ANTEN VE MİKRODALGA LABORATUVARI

Deney No: 4 ANTEN VE MİKRODALGA LABORATUVARI ANTEN EMPEDANSININ YARIKLI HAT (SLOTTED LINE) KULLANILARAK 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. 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, Z 0 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, Z0 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 2). 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. 1

ŞEKİL 1 ŞEKİL 2 Deneyin Yapılışı 2

ŞEKİL 3 Şekil 3 de görülen Slotted Line donanımının giriş portuna MSG10 Mikrodalda Sinyal Üretici bağlanır. Yükün bağlandığı porta ise Kısa Devre aparatı bağlanır. Böylece gelen dalganın aynı şekilde yansıması sağlanmış olur. MSA10 Mikrodalga Sinyal Analiz Cihazı ise Slotted Line donanımının üst kısmında bulunan hareketli probe ile bağlanır. Bu bağlantılar Şekil 4 de detaylı olarak görülmektedir. ŞEKİL 4 Bağlantılar yapıldıktan sonra Yarıklı Hatta bulunan probe hareket ettirilerek ardışık iki minimum değerin görüldüğü noktalar arasındaki uzaklık ölçülür. Bu uzaklık λ/2 kadardır. Böylece λ kolaylıkla bulunur. Örneğin; ilk minimum güç değeri 20.5 cm de, ikinci minimum güç değeri 14.5 cm de görülmüş ise ; λ/2 = 20.5-14.5 = 6cm olur. Bu durumda λ = 12 cm dir Deneyin 2. aşamasında ise yukarıdaki düzenekte bulunan short-circuit terminator sökülerek, yerine load olarak GPS Anten bağlanır. Anten bağlı iken probe hareket ettirilince belirli aralıklarla minimum ve maksimum değerler gözlemlenecektir. GPS anten bağlı iken minimum değerlerin görüldüğü noktalar arasından, yükün kısa devre yapıldığı durumdaki ilk minimum değerin görüldüğü noktaya en yakın olan nokta belirlenir. Mesela, GPS anten bağlı iken 18.6 cm de, 15.6 cm de, 12.6 cm de vb. minimum güç değerleri görüldüğünü farzedelim. 3

Kısa devre durumunda ilk minimum 20.5 cm de görülmüş olduğu için, antenin bağlı olduğu durumda 20.5 cm e en yakın olanın 18.6 cm noktası olduğu anlaşılır. Bu iki nokta arasındaki fark l harfiyle sembol edilir. l = 20.5-18 = 1.9 cm dir. Minimum değerlerin olduğu noktaların ve l nin bulunması aşağıdaki grafikten anlaşılmaktadır. Grafiğe göre l=a-b l ve λ değerlerini bulduktan sonra Smith abağı üzerinde en üst pozisyondan başlayarak, (Z=0+j0) dıştaki skalada, l / λ miktarında yüke doğru ilerlenir. Yukarıdaki örnek değerlere göre 0 noktasından başlayarak 1.9/12 = 0.16 miktarda yük yönünde yani saat yönünün tersi yönde hareket edilir. Bu işlem tamamlandıktan sonra, son adım olarak gerekli olan duran dalga oranı hesaplanır. 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) Buna göre VSWR nin hesaplanabilmesi için maksimum ve minimum gerilim değerleri bulunmalıdır. Bunun için GPS anten bağlı olduğu durumda görülen max ve min değerler ölçülür. Fakat MSA10 mikrodalga sinyal analizi cihazında görülen değerler güç değerleridir. E max ve E min değerlerinin bulunması için Güç-Gerilim dönüşümü tablosu kullanılarak güç değeri voltaj değerine dönüştürülür. Örneğin; anten bağlı iken görülen maksimum güç değeri 50 dbuv, minimum güç değeri ise 43 dbuv olsun. Tablo aracılığıyla; 50 dbuv= 0.447 mv ve 43 dbuv = 0.2 mv olarak hesaplanır. VSWR = 0.447/0.2 = 2.23 olarak bulunur. Bulunan bu değer Smith Chart üzerinde VSWR çemberi olarak çizilir. Pergelin sabit ucu Smith Chart merkezinde yani 1 noktasında sabitlenerek, pergelde bulunan kalem 2.23 noktası üzerinden geçecek şekilde çember çizilir. (2.23 değerine göre deneme yapınız, çemberin 1 in solunda kalan noktasının 0.45 üzerinden geçtiğini gözlemleyiniz) Son Adım: Smith Chart merkezinden daha önce elde edilmiş olan 0.16 değerine cetvel yardımı ile bir çizgi çizilir. Bu çizginin VSWR çemberini kestiği nokta anten empedansının normalize edilmiş halidir. Bu nokta Z=R+jX şeklindedir. Noktanın üzerinden geçen çember reel kısmı ifade eder. Noktanın üzerinden geçen eğimli çizgiler ise anal kısmı ifade eder. Nokta 0 ekseninin üst kısmında ise sanal kısım pozitif, alt kısmında ise negatif olur. (Şimdiye kadar elde etmiş olduğumuz 0.16 ve 2.23 değerlerine göre empedansın yaklaşık olarak 1-j0.8 olduğunu gözlemleyiniz.) Bulunan bu değer, empedansın Z o a göre normalize edilmiş halidir. Sorularda Z o verilir. Örneğin Z 0 = 50 ohm olarak verilmiş ise GPS Anten empedansı; 50 x (1-j0.8) = 50-j40 şeklinde bulunur. 4

ANTEN VE MİKRODALGA LABORATUVARI Deney No: 3 Yönlü Kuplör (Directional Couplor) Kullanılarak Geri Dönüş Kaybı (Return Loss), Yansıma Katsayısı (Γ) ve Duran Dalga Oranı(Voltage Standing Wave Ratio) Hesabı Deneyin Amacı: Horn Anten in Geri Dönüş Kaybı, Yansıma Katsayısı ve VSWR değerlerinin yönlü kuplör kullanılarak hesaplanması. Kullanılacak Cihazlar: -Horn Anten -Yönlü Kuplör (Directional Couplor) -MSG10 Mikrodalga Sinyal Üreteci -MSA10 Mikrodalga Sinyal Analizörü -Adım Motor Kontrol Cihazı -Bağlantı Kabloları Ön Bilgi: Yönlendirici kuplör, transmisyon hattı boyunca bir yönde ilerleyen dalganın taşıdığı enerjiyi ikinci bir çıkış kapısına ilettiği yapıdır. İdealde diğer kapıyı besleyecek şekilde ters yönde ilerleyen bir dalga oluşmasını engeller. Kuplörler değişik amaçlar için kullanılabilirler. En önemli kullanım amacı, bir transmisyon hattında gelen dalgayı yansıyan dalgadan ayırmasıdır. Yönlendirici kuplörler çeşitli yapılarda olabilirler. Burada kullanılan yapıda küçük bir miktarda enerjinin teğet paralel dalga kılavuzuna geçmesi için dalga kılavuzunun yan duvarında delikler yer almaktadır. Kuplajın şiddeti, açıklıkların pozisyonu ve alanlarıyla ve aralarındaki eksenel uzaklığın yönlendiricilik özellikleri ile belirlenir Bir dalganın ana kılavuz boyunca Sekil 3.1 deki gibi ilerlediğini kabul edelim. Şekil 3.1. Dalga klavuzunda dalganın ilerlemesi 5

Dalgaların port 1 e geldiğini kabul edelim ve kuplajın ilk açıklık boyunca Sekil 1.1 de görüldüğü gibi ileri yönde F1, geri yönde B1 genlikli dalgalar oluşturduğunu varsayalım. İkinci açıklıkta da ileri yönde F2, geri yönde B2 genlikli dalgalar oluştuğunu varsayalım. Açıklıklardan ileri yönde oluşan F1 ve F2 genlikli dalgalar, her ikisi de eşit d mesafesini kat ettiklerinden port 3 e aynı fazda ulaşırlar. Ters yönde ilerleyen B1 ve B2 bileşenleri, port 4 e farklı fazlarda ulaşırlar. Bunun sebebi B2 bileşeninin port 4 de B1 ile birlesene kadar x1 den x2 ye ve x2 den x1 e olmak üzere toplamda 2d kadar daha fazla mesafe kat etmesidir. İki açıklık arasındaki mesafenin l / 4 olarak seçilmesinden dolayı aralarında 1800 faz farkı oluşur ve açıklıklar arasında oluşan kuplaj B1=B2 ise birbirlerini sönümlerler. Bu durumda port 4 e hiçbir güç ulaşmaz. Pratikte x1 ve x2 açıklıklarının benzerliklerinde yerleştirilmelerinde ve sonlandırmanın uydurulmasında tam bir mükemmellik yoktur. Bundan dolayı istenmeyen yönlerde ilerleyen dalgalardan kaynaklanan bazı çıkış işaretleri elde edilir. Benzer mantık hattın sonundan yansıyarak tekrar kuplöre gelen dalgalar için de uygulanırsa ölçüm noktasına hiç güç ulaşmadığı görülür. Böylece ileri yönde bağlantı durumunda yalnızca ilerleyen dalgaya ilişkin bilgi elde edilmiş olur. Ters yönde bağlantı durumunda ise yalnızca yansıyan dalgaya ilişkin değerler ölçülmüş olur. Bu durumda kuplörün ilerleyen dalgayı yansıyan dalgadan ayırdığı görülür. Şekil 3.2. de yönlü kuplörün şekli gösterilmektedir. Şekil 3.2. Yönlü Kuplör Deneyin Yapılışı: 1-Öcelikle ilerleyen dalganın(forward power) bulunması için yönlü kuplör sisteminin şekil 3.3'deki gibi kurulması gerekmektedir. 6

Şekil.3.3 Yönlü kuplör sistemi 2- Koaksiyel kablo ile MSG10 cihazı P1 portuna bağlanır, 3- Koaksiyel kablo ile MSA10 cihazı P3 portuna bağlanır, 4- Horn anten P2 portuna bağlanır, 5- İlerleyen dalganın değeri MSA10 ile ölçülür ve ölçülen değer not alınır. 6- Yansıyan dalganın (Reverse Power) bulunması için horn anten P1 portuna; MSG10 cihazı P2 portuna bağlanır, 7- Aynı şekilde P3 portuna bağlı olan MSA10 ile yansıyan dalganın değeri ölçülür ve ölçülen değer not alınır. 8- İlerleyen dalga(p incident) ile yansıyan dalga (P reverse) değerleri db olarak ölçüldükten sonra return loss değeri, aşağıdaki denklem ile bulunabilir; Return Loss(dB) = Pi(dBm) - Pr(dBm) Yani desibel cinsinden ilerleyen dalga gücü ile yansıyan dalga gücünün farkı return loss değerini verir. 9- Return Loss(db) = -20log[Γ] denklemi ile yansıma katsayısı bulunabilir. 10- Son olarak yansıma katsayısı kullanılarak aşağıdaki formül ile VSWR değeri hesaplanabilir. VSWR = (1+ [Γ]) / (1-[Γ]) 7

SONUÇ: 8