ANTENLER Doç. Dr. Sabri KAYA Erciyes Üni. Müh. Fak. Elektrik-Elektronik Müh. Bölümü Ders içeriği BÖLÜM 1: Antenler BÖLÜM 2: Antenlerin Temel Parametreleri BÖLÜM 3: Lineer Tel Antenler BÖLÜM 4: Halka Antenler 1
Ders içeriği BÖLÜM 1: Antenler BÖLÜM 2: Antenlerin Temel Parametreleri BÖLÜM 3: Lineer Tel Antenler BÖLÜM 4: Halka Antenler BÖLÜM 1: Antenler 1.1. Giriş 1.2. Anten Çeşitleri 1.3. Işıma Mekanizması 1.4. İnce Tel Antende Akım Dağılımı 2
BÖLÜM 1: Antenler 1.1. Giriş 1.2. Anten Çeşitleri 1.3. Işıma Mekanizması 1.4. İnce Tel Antende Akım Dağılımı BÖLÜM 1: Antenler 1.1. Giriş Elektromanyetik dalga nedir? Anten nedir? Anten düzeneği 3
Elektromanyetik Dalga Teorisi 19. yy da elektriksel ve manyetik kuvvetler ve bu kuvvetlerle ilgili alanlar ayrı ayrı incelenmiştir. Elektriksel ve manyetik alanlar arasındaki bağıntılar başlangıçta kesin olarak belirlenememiştir. Elektrik ve manyetik alan arasındaki bağıntıları tespit eden ingiliz fizikçi J.C. Maxwell dir (1864). Maxwell denklemleri, herhangi bir yerdeki noktada bulunan elektriksel ve manyetik alanlar arasındaki bağıntıyı, o noktanın konumuna ve zamana bağlı olarak ifade eder. Elektromanyetik Dalga Teorisi Maxwell denklemlerine göre; Zamanla değişmeyen hallerde (statik), elektriksel alan manyetik alandan bağımsız olarak bulunabilir. Zamanla değişen olaylarda ise, elektriksel ve manyetik alanlar bir arada bulunmak zorundadır. Bu iki alanın tümüne elektromanyetik alan denir. Maxwell denklemlerinin çözümü, elektromanyetik dalgaların yayılma özelliğinin bulunduğunu gösterir. Bu yayılma genel olarak her ortamın içinde ve boşlukta mümkündür. Boşluktaki yayılım hızı ışık hızı (c = 3*10 8 m/sn) ile olur. 4
Elektromanyetik Dalga Teorisi Elektromanyetik dalgaların yayılma özelliği deneysel olarak 1886 da Alman Fizikçi R.H. Hertz tarafından bulunmuştur. Hertz laboratuarında bir rezonans devresini elektromanyetik alanı çevreye yayacak şekilde geliştirmiştir. Bu devreden yayılan elektromanyetik dalgaların, uzak mesafedeki ikinci bir devreyi uyardığını göstermiştir. Elektromanyetik dalgaların endüstriye tatbiki İtalyan araştırmacı Marconi nin telsiz telgrafı icat etmesiyle başlar (1895-1897). Elektromanyetik Dalga Teorisi Elektromanyetik dalga: Elektrik ve manyetik alan bileşenlerini içeren ve bulundukları ortamda yayılarak enerji taşıyan dalgalardır. Elektromanyetik dalgalarda elektriksel ve manyetik alan bileșenleri birbirine diktir. Yayılma, bu iki alanın olușturduğu düzleme dik doğrultuda meydana gelir. E: Elektrik alan (V/m) H: Manyetik alan (A/m) λ : Dalga boyu 5
Antenler Anten nedir? Antenler elektromanyetik dalgaları göndermek veya almak için kullanılan aletlerdir. Verici anten: Bir sistemden güç alarak çevresine elektromanyetik dalga yayan bir antene verici anten denir. Verici moddaki antenler kılavuzlanmıș dalgaları serbest dalgalara dönüștürürler. Alıcı Anten: Çevresindeki elektromanyetik dalgalar tarafından uyarılarak bir sisteme güç aktaran antene alıcı anten denir. Alıcı moddaki antenler ortamdaki serbest dalgaları kılavuzlanmıș dalgalara dönüștürürler. Yapı olarak verici ve alıcı antenler birbirlerine benzerler. Hatta bir anten hem verici hem de alıcı anten olarak kullanılabilir (radar). Anten Düzeneği Anten, kılavuzlayıcı cihaz ile boșluk arasındaki geçiș yapısı olarak da tarif edilir. Kılavuzlayıcı cihaz transmisyon hattı veya dalga kılavuzu olabilir. Bu hat elektromanyetik enerjiyi verici kaynaktan antene veya antenden alıcıya tașımak için kullanılır. 6
Antenler konusu neyi inceler? Anten konusu, antenlerin hem verici hem de alıcı olarak çalıșmasını inceler. Bu inceleme de; belli tipteki bir antenin, bağlandığı transmisyon hattı ve transmisyon borusu ile ilișkileri, antenin yaydığı elektromanyetik dalgaların yapısı, bu iki konu arasındaki bağıntı, aynı anten alıcı anten olarak kullanıldığı zamanki çalıșma tarzı ile verici anten olarak kullanıldığı çalıșma tarzı arasındaki bağıntılar incelenir. Antenlerin Sınıflandırılması Antenler; Uygulama alanlarına göre Ișıma özelliklerine göre Yapısal özelliklerine göre Genel özelliklerine göre Frekans bantlarına göre sınıflandırılabilirler. 7
Uygulama Alanlarına Göre Sınıflandırma Radyo, TV yayınları Haberleșme Yön tayini Elektronik karșı tedbir Radar Radyo, astronomi Işıma Özelliklerine Göre Sınıflandırma İzotropik (noktasal kaynak) Belirli düzlemlerde eș diyagramlı (omni direksiyonel) Yelpaze biçimli ıșıma diyagramlı Kalem biçimli ıșıma diyagramlı Doğrusal, dairesel veya eliptik polarizasyonlu 8
Yapısal Özelliklerine Göre Sınıflandırma Dipol anten Monopol anten Katlanmıș dipol anten Parabolik yansıtıcılı anten Yarık anten Mikroșerit anten Huni anten Spiral anten Doğrusal anten dizisi Düzlemsel anten dizisi Genel Özelliklerine Göre Sınıflandırma Elektriksel boyutu küçük antenler Rezonant antenler Yürüyen dalgalı antenler Açıklık antenler Yansıtıcılı antenler Geniș band antenleri Adaptif antenler 9
Frekans Bandlarına Göre Sınıflandırma Çok alçak frekans antenleri Alçak frekans antenleri Orta frekans antenleri Yüksek frekans antenleri Çok yüksek frekans antenleri (3-30 KHz) (30-300 KHz) (0.3-3 MHz) (3-30 MHz) (30-300 MHz) Çok çok yüksek frekans antenleri (0.3-3 GHz) Süper yüksek frekans antenleri (3-30 GHz) Milimetrik dalga antenleri (30-300 GHz) BÖLÜM 1: Antenler 1.1. Giriş 1.2. Anten Çeşitleri 1.3. Işıma Mekanizması 1.4. İnce Tel Antende Akım Dağılımı 10
BÖLÜM 1: Antenler 1.1. Giriş 1.2. Anten Çeşitleri Tel antenler Açıklık antenleri Mikroşerit antenler Anten dizileri Reflektör antenler Lens antenler 1. Tel antenler (wire antennas) Bu tür antenlerin oldukça geniş kullanım alanları vardır. Bu antenler otomobillerde, binalarda, gemilerde vb. yerlerde görülebilir. Düz tel (dipol) Halka şeklinde (dairesel, dikdörtgeni kare, elips) Heliksşeklinde 11
2. Açıklık antenler (aperture antennas) Çok yaygın bir kullanım alanı vardır. Bunun sebebi, yüksek frekansların kullanımı ve daha karmașık anten tiplerine olan ihtiyaçtır. Açıklık antenlere mikrodalga antenleri de denir. Parabolik Horn, Konik Horn, Dikdörtgen dalga kılavuzu șeklinde olan açıklık antenler uçak ve uydu uygulamaları için çok kullanılırlar. Uzay araçlarının ve uçakların gövdelerine kolayca monte edilebilirler. Bu tür antenleri zararlı çevrenin șartlarından korumak için bir dielektrik madde ile kaplanabilir. Mikrodalga antenlere; transmisyon borularının açık bırakılan ağzı, transmisyon boruları üzerine açılmıș yarıklardan olușan iki boyutlu diziler, transmisyon borularının ağızlarının genișletilmesiyle elde edilen horn antenler, parabolik reflektör antenler, mikroșerit antenler ve dizileri örnek olarak verilebilir. 2. Açıklık antenler (aperture antennas) Mikrodalga antenlerin analizinde kullanılan klasik ve modern yöntemler: Geometrik optik yöntemi Yüzey akımı entegrasyonu yöntemi Ağız açıklığı alan dağılımı entegrasyonu yöntemi Geometrik kırınım kuramı Küresel dalga açılımları Düzlemsel dalgaların açısal spektrumu yöntemi Jacobi-Bessel açınım yöntemi Örnekleme kuramı açılım yöntemi 12
Karşılaştırma 1 Ghz frekansa kadar ince antenler ile bunların olușturduğu doğrusal, dairesel ve iki boyutlu diziler vs., 1 Ghz den büyük frekanslar için de açıklık antenleri kullanılmaktadır. Örnek: Radyo ve televizyon verici ve alıcılarında ince antenler kullanılırken, radar, radyo-link ve uydu haberleșme sistemlerinde açıklık antenleri kullanılmaktadır. 3. Mikroşerit Antenler Mikroșerit antenler, uzay araçlarında, uçaklarda, radarlarda, uydu haberleșmesinde, güdümlü mermi gibi bir çok askeri alanda, adaptif anten dizilerinde ve biyomedikal uygulamalarda geniș bir șekilde kullanılmaktadır. Pratikte en çok kullanılan mikroșerit anten tiplerinden biri, fiziksel olarak küçük olma avantajıyla birlikte dikdörtgen ve dairesel mikroșerit antenlerdir. 13
4. Dizi antenler Bir çok uygulama bir eleman ile başarılamayan ışıma karakteristiklerini gerektirebilir. Arzu edilen ışıma karakteristiklerini oluşturacak şekilde, elektrik ve geometrik düzenlemeyle ışıma elemanlarını biraraya getirmek mümkündür. Anten dizileri düzenlenirken ışıma belirli yönlerden maksimum, belirli yönlerde minimum olacak şekilde ayarlanabilir. 4. Dizi antenler 14
5. Reflektör (Yansıtıcı) antenler Gök cisimlerinin algılanmasında kullanılırlar. Parabolik antenlerin çapı 305 m kadar olabilir. Böyle büyük boyutlara milyonlarca km gitmesi gereken işaretleri alabilmek veya gönderebilmek için gerekli olan yüksek kazancı sağlamak için gerek duyulur. Parabolik anten dışında köşe yansıtıcı antenlerde mevcuttur. 6. Lens (mercek) antenler Mercekler, arzu edilmeyen yönlerde enerjinin yayılmasını önlemek için, enerjiyi paralel hale getirmek için kullanılırlar. Uygun maddenin seçilmesi ve geometrik konfigürasyonun uygun bir şekilde şekillendirilmesi ile mercekler, ıraksayan enerjinin çeşitli formlarını düzlemsel dalgalara dönüştürebilirler. Özellikle yüksek frekanslarda parabolik yansıtıcı antenlerle birlikte mercekler kullanılır. Boyutları ve ağırlığı düşük frekanslarda oldukça fazla olur. 15
6. Lens (mercek) antenler Mercek antenler yapıldıkları malzemeye göre ve geometrik yapısına göre sınıflandırılırlar. Dış bükey- düzlem Dış bükey- dış bükey Dış bükey- iç bükey Kırılma indisi n > 1 olan mercek antenler 6. Lens (mercek) antenler Mercek antenler yapıldıkları malzemeye göre ve geometrik yapısına göre sınıflandırılırlar. İç bükey- düzlem İç bükey- iç bükey iç bükey- dış bükey Kırılma indisi n < 1 olan mercek antenler 16
İdeal anten İdeal bir anten vericiden aldığı tüm gücü istenen doğrultuda yayan antendir. Ancak, uygulamada bunu tam olarak gerçekleştirmek imkansızdır. İstenen özellikleri belirli bir ölçüde sağlayabilmek için özel amaçlı değişik türde antenler kullanılabilir. BÖLÜM 1: Antenler 1.1. Giriş 1.2. Anten Çeşitleri 1.3. Işıma Mekanizması 1.4. İnce Tel Antende Akım Dağılımı 17
BÖLÜM 1: Antenler 1.1. Giriş 1.2. Anten Çeşitleri 1.3. Işıma Mekanizması Antende ışıma nasıl gerçekleşir? Işıma Mekanizması Antende ışıma nasıl gerçekleşir? Elektromanyetik alanlar nasıl üretilir? Transmisyon hattında nasıl kontrol edilir (kılavuzlanır)? Antenden boşluğa nasıl ayrılır? 18
Tek Telli Antenlerde Işıma Mekanizması Tek telli bir antende ışımanın olup olmaması yüklere ve akıma bağlıdır. 1. Eğer yükler hareket etmiyorsa akım oluşmaz ve ışıma olmaz. 2. Eğer yükler sabit bir hızda hareket ediyorsa: Eğer tel sonsuz uzunlukta düz bir tel ise ışıma gerçekleşmez. Eğer tel bükülmüş, kırılmış, süreksiz, yük sonlandırılmış ise ışıma gerçekleşir. 3. Eğer yükler zamanla bir osilasyona uğruyorsa düz tel olsa bile ışıma gerçekleşir. Bükülmüş Tel 19
KırılmışTel Süreksiz Tel 20
Yük ile Sonlandırılmış Tel İki Telli Antende Işıma Mekanizması İki iletkenli transmisyon hattına voltaj uygulanınca iletkenler arasında elektrik alan olușur. Elektrik alan, bununla ilgili elektrik kuvvet çizgilerine sahiptir. Elektrik kuvvet çizgileri elektrik alan șiddeti ile orantılıdır. Elektrik kuvvet çizgileri her bir iletkenle ilgili serbest elektronları etkileme özelliğine sahiptir ve onların yer değiștirmesi için kuvvet uygular. Yüklerin hareketi bir akım olușturur ve bu da manyetik alan olușturur. 21
Işıma Mekanizması Elektrik alan çizgileri pozitif yükle bașlar, negatif yüklerde sona erer. Manyetik alan çizgileri genellikle akım tașıyan iletkenleri saran kapalı halkalar olușturur. Eğer voltaj kaynağı sinüzoidal ise iki iletken arasındaki elektrik alanın uygulanan kaynağın periyoduna eșit bir periyot ile sinüzoidal olması beklenir. Işıma Mekanizması İletkenler arasında zamanla değișen elektrik ve manyetik alanların olușumu, transmisyon hattı boyunca ilerleyen elektromanyetik dalgaları olușturur. Elektromanyetik dalga, antene geçer ve dalga ile ilgili yüklere ve buna karșılık gelen akımlara sahiptir. Bir ıșımanın gerçekleșebilmesi için zamanla değișen bir akım olmalıdır. 22
Işıma Mekanizması Antenin bir parçası kaldırılırsa boșluk dalgaları elektrik alan çizgilerinin açık uçlarını bağlayacak șekilde olușurlar (kesikli çizgiler). Elektromanyetik dalgaları su dalgalarına benzetmek mümkündür. Kaynak sürekli dalga üretirse elektromanyetik dalgalar sürekli yayılacaktır. Kaynak kaldırılsa bile elektromanyetik dalgalar ilerlemeye devam eder (su dalgaları gibi). Sonuç olarak: Elektrik yükleri alanları uyarmak için gereklidir. Ancak, onların devam etmeleri için gerekli değildir. Dipolde Işıma Mekanizması 23
Dipolde Işıma Mekanizması Dipolde Işıma Mekanizması 24
Işıma Mekanizması BÖLÜM 1: Antenler 1.1. Giriş 1.2. Anten Çeşitleri 1.3. Işıma Mekanizması 1.4. İnce Tel Antende Akım Dağılımı 25
BÖLÜM 1: Antenler 1.1. Giriş 1.2. Anten Çeşitleri 1.3. Işıma Mekanizması 1.4. İnce Tel Antende Akım Dağılımı İki telli iletim hatlarında akım dağılımı Dipolde akım dağılımı İki telli iletim hatlarında akım dağılımı Lineer dipol üzerinde akım dağılımını göstermek için ilk önce kayıpsız iki telli transmisyon hattı ile ișe bașlamalıyız. Yüklerin hareketi, tellerin her biri boyunca I 0 /2 genlikli yürüyen dalga akımı olușturur. Akım tellerin her birinin sonuna ulaștığında tamamen yansımaya uğrar. Yansıyan yürüyen dalga, gelen yürüyen dalga ile birleștiğinde her bir telde duran dalga diyagramı olușturur. Her bir teldeki akımlar arasında 180 faz farkı vardır. Eğer iki tel arasındaki aralık çok küçük ise (s <<λ), her bir teldeki akımlar birbirini yok eder ve ışıma söz konusu olmaz. 26
İnce Tel Antende Akım Dağılımı Transmisyon hattının bir bölümü (0 z l/2) așağıdaki gibi açılmaya bașlandığında, akım dağılımının tellerin herbirinde form olarak değișmediği kabul edilir. Açılan kısmın iki teli birbirine çok yakın olmadığı için biri tarafından ıșımlanan alanlar, diğeri tarafından ıșımlanan alanları yok etmez. Sonuç olarak sistemin net ıșıması vardır. Lineer dipolde akım dağılımı Son olarak, transmisyon hattının ayrılan kısmı așağıdaki gibi olsun. Bu çok kullanılan dipol geometrisidir. Duran dalga akım diyagramından doları duran dalga anteni olarak da isimlendirilir. Eğer l<λ ise, dipolün iki kolu tarafından ıșımlanan alanlar, birbirlerini takviye edeceklerdir. 27
İnce Tel Antende Akım Dağılımı Dipollerdeki akım dağılımları ayrılan parçanın uzunluğuna bağlı olarak değișmektedir. İnce Tel Antende Akım Dağılımı Dipollerdeki akım dağılımları ayrılan parçanın uzunluğuna bağlı olarak değișmektedir. 28
İnce Tel Antende Akım Dağılımı Dipollerdeki akım dağılımları ayrılan parçanın uzunluğuna bağlı olarak değișmektedir. İnce Tel Antende Akım Dağılımı Dipollerdeki akım dağılımları ayrılan parçanın uzunluğuna bağlı olarak değișmektedir. 29
λ/2 Büyüklüğündeki Dipolde Akım Dağılımının Zamana Bağlı Olarak Değişimi λ/2 Büyüklüğündeki Dipolde Akım Dağılımının Zamana Bağlı Olarak Değişimi 30
λ/2 Büyüklüğündeki Dipolde Akım Dağılımının Zamana Bağlı Olarak Değişimi λ/2 Büyüklüğündeki Dipolde Akım Dağılımının Zamana Bağlı Olarak Değişimi 31
λ/2 Büyüklüğündeki Dipolde Akım Dağılımının Zamana Bağlı Olarak Değişimi 32