Anten Çeşitleri ve Hesabı
Durgun sulu bir göle küçük bir taş atıldığında, taşın değdiği yerden çevreye doğru halkalar biçiminde dalgalar yayıldığı görülecektir.
Sudaki dalga
Bu durum elektromanyetik dalga yayılımında da vardır. Ancak tek bir fark vardır ki o da verici antendeki elektronlar, alıcı antendeki elektronlara etkisini binlerce km uzaktan bile taşıyabilmektedir. Yani enerji (etki) havada yol amaktadır.
Dalgaları daha iyi anlamak için kısa aralıklarla dalgaların hareketlerini inceleyelim.
Dalga yayılmasından değişik görünümler
İki dalga tepesi arası metre cinsinden ölçülür ve bu uzunluğa ”dalga boyu (λ) ” denir. Bir salınımın inip çıkması için geçen zamana (kendini tekrarladığı en küçük zaman aralığı) ”periyot (T) denilir ve birimi saniyedir. Dalganın saniyede aldığı yol ise dalganın yayılma hızını verir. Dolayısı ile bir dalga yayılımı için aşağıdaki formül geçerlidir.
T=1/ƒ V=λ / T =λ.ƒ
V yayılım hızıdır. Diğer bir tanımla buna faz hızı da denir. f ise frekanstır.
Frekans (sıklık), elektromanyetik dalgaların ana belirleyici özelliği olduğuna göre, onları bir frekans sırasına dizebiliriz. İşte bu sıralamaya ”Elektromanyetik spektrum (dağılım)” denir. Elektromanyetik dalgaların özet biçimindeki bir spektrumunu aşağıda inceleyebiliriz.
Elektromanyetik Spektrumu
Anten Çeşitleri
Antenler, yüksek frekanslı enerjiyi elektromanyetik dalgalar halinde yayan veya gelen elekromanyetik dalgaları alan ve elektrik akımına çeviren sistemlere verilen genel addır.
Anten Rf (radyo frekans) sinyallerini boş alana ya da boş alandan alıcıya ulaşmasını sağlayan bir ara birimdir. Antenleri verici antenleri ve alıcı antenleri olmak üzere ikiye ayırabiliriz.
Verici Antenler yüksek frekanslı elektrik enerjisini elektromanyetik dalgalara çevirerek boş alana yayan iletkenler sistemidir. Alıcı antenleri ise vericinin gönderdiği elektromanyetik dalgaları alarak tekrar elektrik ekımına çeviren iletkenler sistemidir.
Antenler, her ne kadar ”pasif” eleman olarak tanımlansa da örneğin fiziki engeller arkasına yerleştirilen bir antenin yayın alanının önünün kesilmesi veya vericiden gelen sinyalin bir yönde odaklanarak yansıtılması ile istenilen noktada en çok yayın şiddeti elde edilmesi gibi özellikleri dikkate alındığında, aktif birer pasif eleman olarak tanımlanabilir. Aynı zamanda antenlerin kazançları vardır. Bu kazançlar alış sisteminin randımanına ve anten elemanlarına bağlıdır.
Bir telsiz veya alıcı sisteminde, en az alıcı kadar hatta alıcıdan belki de daha önemli olanın antenin konumu ve yapısı olduğunu söyleyebiliriz. Elimizdeki en iyi verici veya alıcı, anten uygun olmadığı taktirde işimize yaramayacaktır.
Temel olarak iki tip anten bulunmaktadır. Bunlar hertz ve markoni antenleri olarak ayrılabilir. Hertz anteni yarım dalga boyunda (λ/2) olup; diğer bir adları da dipol antenlerdir. Markoni antenler ise çeyrek dalga (λ/4) boyunda antenlerdir. Bu tip antenler yere dik olarak kullanılmakta sinyalin yarısı toprakta, diğeri ise anten üzerinde meydana gelir. Bu tip antenler alçak frekanslarda çalışmaktadır ve dalga boyları çok uzun olan istasyonlarda kullanılır.
Evlerimizde kullandığımız tv antenleri dipol antenlere güzel bir örnek teşkil ederken, çoğunuzun rastladığı telsiz antenleri ise markoni tip antenlere teşkil etmektedirler. Dikkat ederseniz bütün telsiz antenleri yere dik olarak monte edilir.
Temel bir anten, iletim hattının iletkenleri açılarak yapılabilir. Buradaki amaç iletim hattından daha fazla enerji yaymaktır. İletim hattının iki ucu açılıp uçları arasındaki mesafe arttırılırsa yayılan enerjinin miktarı da artar. İletim hattının uçları birbirine zıt yönde 90º katlanırsa elde edilen antene dipol anten denir. Antenden yayılan elektromanyetik dalganın yayılımı merkezden kenarlara doğru büyüyen daire halkaları şeklinde olmaktadır. Bunu durgun bir suya atılan taşın oluşturduğu dalgalar şekline benzetebiliriz.
Temelde gerekçe olarak dalga boyunun düşmesi (λ/2, λ/4, λ/8 …) bant aralığının da daralması anlamındadır. Bunun sonucunda da dalga boyu yükselecektir. (radyonuzda kullandığınız kısa, uzun, orta dalga boyları…).
Hertz Anten (Yarım Dalga Anten)
Mümkün olduğunca az enerji harcayarak daha uzak noktalarla haberleşme düşüncemizi, yönlü antenlerle gerçekleştiriyoruz. Adından da anlaşılacağı üzere bu tip antenler, vericimizin yayın gücünü belirli bir noktaya yoğunlaştırarak iletmemizi sağlıyor. Çevremizden duyduğumuz isimleriyle yagiler, quad, beamler, dipol antenler veya hertz antenler yönlü antenin türevleridir.
Yönlü antenlerin en basit, temel biçimi, hertz antenlerdir. λ/2 dalga boyundaki dipol antene hertz (yarım dalga dipol) anten denir. Genellikle 2MHz üzerindeki frekanslarda yaygın olarak kullanılır.
Dipol, sözcük anlamı ile iki kutup ya da iki uç anlamına gelir. Buradan da aslında dipol antenimizin özelliğini kavrayabiliriz. Kabaca iki uçlu tel de diyebiliriz.
Gerek maliyetinin düşük oluşu, gerek neredeyse her yerde uygulanabilir oluşu, yönlü anten kullanmak isteyenlerin dipol anten ile ilk denemeler yapmasını sağlar.
Hertz anten bir seri rezonans devresine eşittir. Bu sebeple hertz anten aynı zamanda bir rezonans antendir. Yüksek frekanslı elektrik enerjisi, antenin ortasından beslenir. Açık olan anten uçlarında gerilim maksimum, akım ise sıfırdır. Anten uçlarında oluşan gerilim zıt yönlüdür, her alternansta yer değiştirirler. Yön değiştiren zıt elektrik kutupları arasında, değişen elektrik alanları oluşur.
Yarım dalga boyu dipol antenler, uzun tel antenlerin kısaltılmış bir şekli olarak düşünülmüş ve bu esastan hareket edilerek geliştirilmiştir. Diğer uzun tel anten cinslerinin kökeni, bu belli başlı anten boyutlarından kaynaklanır. Bir dipol antenin iletim hattı (genellikle, besleme hattı, iniş kablosu, koaks bağlantısı gibi tanımlamalar verilmiştir.) İki elemanın tam ortasında yer almaktadır. Orta noktasına ise besleme noktası denilmektedir. Bu besleme noktasının her iki tarafında çeyrek dalga boyu uzunluğunda dipol elemanları uzanır.
Örnek: f=100 MHz’de çalışacak dipol antenin boyutunu bulunuz.
λ=300.10 üzeri 6/ 100.10 üzeri 6 = 3 metre l= λ/2 = 3/2 = 1,5 metre = 150 cm
Dipol antenlerde, tamamen boşlukta ve en pratik anten yüksekliklerinde besleme noktası empedansı yaklaşık olarak 72 Ω’dur. Kendisinden başka, yakınlarında herhangi bir cisim ve anten yüksekliğinin fonksiyonu bu empedansın değişmesine neden olacaktır. Yapı, direk tepe ve diğer antenlerin bu empedansı etkileyeceğini hiçbir zaman hatırdan çıkarmamak gerekir. Aynı şekilde antenin yeterli düzeye sahip olmaması da bu empedansı etkilemektedir.
Enerjinin anten beslediği giriş uçlarında akım en büyüktür. Açık olan hat ucuna doğru antenden geçen akım yavaş yavaş azalır. Hat ucunda sıfır olur. Her alternans değişen akım yönleri merkezde büyük ve uçlara doğru azalarak yayılan manyetik alan çizgileri oluşturulur. Oluşturulan manyetik alan, boşluğa elektromanyetik dalgalar şeklinde yayılır. Hertz antenin empedansı uçlarda yaklaşık 2500 Ω’luk bir maksimum değer gösterirken antenin besleme noktasında empedansı az önce söylediğimiz gibi yaklaşık 72 Ω’dur.
Hertz antenin yeryüzünde h kadar yüksekliğe monte edildiğini düşünürsek, hertz antenden yayılan elektromanyetik dalgalar boşlukta bir P noktasına ulaşır. P noktasına ulaşan elektromanyetik dalgalar iki yol izlemiştir, bunlar antenden direkt ulaşan dalgalar, diğeri ise yer yüzeyinden yansıyıp ulaşan dalgalardır.
Antenden çıkan enerjinin bir kısmı uzaktaki P noktasına doğrudan gider. Doğrudan giden dalganın takip ettiği yön yatay ile belli bir A açısı yapar. A anteninden çıkan enerjinin bir kısmı aşağı doğru yeryüzüne doğru iner. Yeryüzü iyi bir iletken olmadığından yeryüzünden yansıyıp P noktasına gider. Yansıyan dalga ile doğrudan dalganın toplamı P noktasında görülür. Eğer yansıyan dalganın fazı 180º kaymışsa P noktasında ters fazlı iki dalga meydana gelir. Dolayısıyla toplam enerji bu durumda sıfırdır. Eğer yansıyan dalgadaki faz kayması olmamışsa P noktasında enerji iki katına çıkar. Hayal antenin gerçek antenin toprak yüzeyinden yüksekliği kadar, toprak altında yer aldığı ve yansıyan dalgaların hayal antenden yayıldığı kabul edilir. Bu etkiyi yok etmenin en iyi yolu, gerçek anteni yerden oldukça yükseğe monte etmektir. Ancak uygulamada bu imkansız olur. Çünkü antenin yüksekliği, antenin yayılma direncini etkiler. Bu da elektromanyetik dalgaların zayıflamasına yol açar.
Markoni Anten
Düşey olarak monte edilmiş alçak ucu doğrudan toprağa bağlanmış ya da antenin bir ayağı topraklanmış 1/4 dalga boyundaki tek kutuplu antenlere ”Markoni Anten” denir. Markoni anteni, yer yüzeyi üzerinde dik olarak durmakta olan çeyrek dalga uzunluğunda bir çubuktan oluşur. Yer yüzeyi bir iletken olduğu için elektriksel ayna işlevi görür. Aşağıdaki görüntüde anlaşıldığı gibi markoni anteni topraktan yansır ve sonuç olarak ortaya bir yarım dalga dipolü çıkar. Çalışma ve etki bakımından Markoni anten yarım dalga dipolun eşidir.
Yerden yansıyan dalgalar nedeniyle markoni antenin özellikleri hertz antenin özelliklerine benzer.
şekil 1.5: Markoni Anten
Şekil 1.5’te markoni anteninin gerilim ve akım duran dalgaları görülmektedir. Şekilde Markoni antenin doğrudan yeryüzüne monte edildiği taktirde, gerçek anten ile hayal antenin birleştiği ve yarım dalga hertz antenin dalga izine eş değer olduğu görülmektedir. Akımın maksimum değeri, antenin topraklandığı uçlarda meydana geldiği şekilden anlaşılmaktadır. Bu durum toprağa yüksek akım akışına neden olur. Anten gücü azalır. Güç kaybını azaltmak için yerin, kil ve humuslu toprak gibi iyi bir iletken olması gerekir.
Markoni antenin hertz antenine oranla en önemli avantajı, markoni antenin uzunluğunun hertz antenin uzunluğunun yarısı olmasıdır. Dezavantajı ise markoni antenin toprağa yalnız monte edilmesidir.
YEREL ANTEN ELEMANLARI
Yerel Anten Elemanları
Televizyon antenleri üç elemandan meydana gelir.
Bunlar yansıtıcı (reflektör), dipol ve yönlendirici(direktör)dir.
Yansıtıcı(Reflektör)
Metal taşıyıcı üzerine monte edilmiş bir dipolün sinyal geliş veya gidiş yönünde arkasına düşen ve yaklaşık olarak λ / 4 mesafeye yerleştirilen düz bir borudan yapılmış anten elemanına ”Yansıtıcı” denir. Yansıtıcının görevi vericiden gönderilen elektromanyetik dalgaları dipole doğru yönlendirmektir.
Dipol
İki ucu birbirine yaklaştırılmış, bükülü ve λ / 2 boyundaki anten elemanına ”dipol” denir. Alıcı anteni televizyon alıcısına dipol ile bağlanır. Dipol ile televizyon alıcısı arasındaki bağlantıda koaksiyel kablolar kullanılır. Burada kullanılan koaksiyel kabloların empedansının dipol empedansına eşit olması gerekir. Günümüzde kullanılan alıcı antenindeki dipol empedansı 75 Ω ‘dur. Dolayısıyla kullanılan koaksiyel kabloların empedansıda 75 Ω’dur. Televizyon yayınlarının başladığı ilk yıllarda dipol empedansı 300 Ω’du. Kullanılan iletim hattı ise iki telli paralel hatlardı. Bu durumda anten ile televizyon alıcısı arasında, empedans uygunlaştırıcı devreler kullanılıyordu. Artık günümüzde bu durum ortadan kalkmıştır.
Yönlendirici (Direktör)
Dipolün ön kısmında dalga boyu λ /8’e kadar mesafeye, dipolün dış boyutlarından daha küçük çubuk şeklindeki metal borudan yapılmış anten elemanına ”yönlendiriciler” denir. Anten dizisinde ne kadar fazla yönlendirici kullanılırsa, anten kazancı o kadar fazla olur. Yansıtıcı ve yönlendirici aldıkları radyasyon sinyallerini dipol üzerine tekrar yayar. Böylece dipol üzerindeki indüklenmiş bir gerilim meydana getirilir. İndüklenen gerilimin büyüklüğü ve fazı kullanılan elemanların uzunluğu aralarındaki mesafeye bağlıdır.
Anten Hesabı
FM Anten Hesabı
FM antenler, dikey (vertikal) çubuk antenler ile sinyalleri bütün yönlere yayar. Bu antenler normal menzilli görüşmeler için de yeterlidir. Bu tür antenler, diğer antenler gibi kullanılan frekansın dalga boyuyla orantılı olmak zorundadır.
Anten uzunluğunu hesaplamak için kullanacağımız formül;
λ=30000000/ƒ
λ= Dalga boyu (metre)
f= Sinyalin frekansı (Hertz)
Örneğin, 90 MHz frekansında yayın yapan antenin uzunluğu aşağıdaki şekilde hesaplanır.
λ=300000000/ƒ = 300000000/900000000 =3,33 metre
3,33 metre, söz konusu frekansın tam dalga cinsinden karşılığıdır. İdeal anten boyunu anlatır. Ancak 3,33 metre uzunluğunda bir anteni çatıya dikmek hemen hemen olanaksızdır.
Bu nedenle söz konusu dalga boyunun 5/8, 1/2 ya da ¼’ü alınır.
Dolayısı ile ; 90 MHz için anten boyları:
1/1: 3,33 metre 5/8: 2,08 metre 1/2: 1,665 metre ¼: 0,825 metre
Bir antenin koaksiyel kabloya bağlanması
Antenin boyu, tam dalga boyuna yaklaştığı oranda daha iyi sonuç alınır. Daha geniş bir alana seslenmek isteyen istasyonların 5/8 olarak anılan seçmelerinin nedeni budur. FM antenlerinin boyu konusunda ülkeden ülkeye değişen bazı kısaltmalar olabilir.
Örneğin kimi ülkelerde yarım dalga ve üstü anten kullanılması teorik olarak yasaktır.
Antenin, kendisine gönderilen sinyali en az kayıpla yayması için SWR ayarının yapılması gerekir. Teorik olarak yarım dalga bir antenin 90 MHz üzerinden çalışabilmesi için boyunun 2.08 metre olması gerektiğini örnekten hatırlayacaksınız.
KAYNAK: T.C. MİLLİ EĞİTİM BAKANLIĞI
ELEKTRİK ELEKTRONİK TEKNOLOJİSİ Dergisi