, çalışmanın yapılmasıiçin radyo amatörlerine kapılarını açan A.Ü. Kreiken Rasathanesine, başta A.Tahir Dengiz olmak üzere saha çalışmasında yer alan TAMSAT üyelerine, reh-berlikleri ve yönlendirmeleri için Prof. Özlem Aydın Çivi, Prof. Sencer Koç, veProf. Canan Toker’e teşekkür eder.
Kaynaklar [1] Web sayfası: http://rasathane.ankara.edu.tr/ [1 Nisan 2020].[2] Web sayfası: [1 Nisan 2020].[3] Solar Noise Receiving Equipment for and
MHz. Kullanma kılavuzu,PTT Nederland, Hollanda, 1960.[4] Idris S. H. ve Hadzer C. M., “Analysis of the radiation resistance and gain ofa full-wave dipole,”
IEEE Antennas and Propagation Magazine , cilt.36 no.5,s.45-47, 1994.[5] Ding C., Jones B., Guo Y.J. ve Qin P., “Wideband matching of full-wavelength dipole with reflector for base station,”
IEEE Transactions onAntennas and Propagation , cilt.65 no.10, s.5571-5576, 2017.[6] Pozar D.M.,