Design of a Dual-Band L1/L5 Patch Antenna for Aviation and GNSS Applications
Öz
The continuous advancement of aerospace and aviation technologies has intensified the demand for compact, efficient, and reliable antenna systems that can be employed across a wide range of platforms, including conventional passenger aircraft, unmanned aerial vehicles (UAVs), satellite communication infrastructures, and missile systems. Considering these requirements, patch antennas have gained significant attention owing to their lightweight structure, low profile, ease of integration, and compatibility with printed circuit technologies. Their relatively simple fabrication processes and economic advantages have made them a preferred choice in mobile communication, radar systems, satellite networks, avionics, and defense applications. For antennas designed for Global Navigation Satellite System (GNSS) applications, critical performance parameters such as multi-band operation, low return loss, and appropriate gain levels directly influence system accuracy and sensitivity. In this study, a coaxially fed patch antenna operating at the L1 (1.575 GHz) and L5 (1.176 GHz) frequency bands is developed for GNSS-based applications. The antenna attains dual-band functionality through the incorporation of a crescent-shaped slot on a circular patch geometry, ensuring optimal performance within the targeted frequency ranges. A bandwidth of 23 MHz is achieved in the L5 band (1.16–1.183 GHz), while a bandwidth of 30 MHz is observed in the L1 band (1.55–1.58 GHz). To ensure low cost and industrial applicability, the antenna is fabricated on an FR-4 dielectric substrate with dimensions of 83×83×1.6mm³. During the design process, the electromagnetic performance parameters are analyzed and optimized using CST Microwave Studio. Simulation results demonstrate a return loss of –47.6 dB with a directivity gain of 5.49 dBi at the L5 band center frequency (1.176 GHz), and a return loss of –23.7 dB with a directivity gain of 6.36 dBi at the L1 band center frequency (1.575 GHz). These findings confirm that the proposed design ensures high accuracy and reliability for GNSS-based positioning and communication applications. In conclusion, the proposed dual-band patch antenna represents an effective candidate for integration into precision navigation systems, UAV communication modules, satellite-based data transmission, and other avionics platforms.
Anahtar Kelimeler
Patch Antenna, GNSS, L1/L5 Bands, Dual-Band.
Havacılık ve GNSS Uygulamaları için Çift Bantlı L1/L5 Yama Anten Tasarımı
Öz
Havacılık ve uzay teknolojilerindeki sürekli gelişim, yolcu uçakları, insansız hava araçları (İHA), uydu haberleşme altyapıları ve füze sistemleri gibi çok çeşitli platformlarda kullanılabilecek kompakt, verimli ve güvenilir anten sistemlerine olan ihtiyacı artırmıştır. Bu gereksinimler doğrultusunda, hafif yapıları, düşük profilleri, entegrasyon kolaylıkları ve baskı devre teknolojileriyle uyumlulukları sayesinde yama antenler ilgi görmektedir. Basit üretim süreçleri ve ekonomik avantajları, bu antenleri mobil haberleşme, radar sistemleri, uydu ağları, aviyonik ve savunma uygulamalarında tercih edilen bir seçenek hâline getirmiştir. Küresel Konumlama Uydu Sistemi (GNSS) uygulamaları için tasarlanan antenlerde, çok bantlı çalışma, düşük geri dönüş kaybı ve uygun kazanç seviyeleri gibi kritik performans parametreleri, sistemin doğruluğunu ve hassasiyetini doğrudan etkilemektedir. Bu çalışmada, GNSS tabanlı uygulamalar için L1 (1,575 GHz) ve L5 (1,176 GHz) frekans bantlarında çalışan koaksiyel beslemeli bir yama anten tasarlanmıştır. Anten, dairesel yama geometrisi üzerine yerleştirilen hilal (yarım ay) şeklindeki bir yarık sayesinde çift bantlı çalışma özelliği kazanmakta ve hedeflenen frekans aralıklarında optimum performans sağlamaktadır. L5 bandında (1,16–1,183 GHz) 23 MHz bant genişliği elde edilirken, L1 bandında (1,55–1,58 GHz) 30 MHz bant genişliği sunmaktadır. Düşük maliyet ve endüstriyel uygulanabilirliği sağlamak amacıyla anten, 83×83×1,6 mm³ boyutlarında FR-4 dielektrik altlık üzerinde üretilmiştir. Tasarım sürecinde elektromanyetik performans parametreleri CST Microwave Studio yazılımı kullanılarak analiz edilmiş ve optimize edilmiştir. Benzetim sonuçları, L5 bandı merkez frekansında (1,176 GHz) –47,6 dB geri dönüş kaybı ve 5,49 dBi yönlülük kazancı, L1 bandı merkez frekansında (1,575 GHz) ise –23,7 dB geri dönüş kaybı ve 6,36 dBi yönlülük kazancı elde edildiğini göstermektedir. Bu sonuçlar, önerilen tasarımın GNSS tabanlı konumlama ve haberleşme uygulamaları için yüksek doğruluk ve güvenilirlik sağladığını doğrulamaktadır. Sonuç olarak, önerilen çift bantlı yama anten, hassas seyrüsefer sistemleri, İHA haberleşme modülleri, uydu tabanlı veri iletimi ve diğer aviyonik platformlara entegrasyon için etkili bir aday niteliğindedir.
Anahtar Kelimeler
Yama Anteni, GNSS, L1/L5 Bantları, Çift Bant.