ANTEN TEKNİĞİ
Şekil 1: Çubuk anten ve ışıma diyagramı
Antenin ışıma gücü boyu ile dalga boyu (çalışma frekansı) ilişkisine bağlı. Boyu işaret dalga boyundan çok küçük antenler de ışınan güç hemen hemen sıfır, nedeni anten ışıma direncinin çok küçük olması. Oysa anten boyu yarım dalga boyuna yakın ise yayılan güç en fazla olmakta. Bu tip antenlere rezonanslı antenler denmekte. Bu özelliklerin anlaşılması temel anten tanımlarının açıklanmasıyla olası. Anten ışıması üç boyutlu uzayda ve küresel koordinatlarda iki açı ile belirtilmekte; θ düşey (zekseni) ile, ϕ yatay (x-ekseni) ile yapılan açılar. Anten mühendisliğinde yatay ve düşey düzlemlere ayrıca H-düzlemi ve E-düzlemi de denmekte. Bir anten için önemli parametreler giriş empedansı, ışıma direnci, duran dalga oranı (DDO), giriş gücü, ışıma gücü, verim, ışıma diyagramları, polarizasyon, etkin yüzey, yönelticilik, kazanç, demet genişliği, yakın/uzak alan, anten faktörü ve anten kalibrasyonu olarak sıralanabilir. Her şeyden önce anten bir iletim hattı üzerinden bir kaynak ile beslenen bir devre elemanı (Şekil 2).
Şekil 2 Bir anten devresi
Kaynak ile iletim hattı girişi ve anten ile iletim hattı sonu arasında empedans uyumu olması durumunda kaynaktan çekilen güç maksimum olmakta ve bu gücün tamamı yüke (yani anten) aktarılmakta. Aksi durumda iletim hattının her iki ucunda da geri yansımalar söz konusu. Bu yansımalar antenin ışıma gücünü azalttığı gibi kaynağa istenmeyen güç olarak dönmekte ve ısınmalara neden olduğundan kaynak ve iletim hattının ömrünü kısaltmakta.
Giriş Empedansı
Bir anten, besleme noktasında iki kapılı bir devrenin giriş kapısı gibi davranır. Bu noktada, besleme gerilim kaynağının bağlanacağı uçlar arasında bir empedans değeri gösterir. Bu değere giriş empedansı denir. Işıma yaparken besleme uçlarındaki gerilimin akıma oranı söz konusu frekanstaki empedans değeri olarak anılmakta. Giriş empedansı kaynaktan çekilecek ve antene aktarılacak güçler için önemli. Şekil 3’te empedansı k Z olan kaynak, karakteristik empedansı 0 Z olan bir hat üzerinden anteni beslemekte. Empedansı A L r A Z = R + R + jX olarak verilen antende L R kayıpları, r R ışınan gücü ve A X depolanan enerjiyi temsil etmekte.
EMC mühendisliğinde önemli bir konu da antenler. Anten hem test ve ölçülerin en önemli parçası olduğu için önemli, hem de işaret taşıyan her elemanın (iletken tel, toprak levhası, ekran kutusu gibi) belli koşullarda anten gibi davranmasından ötürü önemli. Her eleman bir anten gibi davranabilmekte. Bu nedenle bir EMC mühendisi için anten nedir ve önemli parametreleri nelerdir soruları önem kazanmakta. Hangi nesne niçin anten gibi davranır sorusu yanıtlanmadan neden olduğu EMC problemlerini çözmek olası değil. Anten çift yönlü (resiprok) bir dönüştürücü. Verici olarak kullanıldığında besleme noktalarına uygulanan Volt büyüklüğündeki gerilimi Volt/metre büyüklüğündeki elektrik alana dönüştürmekte. Alıcı antenlerde ise ortamda bulunan elektromanyetik dalgalardan kaptığı Volt/metre büyüklüğündeki elektrik alan enerjisini uçlarına Volt büyüklüğünde bir gerilim farkı olarak dönüştürmekte. Şekil 1’ de tipik bir çubuk anten ve etrafında oluşturduğu elektrik alan dağılımı gösterilmekte. Ortasından beslenen l
uzunluğundaki bir iletken çubuk (örneğin ince bir tel) antenin çevresinde oluşan elektromanyetik dalgaların elektrik alan bileşeni çubuk eksenine paralel. Şekilde sağda verilen üç boyutlu değişim ise elektrik alanın yoğun olduğu yerleri göstermekte. Bu durumda antenden uzaklaştıkça belli yerlerde alan şiddeti yüksek, belli yerlerde ise sıfır olmakta. Çubuk doğrultusunda (z-yününde) hiç ışıma yapmazken, yatay doğrultuda maksimum ışıma yapmakta
Şekil 4: Alıcı anten eşdeğer devresi
Uzaydan kaptığı elektromanyetik enerjiyi uçlarına bir A V gerilimi şeklinde aktaran alıcı anten bu enerjiyi alıcı devre girişini temsil eden bir Y Z empedansı üzerinde harcamakta. Yükün gördüğü anten empedansı ise A Z ise yine yük, iletim hattı ve anten empedansı arasında uyum olması durumunda antenden maksimum güç çekilmekte (antenin etkin yüzeyi yüksek olup ortamdan yüksek elektromanyetik güç çekmesine karşın bunun tamamını alıcı devreye aktarması için empedans uyumu şart. Yine idealde hesaplar iletim hattı karakteristik empedansının ve yükün 50 Ω olmasına göre yapılır.
Anten etkin yüzeyi
Işıma gücü Pt olan izotropik bir antenden R kadar ötede güç yoğunluğu P /(4 R2 ) t π dir. Watt/metrekare boyutunda olan güç yoğunluğu anteni çevreleyen kapalı bir yüzey üzerinde toplandığında(yani 4πR2 ile çarpıldığında) ışıma gücünü verir. Kayıpsız ortamlarda bu enerji korunumu ilkesinin sağlanmasından başka bir şey değil. Ortam kayıplı (yani ortamın iletkenliği sıfırdan farklı) ise elektromanyetik dalgalar yayıldıkça ortam tarafından yutulacak ve zayıflayacak. Bu durumda enerji korunumu kapalı bir yüzeyde yayılan güç ve yutulan gücün toplamı anten ışıma gücünü verecek şekilde olur. Anten, etrafındaki güç yoğunluğundan güç çektiğine göre çekilen güç, varolan güç yoğunluğu çarpı metrekare boyutunda bir yüzey şeklinde hesaplanmalı. İşte bu metrekare büyüklüğündeki parametreye etkin yüzey denmekte. Parabolik ve horn benzeri antenlerde etkin yüzey anten yüzeyi ile ilişkili iken, örneğin çubuk antenlerde böyle bir ilişki söz konusu değil. Basit ve düşük kazançlı antenlerde etkin yüzey λ2 / 4π e t A = G şeklinde hesaplanmakta.
Duran Dalga Oranı
Anten giriş empedansı genelde uçlarına bağlanan besleme kaynağının
empedansından farklı olduğundan kaynak, iletim hattı ve anten arasında bir empedans uygunsuzluğu söz konusu. Bu farkın belirlediği oranda antene gelen gücün bir kısmı geri yansımakta. Aynı şekilde kaynak ucunda da bir uyumsuzluk söz konusu olduğundan burada da bir güç yansıması olmakta. Anten girişinde yansıyan ve giden gerilim dalgalarının oluşturduğu maksimum gerilimin minimum gerilime oranı duran dalga oranı (DDO) olarak isimlendirilir. DDO, anten girişinde geri yansıyan gücü belirten bir parametre.
Işıma Gücü ve Direnci
Antenin ışıma gücü t P , uzaya elektromanyetik dalga olarak yaydığı güç. Işıma gücü ile üzerinden akan akım arasında Ohm yasasına göre bulunan dirence de ışıma direnci denmekte ve r R ile gösterilmekte ( t r P = I 2R ). Işıma direnci anten gücü ile üzerinden akan akımı birbirine bağlayan sanal bir direnç. Yakın alan – Uzak Alan Anten ya da herhangi bir ışıma elemanına yakın olan bölge yakın alan olarak tanımlanmakta. Yakın alan, elektrik ve manyetik alan bileşenlerinin düzlem dalga karakteri göstermedikleri bölge, ilişkiler karmaşık ve ölçümler zor. Daha çok reaktif enerji birikimi olur. Uzak alan ise düzlem dalga yaklaşımı yapılabildiği bölgedir. Yakın ve uzak alan tanımları anten cinsine ve etkileşimlere göre, frekans, anten boyutları,
gibi parametreler cinsinden belirlenmekte. Basit ve düşük kazançlı antenler için uzak alan sınırı R ≥ λ / 2π olarak alınabilmekte. Daha karmaşık ve yüksek güçlü antenlerde ise D antenin uzun kenarı (ya da çapı) olmak üzere uzak alan sınırı R ≥ 2D2 /λ şeklinde hesaplanmakta. Bu tanım, antenin yarattığı elektromanyetik dalgaların eş faz yüzeylerinin belli bir hata ile düzlem kabul edilebildiği uzaklık olarak verilir (Şekil 5). Örneğin D=50 cm anten boyu ve 300 MHz işaret frekansı (λ=1 m) için
0.5 m olan uzak alan sınırı 3 GHz’ de (λ=10 cm için) 5 m olur.
edecek şekilde (örneğin biri endüktif diğeri kapasitif) ) ise devrede güç birikimi söz konusu olmaz. Ayrıca kayıpların minimize edilmesi durumunda L R sıfır kabul edilirse antenin kaynaktan çekeceği gücün tamamı ışınan güç olur ki idealde istenen durum budur. Genelde kaynak direnci ve iletim hattı karakteristik empedansı 50 Ω seçilir ve hesaplar ona göre yapılır. Alıcı anten için bir eşdeğer devre Şekil 4’te resmedilmekte.
Şekil 5: Reflektör anten ve uzak alan sınırı tanımı
Anten Verimi
Antenin kaynaktan çektiği gücün bir kısmı ısıl kayıp olarak antende harcanır. Işıma gücü ve ısıl kayıpların toplamı kaynaktan çekilen güce eşit. Anten verimi ışıma gücünün kaynaktan çekilen güce oranı olarak tanımlanmakta. Isıl kayıplar ne kadar az ise verim o kadar yüksek olur.
Polarizasyon
Polarizasyon, elektrik alanının zamanla çizdiği şekle göre tanımlanır. Antenin yaydığı elektromanyetik dalgalar için iletim boyunca elektrik alan eğer zemine dik ise düşey, paralel ise yatay polarizasyonlu dalga adını alır. En genel polarizasyon elips biçimindedir. Bunun özel hali dairesel polarizasyon, dairesel polarizasyonun iki bileşeni de yatay ve düşey polarizasyon.
Anten Yönelticiliği ve Kazancı
Anten yönelticiliği ve kazanç belli bir referans antene göre tanımlanan iki önemli parametre. Bir noktasal kaynak her yöne eşit ışıma yapar. Bu kaynağa izotropik kaynak adı verilir ve referans olarak kullanılır. İzotropik kaynağın her yöne yaydığı güce eşit gücü belli bir doğrultuya yayabilme özelliğine anten yönelticiliği denir. Örneğin, Şekil 1’de verilen çubuk antenin ışıma diyagramı simit biçiminde. İzotropik antene göre kısa dipol antenin yönelticiliği 1.5 (1.75 dB), yarım dalga dipolünün yönelticiliği ise 1.64 (2.15 dB). Kayıpsız antenlerde yönelticilik aynı zamanda anten kazancıdır. Ancak, kayıplı antenlerde kazanç yönelticilik ile kayıp oranının (verimin) çarpımına eşit. Anten yönelticiliğinin analitik olarak hesaplanabilmesine karşın
kazanç ancak referans antene göre yapılan ölçülerle bulunabilir. Anten kazancı ile doğrudan ilgili olan diğer parametre ise etkin yüzeydir. Anten etkin yüzeyi, uzaydaki elektrik alanlardan anten uçlarına güç aktarabilme yeteneği olarak tanımlanır.
Demet genişliği
Anten demet genişliği, yönelticiliği olan antenlerde yönelticiliğin bir ölçüsü. Maksimum ışıma doğrultusundaki gücün yarıya (3 dB) düştüğü (yatayda yada düşeyde) açısal genişlik anten ışıma demeti olarak tanımlanır.
Anten Faktörü
Özellikle EMC gibi pratik mühendislik problemlerinde önemli bir tanım ve kavram anten faktörü. Anten faktörü tanımı, antenin tanımında yer almaktadır. Anten çift yönlü (elektrik alanı gerilime, gerilimi elektrik alana dönüştüren) bir dönüştürücü. AF = E /V şeklinde tanımlı alıcı anten faktörü daha çok uygulama açısından anlamlı. Ele alınan bir elektrik alan ölçü aleti ve ona bağlı bir alıcı anten ile ortamdaki elektrik alan değeri ölçülmekte. Bir çubuk anten, bunun uçlarına değişik konnektörlerle bağlanmış bir koaksiyel kablo, bu kablonun bir başka konnektörle alıcı girişine bağlanmasının tüm etkileri anten faktörü tanımının içinde. Kullanılan kablonun üzerindeki imalat hataları, ezilmeler veya bükülmeler anten faktörünü doğrudan değiştirmekte. Anten faktörü ideal durumlarda hesaplanabilmekte, EMC problemlerinde ise frekansla değişen grafiklerle ya da tablolarla verilir.
Işıma Diyagramları
Işıma diyagramları, antenlerin hangi yöne ne kadar güç yaydığını gösteren şekiller. Işıma diyagramı her hangi bir düzlemde söz konusu olsa da, genelde, yatayda yada düşeydeki diyagramlarla ilgilenilir. Işıma diyagramı ve yöneltmiş antenlerde kullanılan tanımlar şunlar:
• Ana ışıma kulakçığı : Antenin en fazla ışıma yaptığı yöndeki demet.
• Yan kulakçıklar: ana kulakçık etrafında oluşan istenmeyen kulakçıklar.
• Arka kulakçık: Antenin gerisinde oluşan kulakçık
• Ön-Arka bastırma oranı: Ana kulakçık – arka kulakçık güç oranı
• Ön- yan bastırma oranı: Ana kulakçık – yan kulakçık güç oranı
• Işıma demeti: Ana kulakçık gücünün yarıya (3 dB) düştüğü noktalar
arasındaki açı
Ortadan / Uçtan ışımalı antenler
Antenler gerek bireysel olarak gerekse bir dizi oluşturulduğunda farklı yönlere ışıma yapabilirler. Demet oluşturmalı ya da demet taramalı anten dizileri adı verilen bu sistemlerde iki farklı ışıma yönü ayrıca belirtilmekte; ortadan ışımalı antenler (diziler) ya da uçtan ışımalı antenler (diziler). Şekil 6!da bu tanımlra bir örnek gösterilmekte. Beş elemanlı izotropik antenlerden oluşturulan dizilerde ışıma dizi eksenine dik yönde ise ortadan ışımalı (boresight), ışıma dizi eksenine paralel ise uçtan ışıma (end-fire) adını almakta.
Şekil 6: Ortadan (solda) ve uçtan (sağda) ışımalı anten dizileri
Amaca uygun anten tasarımı kadar satın alacağınız anten özelliklerinin de
belirlenmesi önemli. İnternet üzerinde “EMC antenleri” gibi birkaç anahtar sözcük ile yapılacak aramada onlarca firma ve yüzlerce ürün karşınıza çıkmakta. Önemli olan anten özelliklerinin verilen tablolardan okunabilmesi. Bir örnek, Poynting firması ürünü geniş bandlı Log-periyodik anten ve firma tarafından verilen özellikler Şekil 7’de gösterilmekte. Frekans bandından bağlantı konnektörüne, polarizasyondan anten kayıplarına kadar bir çok parametrenin özenle incelenmesi gerek. Örneğin tablodan bu antenin yatay ve düşey polarizasyonlu elektromanyetik işaretlerin ölçülmesinde kullanılabileceği, frekans bandının 30 MHz ile 2 GHz arasında tasarlandığını, bu band içerisinde DDO’nın tipik 1.5, en fazla 2.0 olduğunu görüyoruz.
PA-LP6-302000 (www.poynting.co.za)
Kazanç——————> 6dBi
Frekans bandı———-30 – 2000 MHz
VSWR——————-Tipik 1.5:1, Maksimum 2.0
Besleme noktası——-Sadece alıcı
Giriş empedansı——–50 Ohm
Giriş konnektörü——-N-Tipi (dişi)
Polarizasyon————Yatay veya düşey
Boyutlar(en x boy)—–5000 mm x 6111 mm
Malzeme—————–Alüminyum, fiberglas ve paslanmaz çelik
Ağırlık——————–38 kg
Rüzgar direnci———–160 km/h
DDO anten giriş gücü ile ilgili bir parametre. Anten giriş uçlarında giriş empedansı ile iletim hattı karakteristik empedansı arasındaki uyumun / uyumsuzluğun bir göstergesi. DDD ile gerilim yansıma katsayısı arasındaki ilişki DDO=Vmaks/Vmin=1+|p|/1-|p|
şeklinde. Şekil 7’deki anten için band sınırlarında
(30 MHz ve 2 GHz’de) DDO = 2 olması (1) denkleminden yansıma katsayısının | ρ |= 1/ 3 olması demek. Yansıyan
güç | ρ |2 ile orantılı olduğundan gücün 1/9’u (% 11’i) geri yansımakta. Bu durumda faydalı güç 1− | ρ |2 ile orantılı olacağından gücün % 89’u yüke aktarılmakta.
Doğuş Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü
NOT : BU YAZI ALINTIDIR TAMAMEN EĞİTİM AMAÇLIDIR
