Antenler

1-GİRİŞ

Haberleşme geniş olarak bilginin bir noktadan diğer bir noktaya aktarımı olarak tanımlanabilir. Haberleşme sistemi içinde bilgi aktarımı, bilgiyi elektromagnetik bir dalgaya module ederek elde edilir ki bu, bilgi sinyalinin taşıyıcı rolünü oynar. Module edilmiş taşıyıcı, istenilen varış noktasına ulaştığında asıl bilgi sinyali demodüle edilerek yeniden elde edilir. Günümüzün modern haberleşme endüstrisinde, haberleşme bağlantılarının en önemli bileşenlerini antenler oluşturmaktadır.

Antenler, boşlukta yayılan elektromanyetik dalgaları toplayarak iletim kanalı içerisinde yayılmayı sağlamak(receiver) ya da boşluğa elektromanyetik dalgalar yaymak(transmitter) amacıyla tasarlanmışlardır. Antenler verileri yaydıkları dalgalar itibariyle kilometrelerce uzaklara taşıyabilirler. Bir antenin gönderme ve alma özellikleri aynıdır. Buna antenlerin karşılıklılık(reciprocity) özelliği denir. Antenler modern Telekomünikasyonun en önemli yapı taşlarıdır.

1.1 ANTENLER NASIL ÇALIŞIR

Genellikle bir anten, elemanlarıyla iletken malzemeyle elektriksel olarak bağlı alıcı ve vericiden oluşur. Verici anten de elektronlar sınırlandırılarak bir elektrik alan oluştururlar ve aynı zamanda bir de manyetik alan oluştururlar. Bu, zamanla beraber değişmekte olan dalgalar uzaya ya da boşluğa enine elektromanyetik dalga olarak yayılır. Tersinde ise, yani antene gelen elektromanyetik dalga anten üzerinde bulunan elektronları ileri geri hareket etmesine sebep olarak, giderek hızlanan bir titreşim meydana getirir. Bu da antenin içinde elektronların hareketinden dolayı akım oluşmasını sağlar. Her antenin bir giriş empedansı vardır ve bir anten; besleme iletim hattının veya dalga kılavuzunun empedansını, anteni çevreleyen ortamın öz empedansına uyumlandıracak bir dönüştücü olarak düşünülebilir. Verimli bir anten olmaksızın, elektromanyetik enerji yerelleşecek ve uzak mesafelere bilginin aktarımı mümkün olmayacaktır.

Şekil 1

1.2 ANTEN ÇEŞİTLERİ

1.2.1.İzotropik Antenler (Isotropic Antennas)

İzotropik antenler, boşlukta veya uzayda her yöne,eşit güçte elektromanyetik dalga yayan teorik bir nokta kaynağıdır ve anten kazançlarının anlaşılmasında referans olarak kullanılır. İzotropik antenin küre biçiminde olan ışıma görüntüsü aşağıdaki gibidir.

Şekil 2

1.2.2. Çok Yönlü Antenler (Omnidirectional Antennas)

Zayıf ya da daha fazla veya daha az her yöne dalga almak ya da yaymak amacındaolan yönlü anten türleridir.Bu anten türleri göreli, keyfi ya da konumu bilinmeyen dalgalar için kullanılır.

1.2.2.1 Monopol Antenler(Monopole Antennas)

Toprak levhası adı verilen bir iletken plaka üzerine genellikle dik olarak ve iletken plaka ile elektriksel temas ettirilmeden yerleştirilen çeyrek dalgaboyunda (λ/4) düz bir metal çubuktan oluşur. Çeyrek-dalga anteni (quarter wave antenna) ya da markoni anteni (marconi antenna; 1895’de Guglielmo Marconi tarafından üretilmiştir.) olarak ta bilinmektedir.

Şekil 3

Monopol antenin, anten çubuğu uzunluğunun λ/4’e eşit olması durumunda ve λ/4’ün tamsayı katlarında rezonans hale gelerek maksimum dalga yayma ya da alma yaparlar. Rezonansta antenin empedansı (öz direnci) sadece dirençten oluşur(36,8Ω). Ayrıca sanal sayılar içermez. Monopol antenin empedansı, anten çubuğunun boyu λ /4’ün altına düşürüldüğün de kapasitif, λ/4’un üstüne çıkarıldığında da endüktif olur. Monopol antenlerde yukarıdaki yapılara göre ayrılırlar. Bunlar çubuk anten (stick or pole antenna), kamçı anten (whip antenna)heliks anten (helical antenna) olarak ve daha da türevleri olacak şekilde üretilmiştir.

Şekil 4

1.2.2.2. Yarım Dalga Dipol Antenleri (Half Wawe Dipole Antennas)

Diğer bir adı Hertz antenidir. İki monopol anten elemanından oluşan ve uzunluğu λ /2 olan bir rezonans antenidir. Rezonans empedansı (öz direnci) 73 Ω’dur.

1.2.2.3. Katlanmış Dipol Antenleri (Folded Dipole Antennas)

Yarım dalga dipol antenlerinin uçlarının katlanması ile elde edilir. Uzunluğu λ /2 olan bir rezonans antenidir. Rezonans empedansı yarım dalga dipol empedansının dört katı olup yaklaşık olarak 300 Ω’ dur. Bant genişliği dipolün bant genişliğinden fazladır.

1.2.3. Yönlü Antenler (Directional Antennas)

Diğer bir ismi ‘’hüzme’’ antenlerdir (Beam antennas). Yönlü antenler yaymada çok güçlü ışıma yapabilen, almada ise çok güçlü sinyaller alabilen antenlerdir. Bu tür antenlerin kazançları yönlendirildiği yerde çoktur. Yönlendirilmediği yerde ise çok düşüktür. Böylece istenmeyen gürültüler veya yayınlar engellenmiş olunur.

1.2.3.1. Yagi-Uda Antenleri (Yagi-uda Antennas)

Yagi anteni olarak da geçer. VHF (Very High Frequency: 30-30 MHz) ve UHF ( Ultra high frequency: 300-3000 MHz) bantlarında televizyon yayınlarının alınmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Yagi anteni metal çubuklardan ya da telden yapılmış üç tür anten elemanından oluşur:

a. Bir yarım-dalga dipol ya da katlanmış dipol,

b. Bir yansıtıcı eleman (reflector),

c. Bir ya da daha fazla sayıda yönlendirici

Anten elemanları genellikle 0,1 λ aralıklarla ve yalıtkan maddeler üzerine konularak bir taşıyıcı çubuk üzerine monte edilmiştirler.

1.2.3.2. Çanak Antenler (Dish Antennas)

İçinde en yaygını parabolik yansıtıcı antenler (parabolic reflector antennas ) olup uzay araştırmalarında, karasal yayınlarda ve birçok alanda kullanılır. Parabol, bir düzlemde alınan sabit bir "d" doğrusu ile sabit bir "F" noktasından eşit uzaklıktaki noktaların geometrik yerleştirilmesidir. Bu sabit noktaya odak (focus), doğruya direk (directrix) denir.
 Parabolik yansıtıcı yüzey, bir parabolün ekseni etrafında döndürülmesi ile elde edilen yüzeydir; buna paraboloid denir. Paraboloidin x eksenine dik kesiti daire şeklindedir. Buna anten açıklığı (antenna clarity) denir.

Parabolik reflektörlü anteni beslenme yöntemleri:
 a-) Eksenden ya da önden besleme (axial or front feed)

b-) Eksen dışı ya da ofset besleme (off axis or offset feed)

c-) Cassegrain besleme (Cassegrain feed)

d-) Gregorian besleme (Gregorian feed)

Şekil 5

1.2.3.3. Log-Periyodik Antenler (Log-Periodic Antennas)

Log-periyodik antenler, bir eksen üzerinde frekansın logaritmik fonksiyonu olan aralıklarla dizilmiş çok sayıda dipolden oluşur. Art arda gelen anten elemanları(dipoller) 180° faz farkı ile beslenirler. Bu antenler dar hüzmeli ve geniş bantlı antenlerdir, VHF ve UHF bantlarında kullanılırlar.

1.2.3.4. Rombik Antenler (Rhombic Antennas)

Eşkenar dörtgen şeklinde, telden yapılmış, yönlü ve geniş bantlı bir antendir. HF (High Frequency) yani kısa dalga (short wave) bandında kullanılır. Antenin alma-gönderme yönünde bir sonlandırma direnci bulunur.

Şekil 6

1.3. Antenler’in Kullandığı Parametreler

1.3.1. Işıma Örüntüsü (Radiation Pattern)

Işıma örüntüsü, antenin yaydığı gücün (elektromanyetik alan şiddetinin), antenin belirli uzak alanında oluşturmuş olduğu, sabit bir uzaklıktaki açısal değişimini gösteren bir grafiktir.

1.3.2. Yönlülük (directivity), D

Antenin yönlülüğü, antenin maksimum ışıma yaptığı yöndeki güç yoğunluğunun aynı güçteki bir izotropik antenin aynı uzaklıkta oluşturduğu güç yoğunluğuna oranına denir.

1.3.3. Hüzme Genişliği (beamwidth)

Yönlü bir antenin hüzme genişliği, ışıma spektrumunda maksimum ışıma gücünün yarıya düştüğü yönler arasındaki açıdır.

1.3.4. Verimlilik (Efficiency), (e-r)

Anten verimliliği, ışıma verimliliği (radiation efficiency) olarak da bilinir, antenin yaydığı ışıma gücünün antene uygulanan elektriksel güce oranıdır.

e-r=Pışıma/Pelektrik

1.3.5. Kazanç (Gain), G

Anten kazancı, antenin verimliliği (er) ile yönlülüğün (D) çarpımına eşittir.

G=e-r*D

Kayıpsız bir antenin kazancı antenin yönlülüğüyle doğru orantılıdır. Anten kazancı, yaygın olarak dB (desibel) türünden (ya da izotropik antene göre olduğunu belirtmek için dBi türünden) verilir. Anten kazancı, antene uygulanan güce göre daha büyük bir çıkış gücünün elde edilmesini sağlamaz, anten çıkış gücünün belirli bir yöne doğru yönlendirilmesidir.

Yani, ışıma gücü bazı yönlere doğru azaltılırken bir yöne doğru artırılmış olur. Anten kazancı ile ilgili diğer bir kavram da antenin etkin alanıdır (effective area of an antenna). Antenin etkin alanı (A-e), antenin fiziksel boyutları ve şekli ile ilgilidir ve aşağıdaki formülden hesaplanır.

G= (4πAe)/λ^2   = (4πfAe)/c^2

Burada,

G : Anten kazancı (antenna gain)

A_e : Etkin alan (effective area)

f : Taşıyıcı frekans (transporter frequency)

c : Işık hızı (speed of light ≈ 3×10^8 m/s)

λ : Taşıyıcı dalga boyu (carrier wavelength: λ =c/f )

1.3.6. Kutuplanma (polarization)

Antenin kutuplanması, antenden ışıyan elektrik alanı vektörünün tipine göre adlandırılır. Üç tür anten kutuplanması vardır:

A. Doğrusal Kutuplanma (Linear Polarization):

- Elektrik alanı yatay ise yatay kutuplanma (horizontal polarization)

- Elektrik alanı dikey ise dikey kutuplanma (vertical polarization)

B. Dairesel Kutuplanma (Circular Polarization)

Elektrik alanının vektörünün dairesel dönüş yönüne ve elektromanyetik dalganın gidiş yönüne göre sağ-el ya da sol-el kutuplanma(right-hand or left-hand polarized) olarak adlandırılır. Başparmak, hareket halindeki dalga yönünü, diğer parmaklar elektrik alanı vektörünün dönme yönünü gösterir.

C. 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. Kutuplanma türüne bağlı olmaksızın, elektrik ve manyetik alan vektörleri birbirlerine dik olarak (90° açı ile) elektromanyetik dalganın ayılma yönüne dik bir düzlem içinde bulunurlar. Buna düzlem dalgası (plane wave) denir. Birbirine dik olarak w (rad/s) açısal hızında dönen bu iki vektör, elektrik alan vektörünün dönüş yönüne göre tıpkı bir vidanın ilerleme yönünde olan, bir elektromanyetik alan oluşturur.

Şekil 7

1.3.7. Empedans (Impedance)

Antenin giriş empedansı (input impedance), antenin besleme uçlarındaki gerilimin akıma oranıdır (ZA=VA/IA ). Anten direnci üzerinde ki kayıpları minimuma indirmek ve böylece anten verimliliğini arttırabilmek için, anteni besleyen iletim hattının karakteristik empedansının anten empedansının karşılığı olarak seçilmesi gerekir (Zhat=ZA ).

Bu işleme empedans eşleştirme (impedence matching) denir. Bir yarım dalga dipol antenin direnci yaklaşık 75 Ω’dur. Bu antenin beslemesi 75 Ω’luk eş eksenli (coaxial) kablo ile yapılırsa, empedans uyumu sağlanmış olur.

1.3.8. Bant Genişliği (bandwidth)

Antenin bant genişliği, antenin önemli performans parametrelerinin kabul edilebilir sınırlar içinde kaldığı frekans aralığıdır.