PATCH-ANTENNI GPS-VASTAANOTTIMEEN

Transkriptio

1 PATCH-ANTENNI GPS-VASTAANOTTIMEEN Pekka T. Pussinen, OH8HBG Marko Autti, OH9LMP/OH9CW Testikäyttöön tarvitaan joskus GPS-vastaanotinantennia, jonka koolla ja painolla ei ole juurikaan merkitystä. Tässä artikkelissa kuvataan tällaisen vastaanotinkäyttöön tarkoitetun antennin rakentaminen. Nykyisin GPS-vastaanotinmoduleita (Global Positioning System) käytetään laajasti erilaisissa sovelluksissa. Näitä vastaanottimia päätyy harrastajien käsiin usein niin tuotekehitysvaiheen prototyyppien kuin lopputuotteiden käytöstäpoistumisen muodossa. Moduleille on yleensä ominaista kohtuullisen suuri virrankulutus ja suuri koko verrattuna kädessäpidettäviin GPS-vastaanottimiin. Tämän vuoksi ne harvoin soveltuvat paristokäyttöisiksi vastaanottimiksi. Samoin modulivastaanottimissa on tyypillisesti antenniliitin, mutta ei integroitua antennia. Koska modulivastaanottimille ei löydy juuri muuta kuin kokeilu- ja testikäyttöä, ei antennin koolla ole juurikaan väliä. Yleensä vastaanottimien herkkyys on riittävä, jotta vastaanotin saa lukittauduttua GPS-lähetteeseen muutana dbd:n vahvistuksen omaavalla antennilla. Osa modulivastaanottimista kuitenkin tarvitsee esivahvistimen tai erittäin hyvälaatuisen antennin. Antennia, jossa on sisäänrakennettu esivahvistin jonka käyttöjännite syötetään antennikaapelia pitkin, kutsutaan aktiiviantenniksi. GPS-lähete GPS-järjestelmä koostuu 24 Yhdysvaltain puolustushallinnon omistamasta satelliitista, jotka kiertävät tasaisesti jakaantuneena maapalloa. Satelliiteista 21 on aktiivisessa käytössä ja kolme varalla. Jokainen satelliitti lähettää hajotettua kellosignaalia, jonka mukana ne ilmaisevat lisäksi omaa paikkaansa ja muiden satelliittien paikka- ja toimivuustietoa. Satelliittien lähete on hajautettu samalle taajuudelle CDMA-tekniikalla (Code Division Multiple Access) jonka vuoksi jokainen satelliitti voi lähettää yhtäaikaisesti tietoa samalla taajuudella. Vastaanotin tietää satelliittien käyttämät hajoituskoodit ja voi kuunnella yksittäistä satelliittia käyttämällä satelliitin koodia lähetyksen purkamiseen. GPS-järjestelmä lähettää tietonsa kahdella taajuudella; L1-taajuudella (keskitaajuus 1575,42 MHz) lähetetään julkisesti vastaanotettavaksi tarkoitettua tietoa ja L2-taajuudella (keskitaajuus 1227,6 MHz) sotilaskäyttöön tarkoitettua salattua tietoa, jonka tarkkuus on parempi. Vuoteen 2000 saakka L1-taajuudella

2 käytettiin lisäksi SA-häirintää (Selected Availability) jolla tarkoituksellisesti heikennettiin paikannustarkkuutta. Tätä häirintää pystyttiin kiertämään mm. merenkulun tarpeisiin käyttämällä vertailuvastaanotinta, joka lähetti korjaustiedon laivoille. Tätä järjestelmään kutsutaan DGPS-nimellä (Differential-GPS) ja se on käytössä edelleen. Lähete on moduloitu BPSK-modulaatiolla (Binary Phase Shift Keying) ja sen kaistanleveys on XXX khz. Lähete on oikeakätistä pyöriväpolarisoitu (RHCP, Right Hand Circular Polarization). 2 Erilaisia GPS-antennityyppejä Tähän lyhyesti selostus aktiiviantennit (gain + antennagainiesimerkki) quadrifilaariset patchit laskelmalla osoitus ison antennin hyväksynnästä Antenni Internetistä löytyy lukuisia rakennusohjeita GPS-vastaanotinantenneille. Yleisimmät antennit ovat joko patch-antenneja tai quadrifilaarisia Helix-antenneja. Molempien hyötynä on tavalliseen dipoliantenniin verrattuna suuntaavuus ja kohtuullisen yksinkertainen rakenne. Yleisin antennityyppi on yksinkertainen, neliömallinen patch-antenni. Tällaisella antennilla on suuntaavuutta muutama desibeli dipoliantenniin nähden, mutta se on lineaarisesti polarisoitunut. Koska GPS:n lähete on oikeakätisesti pyöriväpolarisoitu, menetetään vastaanotetusta tehosta lineaaripolarisoitua antennia käytettäessä noin puolet, eli 3 db. Koska monesti viimeisten desibelien sisään mahtuu useita kuultavissa olevia satelliitteja, on antennin parantamiseen käytettävä aika nopeasti maksanut itsensä takaisin. Neliömallisesta patch-antennista saadaan helposti pyöriväpolarisoitu, kun leikataan antennin kulmat pois. Tällaista antennityyppiä kutsutaan typistetyksi neliöpatch-antenniksi (Truncated Rectangular Patch). Lyhyesti patchin toiminnasta miksi säteilee Antenniteoriaa

3 3 miten pyöriminen syntyy miten 50 ohm sovitus tapahtuu mitkä ovat merkityksellisiä parametreja Materiaali Antennin voi rakentaa monistakin eri materiaaleista, jotka ovat hyvin sähköä johtavia. Käsitelty antenni rakennettiin kuitenkin käyttäen heijastajana 2 mm vahvuista alumiinilevyä ja säteilijänä 1 mm vahvuista kuparilevyä. Alumiinin etuina on keveys, jäykkyys ja säänkesto, mutta siihen ei voida juottaa suoraan syöttökaapelin vaippaa. Tämän vuoksi käytettiin N-runkoliitintä, joka ruuvattiin pohjalevyyn. N-liittimenä käytettiin kohtuullisen hyvälaatuista Suhnerin naaraspuolista N- liitintä, joita löytyi varastosta. Liittimessä oli lisäksi kumitiiviste, jolloin se saadaan ulkokäyttöön soveltuvaksi kohtuullisella tiivistämisellä. Liittimen keskikarva juotettiin kiinni kupariseen säteilijään ja lopuksi katkaistiin oikean mittaiseksi. Liitin ruuvattiin kiinni alumiiniseen pohjalevyyn tavallisilla 8 mm pituisilla M4- ruuveilla. Lisäksi säteilijä tuettiin keskikohdastaan muovisella M4-ruuvilla ja 10x10x5 mm paksuisella muvinpalalla paikalleen heijastajalevyn keskelle. Työstössä käytettiin peltileikkuria, poraa ja kierretappia, jolla tehtiin alumiiniseen pohjalevyyn kierteet ruuveja varten. Kierretapin käyttäminen oli välttämätöntä, sillä ruuvien kannat säteilijän ja heijastajan välissä muuttavat antennin sovitusta. Osien mitoitus Osien suunnitteluun käytettiin hyväksi Internetistä löytynyttä vasenkätiselle pyörivälle polarisaatiolle suunniteltua 2,4 GHz langattoman lähiverkon (WLAN) antennia. Antenni skaalattiin L1-taajuudelle (1575,42 MHz) ja saatua tulosta käytettiin lähtökohtana antennisimulointeihin. Antennin heijastajan ja säteilijän mitat ja muodot ovat esitetty kuvassa 1. Alumiiniseen ja kupariseen levyyn porattiin reiät kuvien osoittamille paikoille siten, että 4,0 mm halkaisijaltaan olevat kierteytetyt reiät porattiin 3,2 mm terällä ja kierteytettiin kierretapin avulla. Heijastajalevyn liittimen kiinnitysruuvien reikien sijainti riippuu käytettävästä liitintyypistä. Antennin säteilijän mitoitus on syytä tehdä huolellisesti, sillä aallonpituus käytetyllä taajuusalueella on vain 19 cm. Aallonpituuteen verrattuna säteilevän elementin koko on pieni, ja muutaman millimetrin heitto voi vaikuttaa voimakkaasti käyttötaajuuteen ja säteilyominaisuuksiin.

4 4 Kuva 1. Antennin osien mitat ja reikien koot sekä sijainnit, Kaikki mitat millimetrejä. Kuvassa 2 on esitetty antennin kokoaminen. Elementtien keskeltä kulkee muovinen 4 mm halkaisijan omaava ruuvi, jonka avulla elementit erotetaan ja rakenne tuetaan 10x10x5 mm muovipalalla. Muovipalan koko ja sijainti ovat merkityksellisiä antennin suunnittelussa, joten myös sen tekemiseen kannattaa kiinnittää huomiota. Prototyyppivaiheessa valmistettiin useita antenneja, joista esitetyillä antennimitoilla kaksi antennia joille suoritettiin sovituksen mittaus ja säteilyominaisuuksien ja polarisaatioakselisuhteiden mittaus radiokaiuttomassa huoneessa. Lisäksi samassa testijärjestelyssä tehtiin vertailumittaus toimintataajuudella 7 dbi suuntakuvion omaavalla laajakaistaiselle antennille, jonka avulla määriteltiin rakennetun antennin suuntaavuus.

5 5 Kuva 2. Antennin kokoaminen. Elementtien eristevälin mitta millimetrejä. Mittaustulokset