İnsansız Hava Aracı Kullanarak Anten Işıma Örüntüsü Ölçümü

URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
İnsansız Hava Aracı Kullanarak Anten Işıma Örüntüsü Ölçümü
Emre Aydemir1, Erhan Güleç2, Mustafa İlarslan2, Mansur Çelebi2, Ekrem Demirel3, Fatih Üstüner4
1
2
Hava Harp Okulu, Eln. Müh., Yeşilyurt, İstanbul, [email protected]
Hava Harp Okulu, HUTEN, Yeşilyurt, İstanbul, [email protected], [email protected]
3
TÜBİTAK UME, Gebze, Kocaeli, [email protected]
4
TÜBİTAK BİLGEM UEKAE, Gebze, Kocaeli, [email protected]
Özet: Kompleks platformlar üzerinde yer alan düşük frekanslı yönsüz antenlerin tesis edildikleri platformun
üstünde ışıma örüntüsü ölçümlerininyapılması bu tip antenlerin büyüklüğü ve uzak alan gereksinimleri nedeniyle
oldukça zorludur. Bu probleme bir çözüm sağlamak üzere insansız hava aracı ile ışıma örüntüsü ölçümüne
yönelik bir girişimde bulunulmuştur. Kavram gösterimi için otopilotla teçhiz edilmiş bir uzaktan kumandalı
(R/C) model uçak kullanılmıştır. Test altındaki anten olarak bir log peryodik antenden yararlanılmış ve bu
antenin yanca ışıma örüntüsü ölçülmüştür. Ölçülen ışıma örüntüsünün hesaplanan örüntüyle oldukça benzerlik
içermesi yöntemin kullanılabilirliği konusunda umut verici olmuştur.
Abstract: The in-situ radiation pattern measurement of low frequency antennas on complex platforms is a
challenging job due to the large antenna sizes and large distances for far field requirements. In order to propose
a solution for this problem, an attempt is made by using an unmanned aerial vehicle for the radiation pattern
measurement. A radio controlled (R/C) model aircraft equipped with an autopilot system is used for the concept
demonstration. A log-periodic antenna is used as the antenna under test and the azimuthal radiation pattern of
the antenna is measured. The quite good agreement of the measured pattern with that of the simulated pattern
promises that the UAV may be used for antenna radiation pattern measurement.
1. Giriş
Monopol antenler idealde eşyönlü örüntülere sahiptirler. Bununla birlikte savaş gemisi gibi kompleks
geometriye sahip platformlar üzerine yerleştirildiklerinde, anten ışıma örüntüleri ideal beklentilerden sapar ve
bazı yönlerde ölü bölgelerin (null) doğmasına yol açar. Kompleks platformların elektromanyetik simülasyonları
antenlerin doğru yerleştirilmesi açısından oldukça faydalıdır. Bununla birlikte doğrulama için bazen gerçek
platform üzerinde anten ışıma örüntüsü ölçümlerinin yapılması gerekebilir. Bir savaş gemisinin uzunluğunun en
az 50 m olduğu düşünülürse gemi gövdesiyle büyük etkileşime sahip HF antenleri gibi antenlerin uzak alan
gereksinimleri anten ışıma örüntüsü ölçümlerinde 500 m gibi büyük mesafelerdir. Ayrıca yanca ışıma
örüntüsünün farklı yükseliş açıları için ölçülmesi gerekebilir. Büyük mesafelerde ölçümlerin gerektiği bu gibi
durumlarda genelde uçaklardan ve helikopterlerden faydalanılır. Bu yöntem kullanılarak yapılan ışıma örüntüsü
ölçümlerine ilişkin detaylı bilgi kaynaklarda mevcuttur [1,2]. Ancak insanlı hava araçlarında ölçüm
maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle alternatif çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla ucuz maliyetli
insansız hava araçlarıyla ışıma örüntüsü ölçülmesine yönelik bir deneysel çalışma yapılmıştır.
Kavramsal ölçüm düzeneği Şekil 1’de verilmiştir. Bu fikrin gerçeklenebilirliğini kontrol etmek amacıyla çok
ucuz bir sistem ortaya konmuştur. Çalışmada 1.8 m kanat açıklığına sahip bir R/C model uçak, bir otopilot ve
GPS ile donatılarak otonom uçuş yapan bir insansız hava aracına dönüştürülmüştür. Yerde konuşlı test anteni
olarak bir log-peryodik anten seçilmiştir. Test frekansı 433 MHz olarak seçilmiş ve bu frekansta yayın yapan
lisans gerektirmeyen, sabit çıkış güçlü (500 mW) bir verici uçağa yerleştirilmiştir. Test frekansında çeyrek dalga
boyuna sahip bir monopol anten uçağın kanadının ortasına yerleştirilen bir toprak düzleminin üstüne
yerleştirilmiştir. Karşılıklık (reciprocity) kanunu geçerli olduğundan herhangi bir anten verici veya alıcı
konumunda olabilirken, bu denemede ticari bir spektrum analizörden alıcı olarak yararlanmak amacıyla yerdeki
antenin alıcı, uçağın üzerindeki antenin ise verici olmasına karar verilmiştir.
2. İnsansız Hava Aracı (İHA)
Üretim maliyetlerinin düşmesi, insan hayatının risk olmaktan çıkması ve gerçek zamanlı veri transferini
gerçekleştirebilmeleri nedeniyle İHA’ların kullanımı hızla artmaktadır. İHA’lar genellikle askeri görevlerin
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
ifasında kullanılmaktadır. Bununla birlikte ucuz GPS alıcılarının ve otopilot modüllerinin erişilebilir hale
gelmesiyle birçok bilimsel araştırma projesinde de İHA’lar kullanılabilir hale gelmiştir [3]. Bu çalışmada,
istenilen uçuş profilinin daha rahat elde edilebilmesi için ve kararlı uçuş karakteristiği nedeniyle uçak tipi bir
İHA kullanımına karar verilmiştir. Kullanılan R/C model uçak oldukça standart bir konfigürasyona sahip olup
2.4 GHz’de kumandası, servo motorları, bataryası, elektronik hız kontrolü ve pervanesiyle bir bütün
oluşturmaktadır. Çalışmada model uçaktan beklenen uçuş profili alıcı antenden belirli bir yükseklik ve uzaklıkta
sabit çapa sahip bir dairede uçuş yapmasıdır. Model uçağın bu uçuş profilini otomatik gerçekleştirebilmesi için
ataletsel ölçüm birimine sahip bir otopilot ve GPS alıcı standart model uçak konfigürasyonuna eklenmiştir.
Şekil 1. Işıma örüntüsü ölçüm düzeneği
İHA’nın ve yer kontrol istasyonunun blok diyagramı Şekil 2’de verilmiştir. Bu konfigürasyonla İHA havada 30
dakika süreyle 120 km/s hızla ve belirtilen uçuş noktaları arasında otonom olarak uçuş gerçekleştirebilmektedir.
Seyrüsefer parametreleri uçuş sırasında yer istasyonundan değiştirilebilmektedir.
R/C Transmitter
R/C Receiver
R/C - Autopilot
Switch
PC Ground
Station
Ground Station
Antenna
UAV Antenna
& XBEE Modem
5 GHz Video
Transmitter
Video Antenna
XBEE Modem
Autopilot with
Embedded IMU
On Screen
Display Module
Battery Voltage
& Current Sensor
Servos, ESC
GPS
VGA Camera
Şekil 2. Yer Kontrol İstasyonu (sol) and İHA (sağ) aviyonik blok diyagramları
3. Ölçüm ve Simülasyon
Ölçüm mümkün olduğu kadar engel ve yükseltilerden uzak bir spor sahasında gerçekleştirilmiştir. İHA
tarafından izlenen dairesel yörünge 80 m çapındadır. Log-peryodik anten bu dairesel yörüngenin tam ortasına
yerden 2 m yükseklikte dikey polarizasyonda yerleştirilmiştir. Uçağın yerden yüksekliği (irtifası) 30 m’de
tutulmuştur. Böylece 200 yükseliş açısında olan bir yanca kesitinde örüntü ölçümü yapılmıştır. Uçuş dairesinde
tam bir tur atmak için gereken süre ile spektrum analizörü sıfır span modunda tarama süresi eşleştirilerek örüntü
ölçümü için gerekli senkronizasyon sağlanmıştır.
Örüntü karşılaştırmasında kullanabilmek için log-peryodik antenin simülasyonu yapılmıştır. Bu amaçla anten
dielektrik katsayısı 4 ve iletkenliği 0.005 seçilen bir toprak düzlemi üzerinde NEC’de modellenmiştir. Işıma
örüntüsü simülasyonu yine 200 yükseliş açısındaki bir yanca kesit baz alınarak yapılmıştır.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Ölçüm ve simülasyon sonuçları Şekil 3’te verilmiştir. Mavi eğri ölçüm sonuçlarını gösterirken, kırmızı eğri
simülasyon sonuçlarını göstermektedir. Şekilden görüldüğü gibi, örüntünün ön lobunda ve arka sıfır noktasında
oldukça büyük bir uyum elde edilmiştir. Örüntünün antenin arka tarafında ise bir miktar sapma mevcuttur.
Bunun gerçek antenin simülasyonundaki eksiklikten kaynaklandığı düşünülmektedir.
90
20
120
60
15
150
30
10
5
180
0
210
330
240
300
270
Şekil 3. Log-peryodik antenin 200 yükseliş açısında yanca ışıma örüntüsü; teorik (kırmızı eğri) ve
ölçüm (mavi eğri)
4. Sonuç
Bir log-peryodik antenin ışıma örüntüsü bir İHA kullanılarak oldukça doğru bir şekilde ölçülmüştür. Elde edilen
sonuçlar yöntemin kullanılabilir olduğunu göstermiştir. Ayrıca R/C model uçak bazlı ucuz bir İHA’nın tecrübe
sahibi olmayan kullanıcılar tarafından da geliştirilebileceği ve istenilen amaç doğrultusunda kullanılabileceği
gösterilmiştir. Bu çalışmada iki boyutlu ışıma örüntüsü verisi kaydedilmiştir. Uçuş profili parametrelerinin yer
istasyonundan değiştirilebilmesi mümkün olduğundan örüntünün üç boyutlu elde edilebilmesi de imkan
dahilindedir. Mevcut çalışmada karşılaşılan en büyük olumsuzluk rüzgarlı havanın etkisi olmuştur. Model
uçakların, belirli bir süratin üstünde esen rüzgarlı havalarda otonom belirlenen uçuş profilini izleyebilmeleri
oldukça zordur. Bu nedenle gelecekteki çalışmalarda daha büyük kanat açıklığına ve daha güçlü motora sahip bir
uçağın kullanılması veya quad-copter tarzı yeni platformlara geçiş planlanmaktadır.
Günümüzde, elektromanyetik simülasyon anten performansının tahmininde oldukça önemli bir yer tutmaktadır.
Bununla birlikte, hiçbir simülasyon gerçek bir ölçümün yerini dolduramamaktadır. Dolayısıyla, birçok kişi
antenin gerçek saha performansını merak etmeye devam edecektir. Büyük antenlerin ışıma örüntüsü
ölçümlerinde İHA kullanımı ölçüm maliyetlerinin düşürülmesi açısından büyük gelecek vaat etmektedir.
5. Teşekkür
Bu çalışmanın gerçekleştirilmesinde verilen maddi destek nedeniyle TÜBİTAK’a teşekkürü bir borç biliriz.
Kaynaklar
[1]. B. Witvliet, “Airborne evaluation/verification of antenna patterns of broadcasting stations”, EMC 2006, 18th
International Wroclaw Symposium And Exhibition On Electromagnetic Compatibility, Wroclaw, Polonya, 2006
[2]. Rep. ITU-R SM.2056, “Airborne evaluation/verification of antenna patterns of broadcasting stations”,
(question ITU-R 225/1), 29 Eylül 2005.
[3]. M. Quigley, Provo, M.A. Goodrich, R.W.Beard, “Semi-autonomous human-UAV interfaces for fixed-wing
mini-UAVs”, IROS 2004 International Conference on Intelligent Robots and Systems, Sendai, Japonya, 2004,
sayfa 2457– 2462.