ANTENLER Ders içeriği

8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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*108 m/sn) ile
olur.
4
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
Frekans Bandlarına Göre Sınıflandırma
Çok alçak frekans antenleri
(3 - 30 KHz)
Alçak frekans antenleri
(30 - 300 KHz)
Orta frekans antenleri
(0.3 - 3 MHz)
Yüksek frekans antenleri
(3 - 30 MHz)
Çok yüksek frekans antenleri
(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
8.03.2016
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)
Heliks şeklinde
11
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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:
3.
Eğer tel sonsuz uzunlukta düz bir tel ise ışıma
gerçekleşmez.
Eğer tel bükülmüş, kırılmış, süreksiz, yük
sonlandırılmış ise ışıma gerçekleşir.
Eğer yükler zamanla bir osilasyona uğruyorsa
düz tel olsa bile ışıma gerçekleşir.
Bükülmüş Tel
19
8.03.2016
KırılmışTel
Süreksiz Tel
20
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
Dipolde Işıma Mekanizması
Dipolde Işıma Mekanizması
24
8.03.2016
Işıma Mekanizması
BÖLÜM 1: Antenler
1.1. Giriş
1.2. Anten Çeşitleri
1.3. Işıma Mekanizması
1.4. İnce Tel Antende Akım Dağılımı
25
8.03.2016
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 I0/2 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
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
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
8.03.2016
λ/2 Büyüklüğündeki Dipolde Akım Dağılımının
Zamana Bağlı Olarak Değişimi
λ/2 Büyüklüğündeki Dipolde Akım Dağılımının
Zamana Bağlı Olarak Değişimi
30
8.03.2016
λ/2 Büyüklüğündeki Dipolde Akım Dağılımının
Zamana Bağlı Olarak Değişimi
λ/2 Büyüklüğündeki Dipolde Akım Dağılımının
Zamana Bağlı Olarak Değişimi
31
8.03.2016
λ/2 Büyüklüğündeki Dipolde Akım Dağılımının
Zamana Bağlı Olarak Değişimi
32