2. ANTENLER VE YAYILMA (ANTENNAS AND PROPAGATION)

Transkript

1 2. ANTENLER VE YAYILMA (ANTENNAS AND PROPAGATION) Bu bölümde, telsiz iletişime ilişkin temel tanımlamalar yer almaktadır. Önce antenler gözden geçirilecek, daha sonra işaret yayılması ele alınacaktır. 2.1 Antenler (Antennas) Anten, elektrik enerjisini elektromanyetik ışımaya dönüştüren (verici anten) ya da elektromanyetik ışımayı elektrik enerjisine dönüştüren (alıcı anten) bir iletken ya da iletkenlerden oluşan sistemdir. Bir antenin gönderme ve alma özellikleri aynıdır. Buna antenlerin karşılıklılık (reciprocity) özelliği denir. İki yönlü iletişimde, aynı anten hem göndermede hem de almada kullanılır Işıma Örüntüsü (Radiation Pattern) Işıma örüntüsü, antenin yaydığı gücün (elektromanyetik alan şiddetinin) sabit bir uzaklıktaki açısal değişimini gösteren bir grafiktir. Anten ışıma örüntüsü üç boyutludur, fakat pratikte, genellikle, yatay ve dikey düzlemlerde iki boyutlu kesitler olarak çizilir. Bir anten alıcı ya da verici olarak çalıştığı zaman ışıma örüntüsü aynıdır. Işıma örüntüsünün büyüklüğü önemli değildir. Önemli olan, ışıma örüntüsünü oluşturan noktaların her yönde anten konumundan olan göreli uzaklığıdır. Bir antenin ışıma örüntüsü, antenin uzak-alan (far-field) bölgesinde yapılan elektromanyetik alan şiddeti ölçülerek elde edilir. Anten ya da herhangi bir ışıma elemanına yakın olan bölge yakın alan, uzak olan bölgeler ise uzak alan olarak tanımlanır. Yakın alan, elektrik ve manyetik alan bileşenlerinin düzlem dalga karakteri göstermedikleri bölgedir; daha çok reaktif enerji birikimi olur. Uzak alan ise düzlem dalga yaklaşımının yapılabildiği bölgedir. Yakın ve uzak alan tanımları anten cinsine ve etkileşimlere göre, frekans, anten boyutları, gibi parametreler cinsinden belirlenmektedir. Basit ve düşük kazançlı antenler (örneğin, D < olan dipol antenler) için uzak alan bölgesinin başladığı uzaklık R ua / 2 (2.1) olarak tanımlanır. Burada D antenin en büyük boyutunu, ise işaret dalga boyunu gösterir (λ=c/f ; c (ışık hızı)= m/s; f: Hz türünden frekans). İyi bir yaklaşımla dipol antenlerde uzak alan bölgesinin başladığı uzaklık olarak alınabilir. R ua 20( /2 ) 3 (2.2) Daha karmaşık ve yüksek güçlü antenlerde ise D antenin uzun kenarı (ya da çapı) olmak üzere ve D > için uzak alan bölgesinin başladığı uzaklık olarak tanımlanır. R ua = 2D 2 / (2.3) Güç yoğunluğu uzak alanda E alan (elektrik alanı) algılayıcısı veya H alan (manyetik alan) algılayıcısı ile ölçülür. Güç yoğunluğunun yakın alanda ölçülmesi zordur. Haberleşme, antenlerin uzak alan bileşeninden faydalanarak sağlanır. En basit ışıma örüntüsü, sadece teorik bir anten olarak tanımlanan (uygulamada gerçekleştirmemiş olan) izotropik antenin ışıma örüntüsüdür. İzotropik antenin ışıma örüntüsü, merkezinde izotropik anten olan bir küredir [1]. 1/20

2 2.1.2 Anten Türleri İzotropik anten (Isotropic Antenna) İzotropik anten, boşlukta her yöne doğru eşit güçte elektromanyetik ışıma yapan teorik bir nokta kaynaktır; anten kazançlarının belirlenmesinde referans olarak kullanılır. İzotropik antenin yönlendirmesi her yöne doğru 0 dbi dır (izotropik e göre db) ve kazancı 1 dir [G i = 1; G i(db) = 10log 10 (1) = 0]. İzotropik antenin küre biçiminde olan üç boyutlu ışıma örüntüsü Şekil 2.1 (a) da, merkezden geçen herhangi bir düzlem üzerindeki daire şeklinde olan iki boyutlu ışıma örüntüsü ise Şekil 2.1 (b) de gösterilmiştir. (a) Anten konumu (b) Şekil 2.1 İzotropik antenin (a) 3-boyutlu ışıma örüntüsü, (b) 2-boyutlu ışıma örüntüsü Çok Yönlü Antenler (Omnidirectional Antennas), Çok yönlü antenler, sadece bir düzlemde her yöne eşit güçte ışıma yapan, diğer düzlemlerde ışıma gücü yöne göre değişen antenlerdir. Çok yönlü antenlerin en yaygın örnekleri aşağıda verilmiştir: (1) Monopol anten (monopole antenna), toprak plakası adı verilen bir iletken plaka üzerine genellikle dik olarak ve iletken plaka ile elektriksel temas ettirilmeden monte edilen çeyrek dalgaboyunda (λ/4) d üz bir metal çubuk çubuktan oluşur. Çeyrek-dalga anteni (quarter-wave antenna) ya da Morkoni anteni (marconi antenna; 1895 de Guglielmo Marconi tarafından geliştirildi) adları da verilen bu antenle ilgili açıklayıcı şekiller Şekil 2.2 de, gösterilmiştir. λ/4 Monopol anten (metal çubuk) Besleme kablosu (feeder cable) λ/4 Monopol (monopole) λ/4 Topraklanmış metal plaka Toprak bağlantısı Monopolün ayna görüntüsü (image antenna) Topraklanmış metal plaka (a) Monopol antenin elemanları (b) Monopol antenin beslenmesi (c) Monopolün dipol anten eşdeğeri a c P I I + V + V I I b (d) Monopol antenin ayna görüntüsünün çizimsel açıklaması ~ ~ ~ + 2V Şekil 2.2 Monopol anten (çeyrek dalgaboyu anten, çubuk anten, kamçı anten, heliks anten) 2/20

3 Monopol anten, anten çubuğu uzunluğunun λ/4 e eşit olması durumunda ve λ/4 ün tam sayı katlarında rezonansa gelerek maksimum ışıma ya da alma yapar. Rezonansta antenin empedansı sadece dirençten oluşur (36,8 Ω); sanal terim içermez. Monopol antenin empedansı, anten çubuğunun uzunluğu λ/4 ün altına düşürüldüğünde kapasitif, λ/4 ün üstüne çıkarıldığında endüktif olur. Kullanım kolaylığı amacıyla, monopol anten çubuğu λ/4 den kısa yapıldığında, anten devresine uygun değerde endüktans eklenerek antenin rezonansda çalışması sağlanır. Bu tür antenlere örnek olarak, el telsizlerindeki antenler gösterilebilir ( rubber ducky antennas). Bazı tür antenlerde, endültans eklemesi anten çubuğuna uygun endüktans değeri sağlayan heliks şekli verilerek yapılır. Bu tür antenlere heliks anten (helical antennas) denir. Monopol antenin çubuk anten (rod or stub antenna) ve kamçı anten (whip antenna) uygulama örnekleri Şekil 2.3 de, heliks antenin (helical antenna) yapısı ve örnekleri Şekil 2.4 de gösterilmiştir. (a) El telsizlerinde kullanılan çubuk antenler (b) Portatif radyoda kullanılan çubuk anten (b) Bir monopol anten (alttaki üç metal çubuk toprak plakası olarak görevi yapıyor) (d) Otomobil radyosunun çubuk anteni Rubber ducky antenna (e) Araç telsizinin kamçı anteni (f) El telsizinin çubuk anteni (g) Kablosuz modem çubuk anteni Şekil 2.3 Monopol antenin çubuk anten ve kamçı anten uygulama örnekleri 3/20

4 Daire şeklinde metal yansıtıcı plaka ya da ızgara Yalıtkan 1/4λ Yalıtkan silindir Besleme Heliks anten elemanı (metal) 1/3λ (a) Heliks antenin yapısı (b) Uydu izleme-yakalama için dörtlü heliks anten dizini (c) Uydu iletişiminde yer anteni olarak kullanılan bir heliks anten (d) El telsizinde kullanılan bir heliks anten (rubber ducky antenna) Şekil 2.4 Monopol antenin heliks anten uygulamaları (2) Yarım-dalda dipol anten (half-wave dipole antenna) diğer adıyla Hertz anteni (Hertz antenna), Şekil 2.5 de gösterildiği gibi, iki monopol anten elemanından oluşan ve uzunluğu λ/2 olan bir rezonans antenidir; rezonans empedansı 73 Ω dur. λ/2 λ/2 İç iletken (a) (b) Dış iletken Eşeksenli besleme kablosu Şekil 2.5 Yarım-dalga dipol antenin (half-wave dipole antenna); (a) Sembolik gösterimi, (b) Eşeksenli besleme koblosuna (coaxial feeder cable) bağlanması, (c) Beslemeye (feeder) bağlanmış durumda fotoğrafı (c) 4/20

5 (3) Katlanmış dipol (folded dipole), Şekil 2.6 da gösterildiği gibi, dipolün uçlarının katlanıp birleştirilmiş halidir; uzunluğu λ/2 olan bir rezonans antenidir; rezonans empedansı dipolün empedansının dört katı olup yaklaşık 300 Ω dur; bantgenişliği dipolün bantgenişliğinden fazladır. Katlanmış dipol, yaygın olarak, yönlü bir anten olan Yagi-Uda anteninin beslenen elemanı olarak kullanılır. λ/2 λ/2 (a) İç iletken (b) Dış iletken Eşeksenli besleme kablo (coaxial feeder cable) (c) Şekil 2.6 Katlanmış dipol anteninin; (a) Sembolik gösterimi, (b) Eşeksenli besleme koblosuna (coaxial feeder cable) bağlanması, (c) ve (d) Uygulama örnekleri Çok yönlü antenlerin (omnidrectional antennas) tipik ışıma örüntüsü Şekil 2.7 de gösterilmektedir. Şekilden de görüldüğü gibi, çok yönlü antenler bir düzlemde her yöne doğru eşit güçte, diğer düzlemlerde ise yöne göre değişen güçte ışıma yapar. Şekil 2.7 (a) da gösterilen üç boyutlu (3D) ışıma diyagramında dikey çizgiler elektrik alanı (E) çizgilerini, yatay çizgiler ise manyetik alan (M) çizgilerini göstermektedir. (d) Anten elemanı (dipol) ~ I z y Φ H Φ H E E (a) Üç boyutlu ışıma örüntüsü r G( r,,) y x z Anten elemanı (b) xz düzlemindeki (E-düzlemi) ışıma örüntüsü x x (c) xy düzlemindeki (H-düzlemi) ışıma örüntüsü Şekil 2.7 Çok yönlü antenlerin (dipol ve çubuk anten gibi) tipik ışıma örüntüsü 5/20

6 Yönlü Antenler (Directional Antennas) ya da Hüzme Antenler (Beam Antennas) Yönlü antenler, göndermede bir ya da daha fazla yönde daha güçlü ışıma yapabilen, almada ise bir ya da daha fazla yönde daha güçlü işaret alabilen antenlerdir. Bu tür antenlerin kazançları yönlendirilmiş oldukları yönde (ya da yönlerde) çok yüksek, diğer yönlerde ise çok düşüktür. Böylece istenmeyen yayınlarla olabilecek girişimler de önemli ölçüde azaltılabilmektedir. Yönlü antenler için en yaygın örnekler aşağıda verilmiştir: (1) Yagi-Uda antenleri (Yagi-Uda antennas) (2) Çanak antenler (dish antennas) (3) Log-periyodik antenlerdir (log-periodic antennas) (4) Rombik antenler (rombic antennas) (5) Huni ya da boynuz antenler (horn antennas) (6) Mikroşerit Antenler (Microstrip or patch antennas) (1) Yagi-Uda antenleri (Yagi antentenleri olarak da bilinir), VHF ( Very High Frequency: MHz) ve UHF ( MHz) bantlarında televizyon yayınlarının alınmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Yagi anteninin tipik yapısı Şekil 2.8 de gösterilmiştir. Yagi anteni metal çubuklardan ya da telden yapılmış üç tür anten elemanından oluşur: 1. Bir yarım-dalga dipol ya da katlanmış dipol (eşeksenli bir kablo üzerinden beslenen eleman), 2. Bir yansıtıcı eleman (reflector) ve 3. Bir ya da daha fazla sayıda yönlendirici eleman (director); Anten elemanları genellikle 0,1λ aralıklarla ve yalıtkan maddeler üzerine konularak bir taşıyıcı çubuk üzerine monte edilmiştir. Eleman aralıkları =0,1λ En güçlü ışıma yönü En güçlü alış yönü 0,55λ 0,5λ 0,45λ Yönlendiriciler (directors) Dipol ya da katlanmış dipol Yansıtıcı (reflector) (a) Yagi anteni elemanlarının adları, boyutları ve yerleşim düzeni (a) Şekil 2.8 Yagi anteninin tipik yapısı Bir anten direği üzerine monte edilmiş ve farklı vericilere doğru yönlendirilmiş Yagi antenleri Yönlü antenlerin tipik ışıma örüntüsü Şekil 2.9 da gösterilmektedir. Işıma gücü bir yöne doğru yoğunlaştırılmıştır. Yatay polarizasyonla ( horizontal polarization) iletişim yapıldığında, elektromanyetik dalganın (düzlem dalga halinde) elektrik alanı bileşeni yatay durumdadır, manyetik alan bileşeni ise dikey durumdadır. Dikey polarizasyonlu ( vertical polarization) yayınlarda elektrik alanı bileşeni dikey, manyetik alan bileşeni yatay durumdadır. Yagi anteni yatay durumda kullanılıyorsa, elektrik alanı yatay durumdadır ve yatay polarizasyon ile ışıma ya da alma yapılıyor demektir. 6/20

7 z Kazanç (db) 12,1 6,3 3,4-2,5-8,3 y -11,2-14,1-17,0 z x (c) Yagi anteninin tipik 3D ışıma örüntüsü x (d) Yagi anteninin xz-düzlemindeki tipik ışıma örüntüsü Arka kulakçık (back lobes) y Yan kulakçıklar (side lobes) Ana kulakçık (main lobe) x (b) Yagi anteninin xy-düzlemindeki tipik ışıma örüntüsü Şekil 2.9 Yagi anteninin tipik ışıma örüntüleri (2) Çanak Antenler içinde en yaygın olanı parabolik yansıtıcılı antenler (parabolic reflector antennas) olup karasal mikrodalga sistemlerinde, uydu sistemlerinde ve derin uzay uygulamalarında kullanılır. Parabol, sabit bir noktadan ve sabit bir çizgiden eşit uzaklıktaki noktaların geometrik yeridir. Bu tanımdaki sabit noktaya odak (focus), sabit çizgiye ise doğrultman (directrix) denir. Parabolik yansıtıcı yüzey bir parabolün ekseni etrafında döndürülmesi ile elde edilen yüzeydir; buna paraboloid denir (bkz. Şekil 2.10). Paraboloidin x eksenine dik kesiti daire şeklindedir. Buna anten açıklığı (antenna aperture) denir. Parabolik reflektörlü anteni beslenme yöntemleri: Eksenden ya da önden besleme (axial or front feed) bkz. Şekil 2.11(a). Eksen dışı ya da ofset besleme (off axis or offset feed) bkz. Şekil 2.11(b). Cassegrain besleme (Cassegrain feed) bkz. Şekil 2.11(c). Gregorian besleme (Gregorian feed) bkz. Şekil 2.11(d). Doğrultman (directrix) a b c f z a b c f Odak Çap: D x z Açıklık (apperture) y Odak x Odak uzaklığı: f 2 D 16c Derinlik: c (a) Parabol (b) Paraboloid (parabolik yansıtıcı) Şekil 2.10 Parabol ve paraboloid. 7/20

8 Parabolik yansıtıcı (a) Eksenden ya da önden besleme (axial or front feed) Besleme anteni (boynuz anten) Besleyici destekleri (b) Eksen-dışı ya da ofset besleme (off-axial or offset feed) Besleme anteni (boynuz anten) (d) Cassegrain besleme (Cassegrain feed) Dışbükey hiperbolik yansıtıcı (c) Gregorian besleme (Gregorian feed) İçbükey hiperbolik yansıtıcı Şekil 2.11 Parabolik yansıtıcılı anten besleme türleri Cassagrain ve Gregorian antenlerin de eksen dışı (offset) besleme türleri vardır. Çanak antenlerin en güçlü ışıma ve alma yaptıkları yön çanağın ekseni yönündedir. Şekil 2.11 de, parabolik yansıtıcıdan yansıyan ışımanın eksene paralel gittiği gösterilmektedir. Bu durum odaktaki bir nokta kaynak için teorik olarak doğrudur. Uygulamada odakta bir boynuz anten (horn antenna) ya da ikincil yansıtıcı olacağından, parabolik yansıtıcıdan yansıyan ışıma biraz dağılmaktadır. Buna karşılık, çanak antenlerin hüzme genişlikleri oldukça dardır. Dar hüzmeli antenlere kalem hüzmeli antenler (pencil beam antennas) da denir. Çanak antenlerin üç boyutlu tipik ışıma örüntüsü Şekil 2.12 de gösterilmiştir. z y Şekil 2.12 Çanak antenlerin tipik ışıma örüntüleri (kalem hüzmeli) 8/20 x

9 (3) Log-periodik Antenler (log-periodic antennas) Log-periyodik antenler, bir eksen üzerinde frekansın logaritmik fonksiyonu olan aralıklarla dizilmiş çok sayıda dipolden oluşur (bkz. Şekil 2.13). Art arda gelen anten elemanları (dipoller) 180 o faz farkı ile beslenirler. Bu antenler dar hüzmeli ve geniş bantlı antenlerdir VHF ve UHF bantlarında kullanılırlar. Besleme (4) Rombik Anten (Rhombic Antenna) Eşkenar dörtgen şeklinde, telden yapılmış, yönlü ve genişbantlı bir bir antendir; HF (High Frequency) yani kısa dalga (short wave) bandında kullanılır. Antenin alma/gönderme yönünde bir sonlandırma direnci bulunur (bkz. Şekil 2.14). İzolatör Bacak uzunluğu=λ θ Şekil 2.13 θ: Eğim açısı (tilt angle) o Maksimum ışıma Log-periyodik anten örnekleri Destek direği İzolatör Besleme (iletim hattı) Maksimum alma Sonlandırma Direnci (600 Ω) (a) Üst görünüm (c) Elemanların ışıma örüntüleri Maksimum ışıma Besleme hattı Destek direği Maksimum alma Destek direkleri (b) Yan görünüm Şekil 2.14 Rombik anten 9/20 (d) Bileşke ışıma örüntüsü

10 (5) Huni ya da Boynuz Antenler (Horn Antennas) Huni antenler, metal bir koni ya da piramit biçiminde yapılmış ve dalga kılavuzu ile beslenen yönlü antenlerdir. UHF bandında ve 300 MHz in üzerindeki mikrodalga uygulamalarında kullanılır. Huni antenler genellikle, çanak antenlerin besleyicileri (feeders) olarak, radar tabancası (radar gun) olarak ve diğer antenlerin kazanç ölçümlerinde ve kalibrasyonunda kullanılırlar. Şekil 2.15 de huni anten çeşitleri gösterilmiştir. Huni antenlerinin ön yüzüne anten açıklığı (antenna apperture) denir. Açıklık (apperture) H (c) Piramit huni (pyramidal horn) E H (d) Sektörel huni-e düzlemi (sectoral horn-e plane) E H (e) Sektörel huni-h düzlemi (sectoral horn-h plane) E (a) Konik huni (konical horn) (b) Üssel huni (exponantial horn) Şekil 2.15 Huni anten türleri (6) Mikroşerit Antenler (Microstrip Antennas) Bir mikroşerit anten, Şekil 2.16 da gösterildiği gibi, iletken bir toprak düzlemi üzerindeki yalıtkan tabaka (substrate: Alttaş) ve onun üzerinde bulunan ışıma alanı denilen ince bir iletkende tabakadan oluşur. Mikroşerit antenler üç türe ayrılır [2]: 1. Mikroşerit parçalı antenler (microstrip patch antennas); bkz. Şekil 2.16 ve Mikroşerit yürüyen dalga antenleri (microstrip travelling wave antennas); bkz. Şekil Mikroşerit yarıklı antenler (microstrip slotted antennas); bkz. Şekil Mikroşerit iletim hattı (besleme) h Mikroşerit (patch) anten (bakır ya da altın) L W Yalıtkan alttaş İletken toprak tabakası (bakır) Şekil 2.16 Mikroşerit parçalı anten yapısı Mikroşerit parçalı antenin rezonans frekansı L uzunluğu ile ters orantılıdır (L=λ/2 alınır), antenin giriş empedansı ise W genişliği ile ters orantılıdır. Yalıtkanın kalınlığı h, dalga boyundan küçük olmalıdır, fakat 0,05λ dan daha küçük olmamalıdır. İletken toprak tabakasının ve mikroşerit anten tabakasının kalınlıkları çok önemli değildir. Bazı mikroşerit parçalı anten şekilleri Şekil 2.17 de gösterilmiştir.[3]. 10/20

11 (a) Kare (b) Beşgen (c) Daire (d) Eşkenar üçgen (e) Dikdörtgen (f) Elips (g) Halka (h) Yarım daire (i) Eliptik halka (j) Yarıklı daire (k) Yarım halka (l) Daire parçası Şekil 2.17 Uygulamada kullanılan mikroşerit parçalı anten şekilleri Şekil 2.18 Mikroşerit yürüyen dalga anten şekilleri (a) Dar yarık (b) Geniş yarık (c) Dairesel halka yarık (d) Dairesel yarık Şekil 2.19 Mikroşerit yarıklı anten şekilleri Antenlerin Performans Parametreleri Antenlerin başlıca performans parametreleri aşağıda kısaca tanımlanmıştır [1]. 1. Işıma örüntüsü (radiation pattern), F(θ,ϕ) 2. Yönlülük (directivity), D 3. Hüzme genişliği (beamwidth), θ 4. Verimlilik (efficiency), e t 5. Kazanç (gain), G 6. Kutuplanma (polarization) 7. Empedans (impedence), Z A 8. Bantgenişliği (bandwidth) 11/20

12 9. Tarama (scanning) 10. Sisteme ilişkin konular (system considerations) (1) Işıma örüntüsü ( radiation pattern), F(θ,ϕ): Işıma örüntüsü, antenin yaydığı gücün (elektromanyetik alan şiddetinin), antenin uzak alanında, sabit bir uzaklıktaki açısal değişimini gösteren bir grafiktir (bkz. Paragraf 2.1). (2) Yönlülük (directivity), D: Antenin yönlülüğü, antenin maksimum ışıma yaptığı yöndeki güç yoğunluğunun aynı güçteki bir izotropik antenin aynı uzaklıkta oluşturduğu güç yoğunluğuna oranıdır. Şekil 2.20 de, bir yönlü anten ile izotropik antenin aynı uzaklıkta oluşturdukları güç yoğunlukları, sırasıyla, S ve S i ile gösterilmiştir. Bu durumda, yönlülük D=S/S i olarak tanımlanmaktadır. İzotropik antenin ışıma örüntüsü Yönlü antenin ışıma örüntüsü Ana kulakçık Arka kulakçık Yan kulakçık S D S i S i S S Şekil 2.20 Yönlendirmenin ışıma örüntüleri ile açıklanması (3) Hüzme genişliği ( beamwidth), θ: Yönlü bir antenin hüzme genişliği, ışıma diyagramında maksimum ışıma gücünün yarıya düştüğü yönler arasındaki açıdır. Gücün yarıya düştüğü bu yönlerde, güç seviyesi maksimum gücün 3 db altındadır (10 log 10 0,5 = -3 db). Hüzme genişliğine, yarım-güç hüzme genişliği ya da 3-dB hüzme genişliği adları da verilir. Hüzme genişliği Şekil 2.21 de ışıma diyagramı üzerinde gösterilmektedir. Yarım-güç noktası (half-power point) Ana kulakçık Arka kulakçık Yan kulakçık θ Maksimum ışıma gücü Yan kulakçık Yarım-güç noktası (half-power point) 0,5 1,0 Yarım-güç hüzme genişliği (θ) (Half-power beamwidth) Şekil 2.21 Işıma örüntüsü üzerinde yarım-güç hüzme genişliğinin gösterilmesi (4) Verimlilik (efficiency), e r : Anten verimliliği, ışıma verimliliği (radiation efficiency) olarak da bilinir, antenin yaydığı ışıma gücünün antene uygulanan elektriksel güce oranıdır. e P ışıma r (2.4) Pgiriş Anten verimliliği, anten kayıplarının bir ölçüsüdür ve 0 ile 1 arasında değer alır (0 e r 1). Anten kayıpları, anten empedansı ile besleme hattının empedans uyumsuzluklarından ya da yansıma kayıplarından, anten direncinde oluşan omik kayıplardan ve izolatörlerdeki sızıntılardan oluşan dielektrik kayıplarından oluşur. 12/20

13 (5) Kazanç (gain), G: Anten kazancı, antenin verimliliği (e r ) ile yönlülüğünün (D) çarpımına eşittir. G = e r D (2.5) Kayıpsız bir antenin kazancı antenin yönlülüğüne eşittir. Anten kazancı, yaygın olarak db türünden (ya da izotropik antene göre olduğunu belirtmek için dbi türünden) verilir. Anten kazancı, antene uygulanan güce göre daha büyük bir çıkış gücünün elde edilmesi değildir; anten çıkış gücünün belirli bir yöne doğru yönlendirilmesidir. Yani, ışıma gücü bazı yönlere doğru azaltılırken bir yöne doğru çoğaltılmış olur. Anten kazancı ile ilgili bir kavram da antenin etkin alanıdır (effective area of an antenna). Antenin etkin alanı ( A e ), antenin fiziksel boyutları ve şekli ile ilgilidir ve Eşitlik 2.6 daki formülden hesaplanır. 2 4 Ae 4 f Ae G (2.6) 2 2 c Burada, G : Anten kazancı (antenna gain) A e : Etkin alan (effective area) f : Taşıyıcı frekans (carrier frequency) c : Işık hızı (speed of light m/s) λ : Taşıyıcı dalga boyu (carrier wavelength: λ=c/f ) Bazı antenlerin kazançları ve anten açılık alanı (A) türünden etkin alan değerleri Çizelge 2.1 de verilmiştir. Çizelge 2.1 Bazı antenlerin güç kazançları ve etkin alan değerleri [4] Anten Tipi Etkin Alan A e (m 2 ) Güç Kazancı, G (dbi türünden) İzotropik (isotropic) λ 2 /4π 1 Sonsuz küçük dipol ya da lup (infinitesimal dipole or loop) 1,5λ 2 /4π 1,5 Yarım-dalga dipol (half-wave dipole) 1,64λ 2 /4π 1,64 Huni (horn), açıklık alanı A 0,81A 10A/λ 2 Parabolik (parabolic), açıklık alanı A 0,56A 7A/λ 2 İki çapraz dipol (Turnstile: Two crossed dipoles) 1,15λ 2 /4π 1,15 Örnek GHz de çalışan ve çapı 2 m olan parabolik yansıtıcılı bir antenin etkin alanını, oran türünden ve db türünden kazancını bulunuz. Çözüm: Verilenler: f = 12 GHz; çap: D = 2 m, yarı çap: r = 1 m Antenin açıklık alanı (aperture area): A = π r 2 = π (1) 2 = π = 3,14 m 2 Antenin etkin alanı (effective area): A e = 0,56 A = 0,56π = 1,7593 m Dalgaboyu: c /(3f 10) /(12 10) 0,025 m 4 A 4(1, 7593) Anten kazancı (oran türünden) : e G (0, 025) Anten kazancı (db türünden) : G() db 10 log(35373) 10 45,49 db (ya da dbi) 13/20

14 (6) Kutuplanma (polarization): Antenin kutuplanması, antenden ışınan elektrik alanı vektörünün tipine göre adlandırılır. Üç tür anten kutuplanması vardır: 1. Doğrusal kutuplanma (linear polarization): Bkz. Şekil 2.22 ve 2.23 (a) ve (b). - Elektrik alanı yatay ise yatay kutuplanma (horizontal polarization) - Elektrik alanı dikey ise dikey kutuplanma (vertical polarization) 2. Dairesel kutuplanma (circular polarization) Elektrik alanının vektörünün dairesel dönüş yününe ve elektromanyetik dalganın gidiş yönüne göre sağ-el ya da sol-el kutuplanma ( right-hand or left-hand polarized) olarak adlandırılır. Başparmak yürüyen dalga yönünü, diğer parmaklar elektrik alanı vektörünün dönme yönünü gösterir. Bkz (c) ve (d). 3. Eliptik kutuplanma (elliptic polarization) Elektrik alanı vektörünün elips çizerek döndüğü yöne ve elektromanyetik dalganın gidiş yönüne göre sağ-el ya da sol-el kutuplanma ( right-hand or left-hand polarized) olarak adlandırılır. Bkz (e) ve (f). Kutuplanma türüne bağlı olmaksızın, elektrik ve manyetik alan vektörleri birbirlerine dik olarak (90 o açı ile) elektromanyetik dalganın yayılma yönüne dik bir düzlem içinde bulunurlar. Buna düzlem dalga ( plane wave) denir. Birbirine dik olarak w rad/s açısal hızında dönen bu iki vektör, elektrik alan vektörünün dönüş yönüne göre bir vidanın ilerleme yönünde ilerleyen bir elektromanyetik alan oluşur. Şekil 2.22 de, dikey doğrusal kutuplanmalı bir elektromanyetik dalganın soldan sağa doğru yayılması gösterilmiştir. Şekil 2.22 Dikey doğrusal kutuplanmalı elektromanyetik dalganın soldan sağa doğru yayılması E E (a) Dikey doğrusal polarizasyon (b) Yatay doğrusal polarizasyon E w E w (d) Sol-el dairesel polarizasyon (c) Sağ-el dairesel polarizasyon E w E w (e) Sol-el eliptik polarizasyon (f) Sağ-el eliptik polarizasyon Şekil 2.23 Elektromanyetik dalga kutuplanma türleri (dalganın yönü sayfaya dik olarak dışarı doğru) 14/20

15 (5) Empedans (impedance): Antenin giriş empedansı ( input impedance), antenin besleme uçlarındaki gerilimin akıma oranıdır ( Z A =V A /I A ). Anten direnci üzerindeki kayıpları minimuma indirmek ve böylece anten verimliliğini arttırabilmek için, anteni besleyen iletim hattının karakteristik empedansının anten empedansının eşleniği ( conjugate) olarak seçilmesi gerekir * ( Zhat Z A ). Bu işleme empedans uyumlama (impedence matching) denir. Anten empedansı Z A = R A + jx A ise, hattın karakteristik empedansı Z hat =R A jx A olmalıdır. Eğer anten direnci sadece dirençten oluşuyorsa ( R A ), hattın karakteristik empedansının genliği Z hat = R A olarak seçilmelidir. Bir yarım dalga dipol antenin direnci yaklaşık 75 Ω dur. Bu antenin belemesi 75 Ω luk eşeksenli (coaxial) kablo ile yapılırsa, empedans uyumu sağlanmış olur. (6) Bantgenişliği (bandwidth): Antenin bantgenişliği, antenin önemli performans parametrelerinin kabul edilebilir sınırlar içinde kaldığı frekans aralığıdır. (7) Tarama ( scanning): Antenin tarama özelliği, ışıma örüntüsündeki ana hüzmenin hareket ettirilebilmesidir. Ana hüzmenin hareket ettirilmesi, mekanik olarak anteni döndürerek ya da anteni sabit tutup çok sayıdaki anten elemanına uygulanan akımların fazlarını değiştirerek ya da gecikmeler yaratarak elektriksel yoldan yapılabilir. Mekanik yöntem pahalı ve yavaştır. Elektriksel yoldan tarama yapabilen antenlere faz dizilimli antenler ( phased-array antennas) denir. Faz dizilimli antenlerin çok sayıdaki ışıma elemanları, dipollerden, kalem-uçlu dalga kılavuzlarından (pen-ended waveguides), yarıklı dalga kılavuzlarından, mikroşerit antenlerden ya da diğer tür antenlerden oluşabilir. Faz dizilimli antenler, radarlarda, yön bulma sistemlerinde ve hüzme yününün ayarlanmasını gerektiren değişen trafik koşullarında kullanılır. Üç boyutlu tarama sistemlerinde, bir düzlemde mekanik, buna dik düzlemde ise elektronik tarama yapılabilir. (8) Sisteme ilişkin konular (system considerations), antenin boyutları, ağırlığı, çevresel çalışma koşulları gibi konulardır. 2.2 Yayılma Türleri (Propagatıon Modes) Antenden ışıyan elektromanyetik dalga aşağıdaki yollardan yayılır (bkz. Şekil 2.24): 1. Doğrudan dalga yayılması (direct wave propagation) ya da görüş hattı yayılması (line-ofsight propagation) 2. Yansıyan dalga yayılması (reflected wave propagation) 3. Yer dalgası yayılması (ground wave propagation) ya da yüzey dalgası yayılması (surface wave propagation) 4. Troposferik dalga yayılması (tropospheric wave propagation) 5. Gök dalgası yayılması (sky wave propagation) Alıcı antene gelen elektromanyetik dalga, yukarıdaki dalga yayılmalarından biri ya da birden fazlasının toplamı olabilir Doğrudan Dalgası Yayılması (Direct Wave propagation) ya da görüş hattı yayılması (lineof-sight propagation) Doğrudan dalga yayılması (ya da görüş hattı yayılması); verici ve alıcı antenlerin birbirlerini gördüğü; verici antenden yayılan elektromanyetik dalganın doğrudan alıcıya ulaştığı yayılma türüdür. 30 MHz in üzerindeki frekanslarda elektromanyetik dalga, yer dalgası gibi yüzeyi takip edemediği için ve atmosfer tabakalarında yansıma ve saçılmaya uğramadan bu tabakaları delip geçtiği için, bu frekanslarda doğrudan dalga yayılması ile iletişim yapılır. Buna görüş hattı iletişimi (line-of-sight communication) denir. FM radyo yayınları ( MHz), VHF ( Very High Frequency: MHz) ve UHF ( Ultra High Frequency: MHz) televizyon yayınları, SHF (Super High Frequency: 3-30 GHz) uydu iletişimi ve EHF (Extremly High Frequency: /20

16 GHz) telsiz yerel döngü (WLL: Wireless Local Loop) iletişimi ve kızılötesi ışın iletişimi bu tür yayılmaya verilebilecek uygulama örnekleridir. Doğrudan dalga yayılması ya da görüş hattı iletimi ileriki bölümlerde daha ayrıntılı olarak ele alınacaktır. Doğrudan dalga Yansıma ve kırınım Gök dalgası Uydu (satellite) DIŞ ATMOSFER 400 km İYONOSER 50 km Saçılma ve yansıma STRATOSFER Verici anten Troposferik dalga Yer dalgası Doğrudan dalga Yerküre TROPOSFER Alıcı anten 12 km Yerden yansıyan dalga Doğrudan Dalga Yayılması : 30 MHz in üstünde (FM radyo yayınları); VHF ve UHF TV yayınları; SHF uydu yayınları ve EHF telsiz yerel döngü; kızılötesi ışın iletişimi. Yer Dalgası Yayılması : 3 khz-3 MHz; LF (LW), MF (MW) Genlik modülasyonlu yayınlar. Troposferik Dalga Yayılması : 100 MHz-10 GHz frekanslarında telefon ve askeri iletişim sistemleri. Gök Dalgası Yayılması : 3-30 MHz HF bandı (SW: Short Wave); Kısa dalga radyo yayınları, amatör radyo, askeri iletişim, uzun mesafe uçak ve gemi haberleşmesi. Şekil 2.24 Elektromanyetik dalganın çeşitli yayılma yolları ve uygulamaları Optik ve Radyo Görüş Hattı Uzaklıkları Optik ve radyo görüş hattı uzaklıkları Şekil 2.25 de gösterilmektedir. Optik görüş hattı uzaklığı (optical line-of-sight distance), h yüksekliğindeki bir kule üzerindeki anten hizasından bakıldığında gözle görülen ufuk çizgisinin kuleye olan d uzaklığıdır. Bu uzaklık Eşitlik (2.7) de verilmektedir. d 3,57 h (2.7) Burada, h, metre türünden anten yüksekliğidir; d, kilometre türünden h yüksekliğindeki kule ile gözle görülen ufuk çizgisi arasındaki uzaklıktır. 16/20

17 Radyo görüş hattı uzaklığı (radio line-of-sight distance), h yüksekliğindeki bir kule üzerindeki antenden doğrudan dalga yayılmasıyla (30 MHz in üzerindeki frekanslarda) yeteri kadar güçlü bir yayın yapılması durumunda, radyo dalgalarının erişebildiği d uzaklığıdır. Bu uzaklık Eşitlik (2.8) de verilmektedir. d 3,57 Kh (2.8) Burada, h, metre türünden anten yüksekliğidir; d, kilometre türünden h yüksekliğindeki kule ile gözle görülen ufuk çizgisi arasındaki uzaklıktır; K, radyo dalgalarının kırılıma (refraction) uğramalarını hesaba katan bir düzeltme çarpanıdır (adjustment factor) ve pratik olarak K=4/3 alınır. Anten Radyo ufku (radio horizon) h Optik ufuk (optical horizon) Yerküre Şekil 2.25 Optik ufuk ve radyo ufku Görüş hattı (LOS) iletişiminde, verici ve alıcı anten yükseklikleri h 1 ve h 2 ile tanımlanırsa, antenler arasındaki maksimum uzaklık formülü Eşitlik (2.9) da verilmiştir [4]. 1 2 d 3,57 Kh Kh (2.9) Örnek 2.2 a) Biri yerden 100 m yükseklikte diğeri yer seviyesinde olan iki anten arasında en çok kaç km uzaklıktan görüş hattı iletimi yapılabilir? b) Alıcı antenin yerden yüksekliği 10 m yapıldığında, (a) şıkkında elde edilen uzaklıkta görüş hattı iletimi yapılabilmesi için verici anten yerden ne kadar yüksek olmalıdır? [4] Çözüm: a) Görüş hattı uzaklığı: d 3,57 Kh 3,57(4 / 3)(100) 3, km b) Görüş hattı uzaklığı: d 3,57() Kh1 Kh2 41 Kh1 (4 / 3) 10 7, ,57(4 / Kh 3) , (7,84)(7,84) h 1 K 4 / 3 46,2 m Yansıyan Dalga Yayılması (Reflected Wave Propagation) Şekil 2.24 de gösterildiği gibi, verici antenden yayılan elektromanyetik dalganın yeryüzünden yansıdıktan sonra alıcı antene ulaşan bileşenine yansıyan dalga (ya da yerden yansıyan dalga: Ground reflected wave) denir. Yansıyan dalga, alıcı antene faz değişeceği ile geleceği için, aynı antene gelen doğrudan dalga bileşenini zayıflatır. Yatay kutuplu dalgalar için, yansıyan dalga gücü yaklaşık olarak yansımadan önceki gücüne eşittir ve faz açısı 180 o farklıdır. 17/20

18 Dikey kutuplu dalgalar için, yansıyan dalga gücü yaklaşık olarak yansımadan önceki gücünün yarısına eşittir; fakat dalganın geliş açısı (yüzeye dik doğruyla yaptığı açı) 10 o den büyükse yansıyan dalgadaki faz değişikliği çok az olur Yer Dalgası Yayılması (Ground Wave or Surface Wave Propagation) Yer dalgası, yeryüzü eğimini takip ederek radyo ufuk (radio horizon) çizgisinin çok ötesindeki (yaklaşık 1500 km) uzaklıklara kadar yayılabilir. Yer dalgası yayılması 3 MHz e kadar olan taşıyıcı frekansları için oluşur. Bu frekans bölgesindeki elektromanyetik dalgalar atmosfer tarafında saçılmaya uğratıldıklarından atmosferin üstündeki tabakalara ulaşamazlar. Bu frekans bandındaki elektromanyetik dalgaların yeryüzü eğimine paralel olarak yayılmalarının nedenleri şöyle açıklanabilir: 1. Yerküreden olan yükseklik arttıkça hava yoğunluğu azalacağından, elektromanyetik dalganın hızı artar ve bunun sonucu olarak dalga yüzü aşağıya doğru eğilir (bkz. Şekil 2.26). 2. Elektomanyetik dalga ilerlerken yeryüzü üzerinde bir elektrik akım endüklediği için, bunun sonucu olarak, elektromanyetik dalga yüzünün (wave-front) yeryüzüne yakın olan kısmının yayılma hızı azalır ve dalga yüzü aşağı doğru bükülerek dalganın ilerleme yönü yeryüzü eğimini takip eder (bkz. Şekil 2.26). Az yoğun hava Hızlı Dalga yüzü (wave front) Dalganın izlediği yol Verici anten Yoğun hava Yavaş Yüzeye akım endüklenir Yerküre Alıcı anten Şekil 2.26 Yer dalgasının yeryüzü eğimini takip etmesi 3. Elektromanyetik dalganın sivri tepeli dağlar ve binalar gibi engellerin üzerinden geçerken kırınıma (diffraction) uğraması sonucunda, Şekil 2.27 de gösterildiği gibi, dalganın ilerleme yönü aşağı doğru bükülerek yeryüzü eğimini takip eder. Verici anten Doğrudan dalga Yerden yansıyan dalga Kırınım (diffraction) Sivri tepeli dağ Yerküre Kırınıma uğrayan dalgalar Yerden yansıyan dalga Alıcı anten Şekil 2.27 Elektromanyetik dalganın kırınıma uğraması sonucunda yönünü değiştirmesi Yer dalgası ile yapılan iletişime verilebilecek en yaygın örnek genlik modülasyonu (AM: Amplitude Modulation) ile yapılan radyo yayınlarıdır (uzun dalga ve orta dalga yayınları gibi). VLF (Very Low Frequency) Hz bandında dalgaboyu (100 km). 18/20

19 2.2.4 Troposferik Dalga Yayılması (Tropospheric Wave Propagation) Troposfer, yeryüzünden ortalama 12 km yüksekliğe kadar olan ve her türlü meteorolojik olayların olduğu, atmosferin en alt tabakasıdır. Troposferdeki farklı yoğunluktaki hava tabakaların rüzgârların etkisiyle çalkalanmaları (atmospheric turbulance) sonucunda dielektrik sabitleri farklı olan bölgeler oluşur. Verici antenden yayılan elektromanyetik dalgalar yerden 3-8 km yükseklikte türbülans ve nemin etkisiyle saçılmaya uğrar. Bu saçılmaya troposferik saçılma (tropospheric scattering) adı verilir. Saçılan dalgaların bir kısmı yeryüzüne doğru yayılır. Bu tür yayılmaya troposferik yayılma denir. Bu şekilde yapılan iletişime de troposferik iletişim (tropospheric communication) adı verilir. 30 MHz in altındaki radyo dalgaları, türbülans boyutlarından büyük olduğundan türbülanstan fazla etkilenmez. Troposferik saçılma için en uygun frekans 100 MHz ile 10 GHz arasındaki frekanslardır. 2 GHz de 300 km ye kadar troposferik haberleşme yapabilen askeri haberleşme sistemleri kullanılmaktadır. Troposferik iletişim, uydu iletişiminden önce telefon haberleşmesinde ve askeri haberleşme sistemlerinde (Tactical Troposcatter Communication Systems) yaygın olarak kullanılmıştır. Troposferik iletişim sitemlerinin bir kısmı yerlerini uydu iletişim sistemlerine bırakmıştır Gök Dalgası Yayılması (Sky Wave Propagation) Gök dalgası yayılması, 3 MHz ile 30 MHz arasındaki frekans bandındaki yapılan yayınlarda, elektromanyetik dalganın iyonosfer tabakasında yansımaya ve kırılıma ( refraction or bending) uğrayarak yeryüzüne doğru yayılmasıdır (bkz. Şekil 2.24). Gök dalgası, iyonosfer tabakası ile yeryüzü arasında birkaç kez yansıma yaparak ufuk çizgisinin çok ötesine kadar yayılabilir. Bu durum Şekil 2.28 de gösterilmiştir. Yansıma ve kırılım GD İYONOSFER YYD GD YYD GD Verici anten Yerküre GD : Gök Dalgası YYD : Yerden Yansıyan Dalga Alıcı anten Şekil 2.28 Elektromanyetik dalganın iyonosfer ile yerküre arasında birden fazla yansıması sonucunda alıcıya ulaşması Gök dalgası ile yapılan iletişim örnekleri olarak, kısa dalga radyo yayınlarını, amatör radyo yayınlarını, askeri iletişimi, uzun mesafe uçak ve gemi haberleşmelerini sayabiliriz. Çizelge 2.2 de frekans bantları, frekans aralıkları, dalgaboyları, yayılma türleri ve ilgili uygulamaları verilmiştir. 19/20

20 Çizelge 2.2 Frekans bantları; yayılma türeleri ve tipik uygulamaları [4] Band ELF (Extremely Low Frequency) Ses Frekansı (Voice Frequency) VLF (Very Low Frequency) LF (Low Frequency) MF (Medium Frequency) HF (High Frequency) VHF (Very High Frequency) UHF (Ultra High Frequency) SHF (Super High Frequency) EHF (Extremely High Frequency) Kızılötesi ışık (Infrared light) Görünür ışık (Visible Light) Kaynaklar Frekans Dalgaboyu Aralığı Aralığı Yayılma Türü Tipik Uygulamaları Hz Yer dalgası (GW) Enerji hattı frekansları, km bazı ev kontrol sistemleri Hz km Yer dalgası (GW) Telefon sistemlerinin analog abone hatları khz km Yer dalgası (GW): Uzun mesafeli seyrüsefer Zayıflama gündüz ve gece ve denizaltı iletişimi. az Atmosferik gürültü yüksek khz 10-1 km Yer dalgası (GW): VLF den biraz daha az güvenilir Gündüz soğurma (absorption) var khz m Yer dalgası (GW) ve gece gök dalgası SW): Zayıflama gündüz az, gece çok Atmosferik gürültü var 3-30 MHz m Gök dalgası (SW): Kalite, günün saatine, mevsime ve frekansa göre değişir MHz 10-1 m Doğrudan dalga (LOS): Sıcaklık terslemesi (temperature inversion) nedeniyle saçılma Kozmik gürültü var MHz cm Doğrudan dalga (LOS): Kozmik gürültü var 3-30 GHz 10-1 cm Doğrudan dalga (LOS): 10 GHz in üzerinde yağmur nedeniyle zayıflama Oksijen ve su buharı nedeniyle atmosferik zayıflama GHz 10-1 mm Doğrudan dalga (LOS): Oksijen ve su buharı nedeniyle atmosferik zayıflama 300 GHz mm Doğrudan dalga (LOS) THz 400 THz THz nm 770 nm nm Doğrudan dalga (LOS) 20/20 Uzun mesafeli denizcilik, deniz radyo sinyali (radio beacon). Deniz radyoları, yön bulma ve genlik modülasyonlu yayınlar (orta ve uzun dalga radyo yayınları). Amatör radyo, uluslararası yayıncılık, askeri iletişim, uzun mesafe uçak ve gemi iletişimi. VHF televizyon, FM radyo yayınları, iki yönlü radyo, genlik modülasyonlu uçak iletişimi, uçak seyrüsefer yardımcı araçları. UHF televizyon, hücresel telefon, radar, mikrodalga bağlantıları (microwave links), kişisel iletişim sistemleri. Uydu iletişimi, radar, karasal mikrodalga bağlantıları, telsiz yerel döngü (Wireless Local Loop). Deneysel,, telsiz yerel döngü (Wireless Local Loop). Kızılötesi LAN lar, tüketim elektroniği uygulamaları. Optik iletişim. [1] Waren L. Stutzman, and Gary A. Thiele, Antenna Theory and design, 2 Ed, John Willey and Sons, Inc., Newyork, 1998, ISBN ]. [2] Erdem Yazgan, Mikroşerit Antenler, [3] Microstrip (Patch) Antennas, [4] William Stallings, Wireles Communications and Networks, Pearson Prentice Hall, 2 Ed., 2005.