MİKRODALGA GÜÇ ÖLÇÜLMESİ, DEDEKTÖR KARAKTERİSTİKLERİ, EMPEDANS ÖLÇÜMÜ VE MİKRODALGA AKORDLAYICISI

Transkript

1 Deney No:1 Yıldız Teknik Üniversitesi Elektronik ve Hab. Müh. Mikrodalga Lab. MİKRODALGA GÜÇ ÖLÇÜLMESİ, DEDEKTÖR KARAKTERİSTİKLERİ, EMPEDANS ÖLÇÜMÜ VE MİKRODALGA AKORDLAYICISI A. ÖN BİLGİ Genellikle kaynaktan alınan RF gücü yüke gönderilmek istenir. Ancak dalga bir süreksizlikle karşılaştığı zaman bir kısmı geriye yansır. Geriye yansıyan dalganın büyüklüğü ilgili süreksizliğe özgü bir parametre olan yansıtma katsayısıyla belirlenebilir. Ayrıca gelen ve yansıyan dalgaların girişimi ile oluşan dalga şekline, süreksizliğe (veya yüke) belli uzaklıkta durgun maksimum ve minimumlar oluştuğu için, Duran Dalga denir. Duran dalganın ölçüsü, hattaki maksimum (e max ) ve minimum (e min ) gerilim değerlerinin oranı olarak tanımlanan Duran Dalga Oranı dır. (SWR- Standing Wave Ratio) : VSWR = e e max min Bu deneyde iki tane duran dalga oranı incelenecektir: A.1-) Doğrudan Yöntem: Doğrudan yöntem, hat içinde gerilimin en büyük ve en küçük değerlerinin ölçülüp oranlanmasıdır. Ancak özel durumlar dışında hattaki gerilim değerlerinin ölçülmesi olanaklı olamamaktadır. Bu nedenle, olayın anlaşılması için deney ortamında bu yöntem incelenecektir. Deneydede kullanılacak olan dedektör gibi çoğu diyodlu mikrodalga dedektörü, çıkışında gerilimin karesi ile orantılı doğru akım (DC) üretir. Ölçümle elde edilen değerlerin oranlanması sonucunda, i i max min = k. e k. e max min = e e max min = ( VSWR) Böylece; VSWR= i i max min Elde edilir.

2 A.-) Çift minimum yöntemi: Çift minimum yönteminin temel prensibi Şekil-1.1 de gösterilmiştir. Şekil gerilimin karesiyle orantılıdır. Önce algılayıcı (probe) hareket ettirilerek bir minimum bulunur. Sonra bu minimumun iki katı değerinde ve onu ortalayan iki değer bulunarak aralarındaki uzaklık ölçülür. Bu ölçülen uzaklığa bağlı olarak duran dalga oranı şu şekilde hesaplanabilir; VSWR = d sin λ Şekil-1.1 A.3-) Empedans Ölçümü: Bir dalga kılavuzundaki gerilimi voltmetre ile akımı da ampermetre ile ölçmek mümkün değildir. Bu nedenle bir dalga kılavuzunun empedansı, dalga kılavuzu içindeki elektrik ve magnetik alanların oranı olarak tanımlanır Z = E / H. Bu empedans Z = R + jx olarak ifade edilebilir. Eğer yansıyan dalga yok ise bu oran dalga kılavuzu boyunca bütün noktalarda aynıdır ve karakteristik empedans olarak adlandırılır, Z0 olarak ifade edilir. Eğer sistem kayıpsız ise Z 0 saf rezistiftir. Eğer yansıyan dalga mevcut ise bundan dolayı duran dalgalar oluşacak, transmisyon hattı boyunca uzaklıkla periyodik olarak empedans değişecektir. Genel olarak empedansın ölçüldüğü pozisyon belirtilmiş olmalıdır. R ve X in değerlerine ilişkin matematiksel ifadeler karışık olduğu için genellikle analiz için grafiksel yöntemler kullanılır. En yaygın olarak kullanılan yöntem Smith abağı dır. Abağın dış kenarındaki skala kaynağa doğru dalgaboyu cinsinden mesafeyi belirtir. Bazen yüke doğru olan, dalgaboyu cinsinden mesafeyi belirten iç skalayı kullanmak daha uygundur. (Şekil-.1). Smith Abağı nda empedans değerleri, Z 0 karakteristik empedansına göre normalize edilmiştir. Abaktaki her bir nokta Z / Z 0 = ( R + jx ) / Z 0 şeklinde normalize empedans değerini belirtir. Dalga kılavuzu boyunca farklı noktalardaki empedanslara, merkezi abağın merkezinde olan bir daire üzerindeki noktalar (empedanslar) karşılık düşer. Bu daire sabit transmiyon dairesi olarak adlandırılır (Şekil-.). Eğer yük empedansı Z 0 a eşit ise bu durumda uydurulmuş olma hali söz konusudur ve daire 0(Sıfır) noktasına dönüşür. Eğer bir noktadaki empedans değeri bilinirse bu noktadan merkeze çizilen doğru transmisyon dairesinin yarıçapını belirleyecektir. Verilen bir empedans noktasından değişen uzaklıklardaki empedans değerleri, transmisyon dairesi boyunca ilerleyerek belirlenebilir.

3 A.4-) Mikrodalga Akordlayıcısı: Mikrodalga gücü yüke aktarıldığı zaman genellikle yansıyan dalgaların taşıdığı güç kaybolur ve duran dalgalar oluşur. Gelen R.F. sinyalinin tümünü yansıma olmaksızın yük üzerine aktarılması bir çok nedenle talep edilmektedir. Bunu göstermek için Şekil-. de görüldüğü gibi uydurulmamış yükle sonlandırılmış bir dalga kılavuzu göz önüne alınsın. Bu durumda yükün normalize empedansı Z = ( R + jx ) / Z 0 olarak belirtilebilir. Bu aşamada, incelemede kolaylık sağlanmasından dolayı normalize admitans göz önüne alınabilir. Yük admitansını Y L = GL + jbl olarak ifade edelim. Benzer düşünceyle dalga kılavuzunun karakteristik admitansı Y 0 olarak tanımlansın (Y 0 =1/Z 0 ). Bu durumda normalize admitans Y = Y /Y 0 olur. Smith Abağı nın en önemli özelliği burada görülür; i) eğer normalize empedans, Z basit bir şekilde bu noktadan çapın diğer ucuna hareket edilerek bulunabilir (Şekil-.). Bunun sonucunda Z ile Y arasındaki ilişki Y = 1/ Z olarak gösterilebilmektedir. ii) Eğer dalga kılavuzu boyunca kaynağa doğru hareket edilirse, Y = G + jb admitansının değeri, Smith Abağı üzerindeki sabit transmisyon dairesi göz önünde bulundurularak değişecektir. Böylelikle G kondüktansının Y 0 a eşit olduğu bir Y 1 noktası bulunabilir. Genel olarak jb suseptansı 0(Sıfır) değeri almaz. Eğer Y ye paralel bir (-jb) suseptansı yerleştirilirse toplam suseptans 0(Sıfır) olur ve Y basit olarak Y 0 değerini alır. Bu durumda uydurulma gerçeklenmiş olur ve dalganın bütün enerjisi yüke aktarılmıştır. Dalga kılavuzu hattına bağlanabilecek uygun suseptans formu Şekil-. dende görüleceği üzere bir kapasitif vida olabilir. Bu doğal olarak sadece kapasitif (pozitif değerli) suseptans sağlar. Eğer iptal edilecek suseptans (jb) kapasitif değerde ise ne olur sorusunun cevabı G=Z 0 olan noktaların (Y 1 ) sayısında saklıdır.

4 Şekil-.1

5 Şekil-.

6 B. ÖN HAZIRLIK: Dalga kılavuzları içinde yayılan Elektromagnetik dalgaların dalga boyu hangi parametrelerle değişir? Formülleriyle veriniz. Dalga kılavuzunda empedans kavramlarını açıklayınız. Bir dalga kılavuzunun bir başka hatta yada empedansa uydurulması problemini tanımlayınız. Kısa devre ve açık devre sonlandırmalar için, hatta oluşacak dalga şekillerini çiziniz. Duran Dalga Oranı kavramını açıklayınız. Yansıtma katsayısından hareketle bağıntısını elde ediniz. C. DENEYDE KULLANILAN ELEMANLAR: ADET Harf Olarak Karşılığı ELEMANLAR 1 - Kontrol Paneli A Ayarlanabilir Zayıflatıcı 1 B Yarıklı Hat 1 C Yarıklı Hat Akordlayıcı 1 D Boşluk Rezonatörü 1 K Rezistif Sonlandırma 1 M Diyod Dedektör 1 P X-Bandı Osilatör 1 R Kısa Devre Sonlandırma 1 S Prob Dedektör Birleştirici 1 - Eleman Paketi 1 - Balometre D. DENEYİN AMACI: Bu deney dört aşamadan oluşmaktadır; ilk olarak temel frekans, dalgaboyu kavramları incelenecek ve iki farklı yöntemle duran dalga oranı ölçümü yapılacak, Bir dalga kılavuzunun empedansını tanımlamak, Karakteristik empedansın anlamını belirlemek, Empedansın ölçüm yöntemini belirlemek, Smith Abağı nı kullanmayı öğrenmek, Yükün kaynağa uydurulması, Yarıklı hat akordlayıcısının yükün kaynağa uydurulmasında kullanılışı incelenecektir.

7 E. DENEYİN YAPILIŞI: E.1-) Frekans ve Dalgaboyu incelemeleri: Şekil-1. deki düzeneği kurunuz. Şekil-1. Boşluk rezonatörünün mikrometre ucunu direnç hissedilinceye kadar yavaşça vidalayınız. Kontrol panelinde, kaynak anahtarını osilatör; solundaki anahtarı internal keying, Meter Reads anahtarını detector output yönüne çeviriniz. Kaynak tarafındaki zayıflatıcıyı (A), 0º'ye ayarlayınız. Duyarlılık kontrolünü en büyük değerine getiriniz. Yük tarafındaki zayıflatıcıyı ölçü aletinde 3 okunacak şekilde ayarlayınız. Ölçü aleti diyot algılayıcı tarafından alınan güç seviyesini göstermektedir. Boşluk rezonatörünün mikrometre ucunun ters yönde vidalanmasının alınan gücün miktarını nasıl değiştiğini gözlemleyiniz: İlk başta ölçü aletinde küçük bir değişim olacaktır. Daha sonra sıfır veya sıfıra yakın bir değere ani düşüş gözlenecektir. Bu anda boşluk rezonanstadır. Boşluk rezonansta iken kuplaj çok küçük olduğu halde, kılavuzda yayılan gücün tümüne yakın bölümünü soğurmaktadır. Bundan dolayı yayılan güç algılayıcı (dedektör) ya ulaşmamaktadır. Soğurucu tip frekans ölçerler bu prensibe göre çalışır. Boşluk rezonatörünün mikrometresini ayarlamak, boşluğun boyutlarını, dolayısıyla en küçük rezonans frekansını değiştirir.

8 Boşluk Rezonatörü En düşük ölçüm değerini sağlayan mikrometre değerini bulup kaydediniz. Mikrometre ucunu ters yönde çevirerek, ölçü aletindeki değişimleri izleyiniz ve yorumlayınız. Diyot algılayıcı ve sonlandırmayı çıkartarak, Şekil-1.3 deki düzeneği kurunuz. Şekil-1.3 Algılayıcı uç (Probe) un kılavuz içine 1mm den fazla sokulmamasını kontrol ediniz. Algılayıcı uç ile zayıflatıcıyı tüm skala taranacak şekilde ayarlayınız.

9 Yarıklı hattı hareket ettirerek ardışık iki sıfıra düşüş noktası arasındaki uzaklığı ölçünüz. Bu uzaklık λ / kadardır. E.-) Duran Dalga Oranı Ölçülmesi: Şekil-1.4 deki düzeneği kurunuz. Şekil-1.4 Yük tarafındaki zayıflatıcıyı en az zayıflatma değerine, duyarlılık ayarını ise en büyük değerine ayarlayınız. Kaynak tarafındaki zayıflatmayı en büyük zayıflatma için 0º-0º aralığından başlatınız. Yarıklı hattaki dedektör (algılayıcı) taşıyıcısını hareket ettirdikçe ölçü aletinin skalası da hareket edecektir. Kaynak tarafındaki zayıflatıcıyı, dedektör taşıyıcısı hareket ettikçe ölçü aletinde okunan en büyük değer yaklaşık olarak skalanın en büyük değerine karşı gelecek şekilde ayarlayınız. Eğer zayıflatıcı 0º-60º aralığının dışında ise algılayıcı probu nun yeniden ayarlanması gerekir. Büyük Duran Dalga Oranı değeri ölçmek için algılayıcıyı yarıklı hat üzerinde hareket ettiriniz. Ölçü aletinde en büyük ve en küçük değerleri gözleyiniz. Bir tabloda, ölçü aletinde okunan en büyük ve en küçük değerlere karşılık yarıklı hat skalasında okunan değerleri kaydediniz. Bu tablodan yararlanarak yarıklı hattaki pozisyonlara karşılık ölçülen değerlerinin grafiğini çiziniz.

10 Düşük duran dalga oranı ölçümleri için, yük tarafındaki zayıflatıcıyı zayıflatma en büyük olacak şekilde ayarlayınız. Bir önceki aşamada yapılanları tekrarlayınız. Her iki durumda ortaya çıkan tablo ve grafikleri karşılaştırarak yorumlayınız. Gerilim Duran Dalga Oranı; Ölçü Ölçü aletinde okunan en büyük aletinde okunan en küçük deg er deg er Formülüyle bulunabilir. Bu formül yardımıyla küçük duran dalga oranı için VSWR yi hesaplayınız. Aynı hesaplamayı büyük VSWR değeri için gerçekleştiriniz. Bu durumda duyarlı ölçümler için, bu yöntemin elverişli olmadığı gözlemlenecektir. Çift minimum yöntemi ile büyük duran dalga oranı ölçmek için yük tarafındaki kısa devre sonlandırmasını çıkararak, zayıflatmayı en küçük değerine ayarlayınız. Kaynak tarafındaki zayıflatıcıyı yaklaşık 0º'ye getiriniz. Algılayıcıyı hareket ettirerek bir en küçük değer bulunuz. Bulduğunuz en küçük değer için ölçü aletini izleyerek algılayıcı konumunu dikkatle ayarlayınız, ölçtüğünüz değeri kaydediniz. Algılayıcıyı dikkatlice sola kaydırarak, minimumun iki katını ölçtüğünüz noktaya ulaşınız. Bu konumu da kaydediniz. Algılayıcıyı, minimumu bulduğunuz noktaya geri çektikten sonra sağa kaydırarak en küçük değerin iki katını ölçeceğiniz konumu bularak kaydediniz. Bulduğunuz son iki konumun uzaklığı çift minimum yöntemi açıklanırken çizilen şekildeki d uzaklığıdır. Hesaplamalar için dalgaboyunun bilinmesi gereklidir. İki en küçük değer arasındaki uzaklığın dalgaboyunun yarısına eşit olduğu bilindiğine göre, dalgaboyu hesaplanabilir. Böylece duran dalga oranı (1.4) bağıntısı yardımıyla hesaplanabilir. E.3-) Empedans Ölçümü: Ölçülecek empedans olarak yarıklı hat akordlayıcı (C) ve rezistif sonlandırma (K) yı birlikte yük olarak göz önüne alınız, Yarıklı hat dedektörde (B), probu hat içine yaklaşık mm girecek şekilde ayarlayınız, Yarıklı hat akordlayıcıda (C), probu hat içine yaklaşık olarak 5mm girecek şekilde ayarlayınız ve yarıklı hat akordlayıcıyı yatay skalada 40mm ye ayarlayınız, Elemanları Şekil-1.5 de belirtilen şekilde bağlayınız,

11 Şekil-1.5 Kontrol panelinde kaynağı osilatörü yönünde açınız, Sol el anahtarını internal keying kısmına ayarlayınız, Meter reads kısmındaki anahtarı detector output a ayarlayınız, Zayıflatıcıyı (A), başlangıçta maksimum zayıflatmaya (0 0 ) ayarlayınız, Mikrodalga osilatörü açınız, Zayıflatıcı (A) ayarını minimum zayıflatmaya getiriniz, Kuvvetlendiricinin hassasiyetini maksimuma ayarlayınız. Dedektör taşıyıcıyı (B), sinyalin maksimumunu veren konumu bulmak için dalga kılavuzu boyunca hareket ettiriniz. Eğer gerekirse zayıflatıcıyı meter üzerinde tam skala okuması elde etmek için ayarlayınız, Sinyalin maksimumunu veren dedektör taşıyıcının konumunu (X 0 ) ve bu durumda meter den okunan değeri kaydediniz, Dedektör taşıyıcıyı (B), sinyalin minimumunu veren konumu bulmak için dalga kılavuzu boyunca hareket ettiriniz, Sinyalin minimumunu veren dedektör taşıyıcının konumunu (X 1 ) ve bu durumda meter den okunan değeri kaydediniz, Gerilim duran dalga oranını (VSWR), aşağıdaki bağıntıya göre hesaplayınız; VSWR = Meter' den okunan en büyük deg er Meter' den okunan en küçük deg er Hesapladığınız VSWR değerine göre Smith Abağı nda bir daire çiziniz (R+j0 skalasında, hesaplanan VSWR değerini alan noktadan geçen daire),

12 Yarıklı hat akordlayıcı (C) ve rezistif sonlandırmayı (K) kaldırarak yarıklı hat ve prob dedektör çiftine (B) sadece kısa devre sonlandırma elemanını (R) ekleyiniz, Kısa devre sonlandırmaya yakın, ard arda iki minimumu veren X, X 3 konumlarını yarıklı hat skalasından belirleyiniz, Kılavuzun dalgaboyunu, λ =.( x x ) bağıntısına göre hesaplayınız, 1 g g 3 ( x x ) / λ değerini hesaplayınız, Smith abağı üzerinde en üst pozisyondan başlayarak, (Z=0+j0) dıştaki skalada, hesaplanan l / λ miktarında yüke doğru ilerleyiniz. Eğer x >x 1 ise hesaplanacak g değer negatif olacağından Smith abağı üzerinde hareket kaynağa doğru olacaktır. Varılan noktayı merkezle birleştirin, İstenen empedans değerini, bu doğru ile sabit transmisyon dairesinin kesiştiği noktadaki R ve X skalalarından okuyunuz, Sırasıyla osilatörü ve kaynağı kapatınız. F. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ: Deneyi ve elde ettiğiniz sonuçları değerlendirerek yorum yapınız. Elde ettiğiniz dalga boyunu veriniz. İki farklı metotla bulduğunuz Duran Dalga Oran larını veriniz. Empedans ölçümü ile elde ettiğiniz sonuçları aşağıdaki tabloya ve bir smith chart üzerinde gösteriniz. Yarıklı Hat Dedektörde probun hat içine sokulmuş kısmının uzunluğu: Yarıklı Hat Akordlayıcıda probun hat içine sokulmuş kısmının uzunluğu: Yarıklı Hat Akordlayıcının yatay skala pozisyonu: Sinyalin maksimumunu veren konum X0: Sinyalin maksimumuna karşılık göstergeden okunan değer: Sinyalin minimumunu veren konum X1: Sinyalin minimumuna karşılık göstergeden okunan değer: VSWR: X : X 3 : λ =.( x x ) g 3 ( x x ) / λ 1 g Smith Abağı'ndan okunan normalize değer: Z L Y L = = Y 1 = 1 / λ =

13 Deney Sonuçlarının Değerlendirilmesi: Deney No:1 Tarih: Öğrencinin Adı-Soyadı: Numarası: İmza: Adı-Soyadı: Numarası: İmza: Adı-Soyadı: Numarası: İmza: Arş. Görevlisinin Adı-Soyadı: Değerlendirme: İmza:

14 The Complete Smith Chart Black Magic Design ± > WAVELENGTHS TOWARD GENERATOR > < WAVELENGTHS TOWARD LOAD < INDUCTIVE REACTANCE COMPONENT (+jx/zo), OR CAPACITIVE SUSCEPTANCE (+jb/yo) RESISTANCE COMPONENT (R/Zo), OR CONDUCTANCE COMPONENT (G/Yo) CAPACITIVE REACTANCE COMPONENT (-jx/zo), OR INDUCTIVE SUSCEPTANCE (-jb/yo) ANGLE OF TRANSMISSION COEFFICIENT IN DEGREES 9 8 ANGLE OF REFLECTION COEFFICIENT IN DEGREES SWR dbs RTN. LOSS [db] RFL. COEFF, P RFL. COEFF, E or I RADIALLY SCALED PARAMETERS TOWARD LOAD > < TOWARD GENERATOR CENTER ATTEN. [db] S.W. LOSS COEFF RFL. LOSS [db] S.W. PEAK (CONST. P) TRANSM. COEFF, P TRANSM. COEFF, E or I ORIGIN