AKDENİZ ÜNİVERSİTESİ. Anten Parametrelerinin Temelleri. Samet YALÇIN

Transkript

1 AKDENİZ ÜNİVERSİTESİ Anten Parametrelerinin Temelleri Samet YALÇIN

2 Anten Parametrelerinin Temelleri GİRİŞ: Bir antenin parametrelerini tanımlayabilmek için anten parametreleri gereklidir. Anten performansından bahsederken bazı parametreleri birbiriyle ilgili olduğu için tüm anten parametrelerine gerek olmaz. Anten parametreleri bu ünitede verilecektir. IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas (IEEE Std )

3 Işıma Modeli Antenin ışıma özelliklerini uzay koordinatlarına göre açıklayan matematiksel fonksiyon veya grafiksel gösterimdir. Çoğu durum için ışıma modeli uzak alan için tanımlanır. Işıma özellikleri; Güç akı yoğunluğu, Işıma şiddeti, Alan kuvveti, Yönlülük, Faz veya kutuplaşmadan oluşur.

4 Işıma Modeli Alan modeli: Sabit bir yarıçapta ulaşan elektrik alanın izinin büyüklüğüdür (lineer değerde) Güç modeli: Sabit bir yarıçap boyunca güç yoğunluğunun uzaydaki şeklidir. (lineer db değerde)

5 Işıma Modeli üç model de yarı güç noktaları arasında aynı açıya (38.64 ) sahiptirler.

6 Işıma Modeli Kulakçıkları Birincil (major-main) İkincil (minor) Yan (side) Arka (back) kulakçıklar olarak adlandırılan kulakçıklardan oluşur.

7 Işıma Modeli Kulakçıkları Birincil kulakçık; en yüksek ışımanın olduğu yönde bulunan kulakçıktır. Yukarıdaki şekilde bu yön θ = 0 yönüdür. Bazı antenlerde bu kulakçık birden fazla olabilir. İkincil kulakçık: birincilin haricindeki diğer kulakçıklardır. Yan kulakçık: istenen kulakçık bitişiğindeki doğrultuda bulunan kulakçıktır. Arka kulakçık: birincil kulakçığın zıt yönünde olan ikincil kulakçık olarak tanımlanır. İkincil kulakçıklar küçültülmelidir. Bunların en büyüğü yan kulakçıktır. Yan kulakçıkların -20 db veya daha altındaki seviyeleri çoğu uygulamalarda istenmez. -30dB altı ise dikkatli bir tasarım ve yapıyı gerektirir. Çoğu radar sistemlerinde, düşük yan kulakçık oranı hataları azaltmak için önemlidir.

8 İzotropik, Yönlü modeller İzotropik anten, her yöne eşit ışıma yapan kayıpsız bir hipotetik antendir. Pratikte olmasa bile bu diğer antenlerin yönlülüğünü tanımlayabilmek için refaranstır. Yönlü anten ise belirli bir yönden gelen elektromanyetik dalgaları diğer yönlerden gelenlere kıyasen daha verimli alan ya da belirli bir yöne daha verimli yayan antendir.

9

10 Tümyönlü model Yönlü modelin özel bir türüdür. Verilen düzlemde aslında yönsüz, ortogonal düzlemde ise yönlü bir modele sahiptir. [f (φ), θ = π/2] [g(θ), φ = sabit].

11 Temel modeller Lineer kutuplu bir anten için, performans temel E ve H düzlem modelleri ile belirtilir. E düzlemi, elektrik alan vektörünü ve maksimum ışımanın yönünü içine alan düzlem olarak, H düzlemi ise manyetik alan vektörü ile maksimum ışımanın yönünü içine alan düzlem olarak tanımlanır. Horn anten örneğinde x-z düzlemi (yükselme düzlemi) E düzlemi, x-y düzlemi ise (azimut düzlemi) temel H düzlemidir. Tümyönlü model ise sonsuz temel E düzlemine (elevationplan es; φ = φc) ve tek bir temel H düzlemine (azimuthal plane; θ = 90 ) sahiptir.

12 Alan bölgeleri Anteni çevreleyen uzay 3 parçaya ayrılmıştır: Reakftif yakın alan bölgesi Işıyan yakın alan (Fresnel) bölgesi Uzak alan (Frahunhofer) bölgesi

13 Reaktif yakın alan bölgesi Reaktif alanın baskın olduğu yakın alan kısmıdır. Çoğu antende bu bölge, dış sınırın anten yüzeyiyle arasındaki mesafe 0.62 D3/λ kadardır. λ dalga boyu, D antenin en uzun dizisidir. Çok kısa dipoller için ise bu mesafe λ/2π kadardır.

14 Işıma yakın alan (Fresnel) bölgesi Bir antenin ışıma alanının dominant ve açısal alan dağılımının antene olan mesafeye bağlı olduğu reaktif yakın alan ile uzak alan bölgelerinin arasında kalan kısımdır. Eğer anten dalga boyunun altında maksimum diziye sahip olursa bu bölge oluşmayabilir. Bu bölge 0.62 D3/λ ile 2D 2 /λ arasındaki kısımdır. D en büyük değerde olmalıdır. Bu bölgede alan modeli radyal mesafe ve radyal alan bileşenine bağlıdır.

15 Uzak alan (Fraunhover) bölgesi Antenin açısal alan dağılımının anten mesafesinden bağımsız olduğu bölgedir. Anten toplam maksimum diziye sahipse, uzak alan bölgesi 2D 2 /λ den daha büyük hesaplanır. Sonsuzluğa odaklı anten için, uzak alan optik terminolojisine göre analoji temelinde bazen fraunhover bölgesi olarak kastedilir. Fiziksel ortamda anten toplam maksimum diziye sahipse uzak alan bölgesi antenden yaklaşık γ D 2 /π uzaklıkta başlayabilir. Burada iç sınır 2D 2 /λ dış sınır ise sonsuzdur.

16 Uzak alan (Fraunhover) bölgesi Reaktif yakın alanda model daha dağınık ve çok az değişimle neredeyse tektir. Fresnel bölgesi gözlemlendiğinde model düzgünleşmeye başlar ve kulakçıklar oluşturur. Fraunhover bölgesinde, model daha iyi formdadır ve birkaç ikincil kulakçık ve bir ya da birden fazla birincil kulakçık içerir.

17 Uzak alan (Fraunhover) bölgesi Minimum 2D 2 /λ uzak alan mesafesinden sonra model değişiminin radyal mesafenin bir fonksiyonu olduğunu göstermek için sonsuzluk ve 2D 2 /λ - 4D 2 /λ uzaklıklarında hesaplanmış bir parabolik reflektörün üç modelini kullandık. 25 db altındaki seviyelerdeki bazı farklılıklar hariç modellerin neredeyse aynı olduğu gözlemlendi. Sonsuzluk mesafesinin pratikte ölçülememesinden dolayı gözlemlenen uzak alan minimum uzaklığı için genel olarak kullanılan kriter 2D 2 /λ dir.

18

19 Radyan ve katı açı Çemberin çevresi kürenin alanı 2πr 4πr 2

20 Radyan ve katı açı R yarıçaplı kürenin yüzeyinde ölçülemeyecek kadar küçük alan da = r2 sinθ dθ dφ formülü ile verilir. Kürenin katı açısı da dω = sinθ dθ dφ olarak yazılır.

21 Örnek 2.1 Yarıçapı r olan bir kürede 0 θ 30, 0 φ 180 açıları arasında katı açıyı a) Tam olarak, b) Kürenin kuzey kutbundan geçen dik açılarla A kullanarak hesaplayınız ve iki sonucu kıyaslayınız. 1 2 ÇÖZÜM: 2 6 a) sin = 2π[ cos θ] π/6 0 = 2π(0.133)= A d d 0 0 b) 2 2 A Işın katı açısında yaklaşık %31.23 lük hata olduğu anlaşılır.

22 Işıma güç yoğunluğu EM dalgalar bilgiyi kablosuz ortam veya kılavuz yapısından bir noktadan başka bir noktaya taşır. Buradaki güç ve enerji EMA ile ilişkilidir. Bu güç için tanımlanan değer anlık Poynting vektörüdür; Poynting vektörü bir güç yoğunluğu olduğu için kapalı yüzeydeki toplam gücü bulmak için yüzeyden geçen poynting vektör bileşeninin integralini almak gerekir; n = yüzeydeki birim vektör

23 Işıma güç yoğunluğu Zaman değişimli alan uygulamalarında, ortalama güç yoğunluğunu bulmak gerekir. Bu da periyodlarca bölünmüş anlık güç yoğunluğunun integraliyle bulunur. formunda zaman harmonik değişimler için kompleks alanlar tanımlanır; çözümleri kullanılarak; (peak ten rms e inmek için ½ ile çarpılır.) İlk kısım zamana bağlı değilken ikincisinde zaman değişimi frekansın iki katıdır. Ortalama güç yoğunluğu şöyle yazılabilir.

24 Işıma güç yoğunluğu Peki reel kısım ortalama güç yoğunluğunu gösteriyorsa, imajiner kısım neyi gösteriyor? O de EMA ile ilgili olan reaktif (depolanmış) ortalama güç yoğunluğunu gösterir. Bu ilerki ünitelerde gösterilecek. Yukarıda gösterilen formülle de aşağıdaki ortalama güce erişilir

25 Örnek 2.2 Bir antenin ışıma güç yoğunluğunun radyal bileşeni; ^ ^ sin W rad ar W W r ar A0 2 2 r m A 0 güç yoğunluğunun peak değeri, a r birim birim vektör, toplam ışıma gücünü bulunuz. ÇÖZÜM: Güç yoğunluğu radyal bileşeninin yüzeyde integrali alınır; P W n da a A a r d d A ^ ^ 2 sin 2 2 rad rad r 0 2 r sin 0 r s 0 0 (W)

26 Işıma güç yoğunluğu İzotropik bir kaynak tüm yönlere eşit ışıma yapan ideal bir kaynaktır. Gerçekte var olmasa da diğer antenlere kıyasen uygun bir izotropik referans sağlar. Simetrik ışımasından dolayı, θ ve φ küresel koordinatlarından bağımsızdır, sadece radyal bileşene sahiptir. Böylece toplam ışıma gücü;

27 Işıma şiddeti Birim katı açı başına yayılan güçtür. Uzak alan parametresidir. Işıma yoğunluğuyla uzaklığın karesinin çarpımı ile bulunur; Uzak alanda radyal bileşen ihmal edilir;

28 Işıma şiddeti Toplam güç, ışıma şiddetinin integraliyle de bulunur;

29 Örnek 2.3 Örnek 2.2 de olan aşağıdaki denklem ile toplam gücü ışıma şiddetinin integraliyle tekrar hesaplayınız. ^ ^ sin W a W a A r ÇÖZÜM: 2 U r W sin rad A0 rad r r r sin A d d A

30 Işıma şiddeti İzotropik kaynaklar için ışıma güç yoğunluğunda olduğu gibi ışıma şiddeti de θ ve φ açılarından bağımsızdır;