Dalga kılavuzu

 

Dalga kılavuzu, elektromanyetik (kısaca EM) veya ses dalgalarının taşındığı ve yönlendirildiği yapılardır. Optik bölgedeki EM dalgalara tam iç yansıma prensibine bağlı kılavuzluk eden optik lifler yaygın olarak kullanılan dalga kılavuzlarındandır.

Tarihçe

İlk dalga kılavuzu J. J. Thomson tarafından 1893 yılında önerilmiş ve O. J. Lodge tarafından 1894'te deneysel olarak kanıtlanmıştır. İçi boş bir metal silindir içerisinde elektromayetik dalgaların ilerleme şekillerinin matematiksel analizleri ilk kez 1897 yılında Lord Rayleigh tarafından yapılmıştır.

Dikdörtgen dalga kılavuzu

 

 

DALGA KLAVUZU TEORİSİ VE UYGALAMALARI

Elektromanyetik spektrumun 1000 MHz ile 100000 MHz arasında kalan kısmı MIKRODALGA bölgesi olarak adlandırılır. Mikrodalga frekansının ilkelerini ve uygulamalarını anlatmaya başlamadan önce, mikrodalga teriminin iyi anlaşılması gereklidir. Terimi yüzeysel olarak ifade etmek kolay gözüküyor. Mikro milyonda bir anlamına geliyor, ama aynı zamanda çok küçük anlamında da (izafi) kullanılmaktadır. Mikrodalga terimi frekansı 1000 MHz'den yüksek elektromanyatik dalgaları tanımlamakta kullanılır ve dalgaboyları çok küçük olduğu için bu adı alır. Kısa dalgaboyu kullanmak pek çok uygulamada belirgin avantajlar sağlar. Örneğin, nispeten daha küçük antenler ve daha düşük güçlü vericiler kullanılarak mükemmel yönlendirme elde edilebilir. Bu özellik hem askeri hem sivil iletişim uygulamalarında ideal bir yöntemdir. Mikrodalga frekanslarda küçük anten ve bileşenler kullanmak mümkün olmaktadır. Ayrıca ağırlık ve boş alanın ana problem olduğu gemilerde de bu yöntemin kullanımı önemlidir.

Düşük frekans kullanılan mikrodalga çalışmalarında iletim ve devre tasarımı konularında pek fazla problem çıkmaz. Klasik devre tasarımının gerilim ve akım teorilerine bağlı olmasına karşın mikrodalga tasarımlar Elektromanyetik Alanlar Teorisine bağlıdır. EAT konusu pek çok öğrenci için anlaşılması zor bir konudur. Yazının devamında mümkün olduğu kadar basit terimler kullanılacaktır. Buna rağmen konunun anlaşılmasının zor olacağı kanısındayım. Teorinin anlaşılması sıkı bir çalışma gerektirir.

Her konunun sonunda temaya bağlı 2 veya daha fazla soru-cevap yöntemli çalışma bulunacaktır. Konunun iyi anlaşılması için bu sorulara önce kendiniz cevap bulmaya çalışın. Bu konu için örnek 2 soru;

S1: Elektromanyetik spektrumda 1000 - 100000 MHz sahasına verilen ad nedir?

C1: Mikrodalga bölgesi.

S2: Mikrodalga teorisi hangi kavram üzerine kuruludur?

C2: Elektromanyetik Alanlar Teorisi.
Mikrodalga Teorisi

DALGA KLAVUZU TEORİSİ

Klasik devre tasarımında kullanılan 2wire (iki telli) iletim hattı, mikrodalga frekanslarda uygulananan elektromanyetik enerji transferinde yetersizdir. Şekil-1'de gösterildiği gibi, alan tüm yönlerde sınırlandırılmamıştır ve radyasyon nedeniyle enerji kaybı olur. Tüm alanı iletkenle sınırlandırılmış olan koaksiyel kablolar daha verimlidir (Şekil 2).


Şekil 1 - Alanlar sadece iki yönde sınırlıdır.

Alanlar tüm yönlerde sınırlandırlır.
Şekil 2 - Alanlar tüm yönlerde sınırlandırılır.

Dalga klavuzları, elektromanyetik enerjinin taşınmasında daha etkilidir. Dalga klavuzları aslında orta iletkeni olmayan koaksiyel hatlardır. Dairesel, dikdörtgen veya eliptik olarak iletken malzemeden imal edilirler (Şekil 3).


Şekil 3 - Dalga klavuzu şekilleri

Dalga Klavuzlarının Avantajları

Dalga klavuzları 2wire ve koaksiyel hatlara karşın, çoğu konuda daha avantajlıdır. Örneğin geniş iletim yüzeyi bakır kayıplarını (Copper Losses I2R) önemli ölçüde azaltır. 2wire hatlar dar yüzeyleri nedeniyle yüksek bakır kaybına sahiptir. Koaksiyel kabloların dış iletken yüzeyi geniştir ama iç iletken yüzeyi dardır. Mikrodalga frekanslarda, iç iletkenin akım taşıyan alanı yüzey etkileşimi (Skin Effect) nedeniyle çok sınırlı bir tabakadır.

Skin Effect olayı geniş bir inceleme gerektirdiğinde izah edilmeyecektir. Fakat iletken direncinin artmasına sebep olduğu bilinmelidir. Koaksiyel kabloda enerji transferi elektromanyetik alan haraketiyle sağlanmasına rağmen, alanın büyüklüğü iç iletkenin akım taşıyan yüzeyinin genişliği ile sınırlıdır. İç iletkenin küçüklüğü skin effect'in daha etkili olmasına sebep olmaktadır. Dalga klavuzlarında DIELEKTRIK kayıpları da daha azdır. 2wire ve koaksiyel hatlarda dielektrik kayıpları, iletkenler arasındaki yalıtkanın ısısının artmasıyla ortaya çıkar. İletkenler arasındaki dielektrik maddenin ısısının artması kapasitif etkiye sebep olur (Dielektrik Kaybı).

Dalga klavuzlarında dielektrik madde, geleneksel yalıtkanlara göre çok daha az dielektrik kaybı olan havadır. Ancak dalga klavuzları, durağan dalgalarda dielektrik bozulmayla karşı karşıyadır. Dalga klavuzlarında durağan dalgalar enerji transferinin verimini azaltır. Ayrıca dalga klavuzları çok daha fazla güç taşıyabilir. Fazla güç taşıma yetisi iletkebler arası boşluğa bağlıdır. Şekil 4 bu boşluğu karşılaştarmaktadır.


Şekil 4 - Koaksiyel kablo ile dairesel dalga klavuzunun iletkenler arası boşlukları.

Dalga klavuzlarının bu kadar avantajlı olması, size iletim hatlarında kullanılabilecek tek şey olduğunu düşünderebilir. Fakat dalga klavuzlarının bazı belirgin dezavantajları, sadece mikrodalga frekanslarında kullanılmalarının gerekliliğini göstermektedir.

Dalga Klavuzlarının Dezavantajları

Dalga klavuzlarının fiziksel büyüklüğü, düşük frekanslarda kullanılmalarını sınırlayan etkendir. Örneğin 1 MHz'de çalışacak bir dalga klavuzu yaklaşık 150m genişlikte olmalıdır. Bu nedenle dalga klavuzları 1.000 MHz altı frekanslarda kullanılmaz.

Dalga klavuzlarının kurulması da sert, boş boru yapıları nedeniyle zordur. Güvenli iletim için birleşim yerlerinde özel kuplorler kullanılmaktadır. Ayrıca skin effect'i azaltmak için, dalga klavuzlarının iç yüzeyleri altın veya gümüşle kaplanır. Buda maliyeti artırır.

S3: Mikrodalga frekanslarda koaksiyel hatlar 2wire hatlara göre neden avantajlıdır?

C3: Elektromanyetik alan tamamiyle sınırlandırılmıştır.

S4: Dalga klavuzu imalatında ne tip maddeler kullanılır?

C4: İletkenliği yüksek maddeler.

S5: İletken hatlarda yüzey genişliğinin fazla olması hangi olayın etkisini azaltır?

C5: Bakır Kayıpları (Copper Loss).

S6: Bir iletkende akım taşıyan yüzeyi daraltan etki nedir?

C6: Skin Effect.

S7: Dalga klavuzlarında hangi dielektrik madde kullanılır?

C7: Hava.

S8: Dalga klavuzlarının düşük frekanslarda kullanılamamasının temel sebebi nedir?

C8: Fiziksel büyüklüğünün düşük frekanslarda çok artması.
 

Dalga Klavuzu teori ve uygulamaları

Yazı dizisinin hedefleri

  • Çeşitli dalga klavuzlarının gelişimini, avantajlarını ve dezavantajlarını tanımak.
  • Dalga klavuzlarının fiziksel büyüklükleri ve yapısı. Yapılarının güç ve frekans üzerindeki etkileri
  • Elektromanyetik alanlar teorisi açısından dalga klavuzlarının enerji propagasyonu
  • Dalga klavuzlarının çalışma modları
  • Dalga klavuzlarında kullanılan temel giriş/çıkış metodları
  • Dalga klavuzu tesisatının temel ilkeleri
  • Dalga klavuzlarının sonlandırılımasının gerekliliği ve metotları
  • Yönlendirilmiş kuplorlerin çalışma ilkeleri ve uygulaması
  • Boşluk rezonatörlerinin çalışma ilkeleri ve uygulaması
  • Dalga klavuzu jonksiyonlarının temel çalışma ilkeleri
  • Ferrit aygıtların uygulamaları açısından incelenmesi

konularında okuyucuyu bilgilendirmektir.

DALGA KLAVUZU TEORİSİ VE UYGALAMALARI

    Elektromanyetik spektrumun 1000 MHz ile 100000 MHz arasında kalan kısmı MIKRODALGA bölgesi olarak adlandırılır. Mikrodalga frekansının ilkelerini ve uygulamalarını anlatmaya başlamadan önce, mikrodalga teriminin iyi anlaşılması gereklidir. Terimi yüzeysel olarak ifade etmek kolay gözüküyor. Mikro milyonda bir anlamına geliyor, ama aynı zamanda çok küçük anlamında da (izafi) kullanılmaktadır. Mikrodalga terimi frekansı 1000 MHz'den yüksek elektromanyatik dalgaları tanımlamakta kullanılır ve dalgaboyları çok küçük olduğu için bu adı alır. Kısa dalgaboyu kullanmak pek çok uygulamada belirgin avantajlar sağlar. Örneğin, nispeten daha küçük antenler ve daha düşük güçlü vericiler kullanılarak mükemmel yönlendirme elde edilebilir. Bu özellik hem askeri hem sivil iletişim uygulamalarında ideal bir yöntemdir. Mikrodalga frekanslarda küçük anten ve bileşenler kullanmak mümkün olmaktadır. Ayrıca ağırlık ve boş alanın ana problem olduğu gemilerde de bu yöntemin kullanımı önemlidir.

    Düşük frekans kullanılan mikrodalga çalışmalarında iletim ve devre tasarımı konularında pek fazla problem çıkmaz. Klasik devre tasarımının gerilim ve akım teorilerine bağlı olmasına karşın mikrodalga tasarımlar Elektromanyetik Alanlar Teorisine bağlıdır. EAT konusu pek çok öğrenci için anlaşılması zor bir konudur. Yazının devamında mümkün olduğu kadar basit terimler kullanılacaktır. Buna rağmen konunun anlaşılmasının zor olacağı kanısındayım. Teorinin anlaşılması sıkı bir çalışma gerektirir.

    Her konunun sonunda temaya bağlı 2 veya daha fazla soru-cevap yöntemli çalışma bulunacaktır. Konunun iyi anlaşılması için bu sorulara önce kendiniz cevap bulmaya çalışın. Bu konu için örnek 2 soru;

S1: Elektromanyetik spektrumda 1000 - 100000 MHz sahasına verilen ad nedir?

C1: Mikrodalga bölgesi.

S2: Mikrodalga teorisi hangi kavram üzerine kuruludur?

C2: Elektromanyetik Alanlar Teorisi.

 

 

 

Çoğunlukla inglizcesi olan waveguide şeklinde bilinen ve farklı modlardan oluşan dalgaların belli bir temel modunun klavuz sonunda çıkmasını ve diğerlerinin yok olduğu aygıt. Farklı amaçlar için değişik tasarımlarda dalga klavuzları modellenmekte ve bunların fabrikasyonu için de mikrofabrikasyon teknikleri kullanılmaktadır.

Dikdörtgen kesitli, daire kesitli, paralel levhalı olmak üzere farklı çeşitleri olan bir iletim hattı; elektromanyetik dalganın taşınırken dalga kılavuzlarında tem modunda taşınmaz,çünkü elektrik ve manyetik alan bileşenleri sıfırdır. Dalga kılavuzunda mikrodalgaların ilerleyebilmesi için te mod ya da tm modlu dalgalar olması gereklidir, Bu modların elde edilebilmesi için elektrik alan ya da manyetik alan bileşenlerinden birisinin sıfır olması gereklidir.

Neden Dalga Kılavuzu? Dalga kılavuzlarının geniş yüzey alanı, bakır kayıpları ( I^2*R )yi çok azaltır. Mikrodalga frekanslarında deri olayından dolayı dalga kılavuzlarına ihtiyaç duyulmuştur. Dalga kılavuzlarında izolasyon malzemesi havadır. Bununla klasik izolasyon materyallerinden daha az kayıp sağlanır.


Zorluklar: Dalga kılavuzunun genişliği nakledilecek dalganın frekansının yaklaşık olarak yarım dalga boyu kadar olmalı. Örneğin, 1 megahertzde kullanım için dalga boyu, 152.3 m den geniş olmalıdır. 1000 megahertz altındaki frekanslardaki dalga kılavuzları kullanımı imkansıza gider.


Zorluklar: Dalga kılavuzları sert borulardan yapıldığından dolayı kurmak zordur. Birleşme yerlerinde özel bağlama parçaları uygun çalışmaya için gerekir. Aynı zamanda dalga kılavuzlarının yüzeyleri içinde deri etkisi kayıplarını azaltmak için bazen gümüş veya altın ile kaplanılır. Bu şartlar bedelleri artırırlar ve mikrodalga frekanslarından başka frekanslarda dalga kılavuzu sistemlerinin pratikliği azaltır


Dalga Biçimleri ve Kesim Dalga Boyu Mikrodalgalarda kılavuz içindeki yayınım, elektriksel ve manyetik alanları dikkate alarak anlamak daha kolaydır.Elektriksel ve manyetik alan çizgileri birbirine her zaman diktir ve beraberce mikrodalga kılavuzu içinde elektromanyetik dalga olarak yol alırlar. Elektromanyetik dalga hareketinde elektriksel ve manyetik alanların daima beraberce iletildiklerini unutmamak gerekir. Dalga kılavuzlarında her dalga biçimi için bir dalga boyu kesim değeri vardır. Bu değer c=2a ile tarif edilir. Dalga boyu 2a dan büyük olan frekanslarda dalga kılavuzunda hiçbir iletim olamaz c ye kısaca “kesim dalga boyu” denir.

Kesim Dalga Boyları

Kılavuz İçinde Dalga Boyu Dalga kılavuzu içindeki ve havadaki dalga boyları farklıdır.

g ->Kılavuz içinde dalga boyu

0 ->Havadaki dalga boyu

c ->Kesim dalga boyu

Malzemeler Dalga kılavuzları genel olarak metalden yapılırlar. *Küçük direnç değeri *İmalat kolaylığı *Paslanmaya karşı dayanıklılık *Pirinç,Al,Mg ve bronz tercih edilir


Malzemeler Bir desibel’in kesirlerinin her birinin önemli olduğu sistemlerde pirinç ve Al’daki iletken kayıpları çok büyüktür.Bu yüzden bu metallerden yapılan dalga kılavuzu elemanları genellikle gümüş kaplanır. Alüminyum kılavuzun gümüş ile hemen kaplanamaması nedeniyle önce ince bir Cu tabakasıyla kaplanır. Mili metrik dalga boylarında dalga kılavuzunun çok küçük olmasından dolayı gümüş kaplama yerine kılavuzun tamamını gümüşten yapmak genellikle daha ucuzdur.


Ekleme Elemanları Şönt T tipi eleman Seri T tipi eleman Kanca tipi ekleme elemanları Sihirli T elemanı

Elemanlar Dirsekler Burgu ekleme elemanları

Dalga Kılavuzu Yapıyoruz Bu antenler evde en basit şartlarla kolaylıkla yapabileceğiniz anten tiplerinden birisidir. Bunun için boş bir konserve kutusu, bir parça tel ve bir adet de konnektöre ihtiyacınız olacak.

İnternette sık rastlanan 72 mm çaplı PRINGLES kutularının dalga kılavuzu olarak boyları çok uzun olduğundan (2863 mm) stabil çalışmamakta ve 2.4 GHz de anten yapımına müsait olmadıkları anlaşılmaktadır. Bu frekansta kullanılacak kutu çapı daha büyük olmalıdır.

Anten Yapımı Gereken malzemler ; *Antenin canlı ucu olarak kullanmak üzere 31 mm boyunda 1.5 - 2.0 mm çapında bakır tel, *Anten kablosunu bağlamak üzere N tipi, BNC tipi veya PL259 tipi bir konnektör, *Boyutlarını belirlediğiniz bir adet konserve kutusu, *Konnektörü kutuya bağlamak için dört adet 3 mm çapında kısa vida/somun, *Havya, lehim, lehim pastası, yan keski, eğe, cetvel v.b. aletler

Anten Yapımı Önce 31 mm boyundaki bakır teli konnektör ün canlı ucuna lehimleyin. İsterseniz bu telin boyunu daha uzun tutup lehimledikten sonra da kesebilirsiniz. Telin ucunu keskinin çapağını almak üzere eğeleyin. İkinci olarak konnektör ün bağlanacağı noktada konserve kutusuna kullanacağınız konnektör un boyutlarına uygun olacak şekilde bir delik delin. Eğer konnektör ünüz vidalı tip değil de şasi tipi ise ayrıca dört adet küçük somun için uygun delikleri de hazırlayıp Konnektörü yerine bağlayın.

Kullanımı Anteniniz hazırdır WLAN cihazınızın anten konnektör üne bir anten kablosu ile irtibatlandırıp kullanabilirsiniz. Bu antenin en iyi tarafı üretimindeki basitlik, ucuzluk ve kolaylıktır. 2 Km ye kadar olan WLAN linklerinde doğrudan görüş olması halinde 11 MBps bağlantı sağlayabilmektedir.

Hakkında Boş bir Pringles kutusu kötü niyetli hackerlara kablosuz iletişimde bilgi hırsızlığına yardımcı olur. Güvenlik Firmalarından biri olan I-SEC firmasının yaptığı araştırmalar gösteriyor ki, PRINGLES kutusu ile yapılan yönlü antenle Londra’daki Financial District 'e kablosuz iletişim kuran bilgisayarlar arası bilgilerin çalınabilir. Saldırılardan Hardware de yapılacak bir kaç ufak değişikle savunma hazırlanabilir.


"Dalga Kılavuzları ve Uygulama Alanları. Neden Dalga Kılavuzu? Dalga kılavuzlarının geniş yüzey alanı, bakır kayıpları ( I^2*R )yi çok azaltır. Mikrodalga."
 

Yuvarlak ve Eliptik Dalga Kılavuzları

Günümüzde UHF bandındaki daha uzun dalga boylu uygulamalarda dikdörtgen kesitli dalga kılavuzları kullanılmaktadır. Daha yüksek frekans bantlarındaki kısa bağlantılar ise sıkça sadece bunlarla yapılır.

Daha yüksek frekanslı sistemlerde dalga kılavuzlarının işlenmesi zorlaşmaktadır, bu nedenle bu yüksek frekanslarda işlenmesi daha kolay yuvarlak dalga kılavuzları tercih edilir. Aşağıda eliptik dalga kılavuzlarından bahsedilecektir. Dairesel dalga kılavuz hesapları için a = b alınmalıdır.

Sınır (kesim) dalga boylarının hesabı oldukça karmaşıktır. Fakat görsel ampirik yöntemle eliptik dalga kılavuzunun, kendi ölçülerindeki elektriksel eşdeğerli bir dikdörtgen tip dalga kılavuzunun iki katı büyüklüğünde olduğu saptanabilir. Bükülgen eliptik dalga kılavuzunun en önde gelen avantajı, bunların çok büyük metrajlarda makaralara veya kablo tamburlarına sarılarak nakledilebilmeleridir. Eliptik tip dalga kılavuzlarının bükülebilme yarıçapları yuvarlak tiplere göre daha azdır.

Resim 2: Eliptik dalga kılavuzunda elektrik alanı

Bir eliptik dalga kılavuzundaki değişik yayılım modları için sınır dalga boyları, değiştirilmiş (modifiye edilmiş) Mathieu fonksiyonunun (ilk türevi) ve bu fonksiyonun H-dalgaları için diferansiyel bölümlerinin parametrik kökleri ile tayin edilebilir. Bir eliptik dalga kılavuzunda kosinüs-eliptik HCm,n -hemde sinüs eliptik HSm,n - dalgalar meydana gelebilir. Hmn-dalgaları için not: „m” sayısı geniş kenarda, „n” sayısı ise dar kenarda kaç adet alan kuvveti maksimumu olduğunu belirtir Örneğin, bir H21-dalgasının maksimumlarının iki adedi geniş kenarda, bir adet dar kenardadır.

 

 

Bir dalga kılavuzu nedir?

Resim 1: Bir dikdörtgen dalga kılavuzunun boyutları, 18,0 … 26,5 GHz frekansları için boğaz elemanı ile birlikte dalga kılavuzunun çok küçük bir kesiti görülmektedir.

« Dalga Kılavuzu » içindekiler


1-Bir dalga kılavuzunun yapısı
2-Dalga kılavuzunda elektromanyetik
dalgaların yayılması
3-Çoklu yansımalarla yayılma
4-Dalga kılavuzunda dalga boyları
4-Zayıflamanın nedenleri
5-Dielektriksel dayanıklılık
6-Kullanıldığı yerler

 

 

 

Dalga Kılavuzu Temelleri

Dalga kılavuzu yüksek frekanslı elektromanyetik dalgaların iletilmesinde kullanılır. Bunlar sıkça çok değerli malzemeden (bakır, kısmen gümüş ya da altın kaplı pirinç gibi) üretilmiş metalik tüplerdir. Yeni teknolojide bu dalga kılavuzları artık metal kaplamalı karbon elyaflı seramik karmalardan kolaylıkla imal edilebilmektedir.

Bir dalga kılavuzu dikdörtgen, dairesel yada eliptik kesitli olabilir, ancak nispeten kısa bağlantılarda en çok kullanılanı dikdörtgen biçimde olandır. Dalga kılavuzlarının koaksiyel kablolara göre çok büyük üstünlükleri vardır, ancak pratikte 1 GHz üzerindeki frekanslarda kullanılmaktadır. Dalga kılavuzları ile mikrodalga bölgesinde tel biçimli iletkenlere göre elektrik gücü çok daha kayıpsız iletilir. Enerji iletilmesi için kullanılan elektrik ve manyetik alanlar metal yüzeylerde sıfırdır ve bu alanlar dalga kılavuzu duvarları arasında kalan hacimde hapsedilmiştir. Dalga kılavuzunun komple ekranlanmış yapıya sahip olması hem içerden dışarıya sızmayı önler (böylece ışıma sırasında bir kayıp olmaz), hem de iletilen çok zayıf sinyalleri dışardan gelen gürültülere karşı korur.

Koaksiyel kabloların sakıncaları:


Yaklaşık 1000 MHz üzerindeki frekans bölgesinde koaksiyel kablolar ile büyük yüklerin (örneğin gönderim darbelerinin) taşınması sırasında aşırı zayıflama ve atlamalar (flashover) görülür. Zayıflama kayıpları iletkenin hem özgün kapasitansı ve endüktansı, hem de kabuk etkisi nedeniyle meydana gelir ve bu kayıplar frekansın artışıyla birlikte oldukça fazlalaşır. 36 GHz in üzerinde aşırı kayıplar nedeniyle koaksiyel kablolar hiç kullanılmaz. Koaksiyel kabloların atlamaya karşı dayanıklılığı iç ve dış iletkenlerin birbirlerine çok yakın olması nedeniyle çok sınırlıdır. Zayıf sinyallerde ortaya çıkan bu tür sakıncalar hala kabul edilebilir sınırlar içinde kalır, ancak bunlar büyük güçlerde telafi edilemeyecek kayıplara yol açar.

Bir dalga kılavuzun yapısı

Bir normal çift-telli iletken hattın düzgün aralıklılarla konulmuş yalıtkan taşıyıcı elemanlarla desteklenmesi gerekir. Yüksek frekans uygulamalarında bu tutucu elemanlar yalıtkan olmamalıdır, bunlar bir ucu kısa devre edilmiş ve uyumlu λ /4 – iletkenlerde („koçan“ denilen) olabilir. Bunlar iyi bir uyum sağlanması ile kısa devreyi çift-telli iletkene çok yüksek bir empedansla dönüştürebilirler.

Karşılıklı konulmuş bu iki U – profil üzerine bu parçaların art arda dizilmesiyle λ /2 genişliğe sahip bir dikdörtgen kesitli dalga kılavuzu meydana gelir.

Bu λ /4 – iletken parçaları dalga kılavuzunun fonksiyonunu frekanstan bağımsız kılar. Sinyaller dalga kılavuzunda ilk defa bir belirli frekansta yayılır. Bu frekans dalga kılavuzun boyutlarına, özellikle „a“ kenarına bağlıdır. Yayılma durumu eğer taşınan dalga boyu sınır dalga boyu olarak adlandırılan λ Sınır değerinden daha küçük ise meydana gelir.

Dikdörtgen kesitli dalga kılavuzunun sınır dalga boyu aşağıdaki formülle hesaplanır:

λSınır = 2 · a λSınır = Sınır dalga boyu [m]
a = Dalga kılavuzunun daha uzun olan boyutu. [m]

Buradan açıkça görülüyor ki, daha büyük dalga boyları için dalga kılavuzlarının boyutlarının daha büyük olması gerekmektedir. Belirli bir dalga boyundan itibaren (örneğin 1 GHz in altında dalga boyu 30 cm den büyüktür) dalga kılavuzları çok büyüyecek ve kullanımı zorlaşacaktır.

Resim 3: Dalga kılavuzundaki elektrik alanı (kesit, anlık görüntü, H10- Modu)

Dalga kılavuzları için DIN 47302 normu yayınlanmıştır. Bu normda verilen özellikler ve tanımlar IEC 153 normuna uygundur. Bir dikdörtgen dalga kılavuzunda dar „b“ kenarı daha geniş olan „a“ kenarının yarısı kadardır. Resim.1 de ki dalga kılavuzu parçası olarak kullanılan pirinç döküm yarı mamul WR 42 (“Waveguide Rectangular, WR”) tipi dikdörtgen tüp görülmektedir. Buradaki 42 rakamı geniş „a“ kenarının inç cinsinden yüzdesidir.
  • Böylece „a“ kenarının eni tam olarak 0,42 inç, yani 0,42 · 25,4 mm = 10,67 mm dir.
  • „b“ kenarı ise bu değerin yarısıdır, yani 5,34 mm dir.
  • Bunun alt sınır frekansı 14,051 GHz dir. Sinyallerin kayıpsız olarak aktarılması bu alt sınır frekans değerinin en az % 30 u geçildikten sonra başlar.
  • Alt sınır frekansı 28,102 GHz olan bu dalga kılavuzunda bir üst sınır frekans değerini hatalı modun yayılma koşulu belirler. Temel mod için üst sınır frekansı bu değerin % 5 inden azdır.
  • Bu dalga kılavuzu tipi için karşılık gelen frekans bandı 18,0 GHz ila 26,5 GHz arsındadır. [2]
Dalga kılavuzunda elektromanyetik dalgaların yayılması

Dalga kılavuzuna enerji beslendiğinde daha geniş kenar „a“ nın ortasında elektrik alanı (E- alan) oluşur. Elektrik alanının en kuvvetli olduğu yer dalga kılavuzunun ortasıdır ve „b“ kenarına doğru kuvveti giderek azalır. Kesitte bu azalma sinüs biçiminde gerçekleşir. Elektrik alanı keza bir manyetik alan yaratır. Ancak manyetik alan bir metal iletken üzerinde dikey duramaz. Yayılma yönü sadece dalga kılavuzunun yönlendirdiği yöndür.

Elektrik alanı frekansla zaman içinde değişir ve dalga kılavuzu boyunca alanın maksimum ve minimum değerlerinin arasındaki açıklık dalga boyunun yarısı kadardır. Bir dalga kılavuzuna beslenen yüksek frekanslı enerji keza iç hacimde elektrik ve manyetik alanları birbirine dik enine dalga (Transverse Wave, TEM) yaratır. Elektrik alan (E- alan) her iki daha geniş kenarlar arasında, manyetik alan (H-alan) ise her iki dar kenar arasında meydana gelir. Dalgalar, zaman ekseninde bakıldığında, mevcut durumlarını sürdürmezler, aksine giriş sinyaline uygun olarak genliklerini ve polaritelerini değiştirirler. Dalga kılavuzunda bu elektromanyetik dalgalar ışık hızına yakın bir hızda yayılırlar.

Resim 5: Bir dikdörtgen dalga kılavuzunda TE10– modunda yürüyen dalgaların 3- boyutlu görünümü

Elektromanyetik dalgalarda elektrik ve manyetik alanlar her durumda birbirlerine dik dururlar. Eğer elektrik alan yayılma yönünde ise buna E-dalga ya da TM-dalga (Transverse Magnetic) denir. Eğer manyetik alan yayılma yönünde ise buna H-dalga ya da TE-dalga (Transverse Electric) denir.

Çoklu yansımalarla yayılma

Dalga kılavuzundaki dalgaların yayılması kısmen geometrik optik yardımıyla açıklanabilmektedir. Bir dalga kılavuzundaki dalgaların özellikleri bir yüzey dalgasından türetilebilir. Resim.6 da λ0 dalga boyuna sahip bir yüzey dalgasının eğik bir açıyla geldiği (bu örnekte açı φ = 67°) bir metal duvarda yansıması görülmektedir. Elektrik alanı E burada gösterilen düzlemine diktir ve dolaysıyla farklı renkte işaretlenebilir. Dalga tepesi (+Emax) kırmızı ve dalga çukuru (−Emax) mavi renklidir. Yeşil sıfır hattını temsil eder.

Geliş açısı yansıma açısına eşittir. Duvardaki yansıma sırasında dalganın faz açısı 180° kayar. Her iki dalganın üst üste bindirmesi (superposition) resimde görüldüğü gibi metal duvardan belirli bir mesafede koyu kırmızı ya da mavi olarak boyanmış yerel minimum ve maksimumlar oluştururlar.

a = 0,5 λ0 (2)

cos φ

Formülünde verilen mesafede E elektrik alanı tamamen yok olur. Gelen dalganın (kırmızı renkli) pozitif dalga cephesi, yansıyan dalganın (mavi renkli) negatif dalga cephesiyle karşılaşır. (Burada grafikte renklerin birbiriyle karışması sonucu mor renklidir. Doğru olan bu bölgelerin yeşil renkte gösterilmesidir.) Gelen dalgalar zaman içinde resmi sürekli sağa doğru kaydırır.

Bu hat boyunca „a” kadar uzaklıkta bu yeni duvara kadarki durumda değişikliğe yol açmaksızın ikinci bir metal duvar konulabilir. Bu ikinci duvarda yansıma olayı tekrarlanır ve gelen dalganın sürekli ışımasının yerini alır. Bu iki duvar arasında (daha önce olduğu gibi sadece bir duvarda) dalganın pozitif ve negatif maksimum değerleri oluşur. Bunlar „paketler” halinde faz hızı ya da grup hızı denilen bir hızla sağa doğru hareket ederler. Resim.5 te bu paketler 3-boyutlu olarak gösterilmektedir. Bu iki duvar (grafiğin alt bölgesinde yatay hattın üzerinde bir seviyede kavramsal olarak gösterilen duvar) dalga kılavuzun „b” duvarlarına karşılık gelmektedir.

Keza bu grafikten açıkça görülmektedir ki, dalga kılavuzunda bir en uygun yayılma sadece gelen dalganın bir en uygun açıyla gelmesiyle mümkün olabilmektedir. Keza aktarılan dalganın bu φ geliş açısı ve λ0 dalga boyu dalga kılavuzunun „a” kenarının en uygun genişliğine bağlıdır.

Dalga kılavuzunda dalga boyları

Duvarlarda yansıyan enerji bölümlerinin çoklu girişimi sonucu dalga kılavuzunda gerilim minimumları ve gerilim maksimumları oluşur. Sağa doğru göç eden „paketler” boşluk dalga boyu λ0 dan farklı bir aralıkta maksimumlarını tekrarlar. Bu aralık:

λh = λ0 (3)

sin φ

Dalga kılavuzundaki bir salınımın dalga boyu λh aynı salınımın boşluktaki dalga boyu λ0 dan bu nedenle farklıdır. Ancak bu açının ölçülmesi zordur. Dalga boyunun en uygun geliş açısına olan oranından faydalanılarak bu bağımlılıklar arasında bir bağlantı kurulabilir. Dalga kılavuzdaki dalga boyu şimdi „a” duvar boyutunun boşluktaki dalga boyuna olan oranına bağlıdır.

(4)

Sonuçta ışık hızından sin φ faktörü kadar daha büyük bir faz hızıyla yayılan bir sabit salınım oluşur. Bu nedenle dalga kılavuzundaki dalga boyu sıkça boşluktaki dalga boyundan çok daha büyüktür. Buna karşılık enerji aktarılması (ve böylece salınımın yerel değişmesi, örneğin modülasyon) ışık hızından daha küçük bir hızla olur.

Resim 7: Bir H10–dalgasının duvar akımlarının resmi (anlık görüntü). Yürüyen dalgada resim yayın yönünde ışık hızına yakın bir hızda yayılır.

Zayıflamanın nedenleri

Dikdörtgen kesitli dalga kılavuzunun iletkenliğini belirleyen faktör dalga kılavuzu „a” kenar boyutunun taşınan frekansa olan oranıdır. Daha yüksek frekanslar için dalga kılavuzun boyutlarının küçülmesi, daha küçük frekanslar için ise büyümesi gerekir.

Dalga kılavuzlarında zayıflama frekansa kuvvetle bağlıdır. Sınır frekansında çalıştırılan bir dalga kılavuzunda zayıflama nispeten kuvvetli olur. Frekans yükseltildiğinde ilk defa minimuma iner, bir süre hemen hemen sabit kalır, ardından tekrar artmaya başlar.

Dalga zayıflaması duvar akım kayıpları sonucu meydana gelir. Resim.7 de bir H10–dalgasının duvar akımlarının dağılımı görülmektedir. Duvar akım yoğunluğu duvar yüzeyindeki manyetik alan kuvvetinin teğetsel bileşenlerinden oluşur. Duvar akımları duvar yüzeyine paralel akar, ancak manyetik alan kuvvet bileşenlerine diktir. Duvar akımları orta kısımda taban- ve yan duvarlarda yayılma yönünde akarlar. İlaveten kenarlara doğru akan çapraz akımlar (cross currents) vardır. Duvar akım yoğunluğunun yüzeydeki tümlevinin alınması ile dalga kılavuzunun zayıflama katsayısı hesaplanabilir.

Duvar akımları sadece dalga kılavuzunun iç hacminde akarlar. Dalga kılavuzları genellikle yüzeyi parlatılmış pirinçten imal edilir. Duvar içleri gümüşle (yaklaşık 40 GHz den sonra) hatta altınla kaplanabilir. İç duvarlardaki kirlenme ilave kayıplara yol açabilir.

Resim 8: Dalga kılavuzunu çapı yaklaşık aynı ise dielektrik dayanıklılığı önemli ölçüde iyileşir.

Dielektrik dayanıklılık

Bir dalga kılavuzunun dielektrik dayanıklılığı dalga kılavuz duvarlarının açıklığına bağlıdır, yani küçük kesitli dalga kılavuzunun (yüksek frekanslar için) dielektrik katsayısı daha büyük kesitli dalga kılavuzununkine göre daha küçüktür. Dikdörtgen kesitli dalga kılavuzundaki en küçük açıklık, yani „b” kenarı belirleyicidir. Dielektrik katsayısı keza iç hacimdeki havanın nemine de bağlıdır. Daha yüksek güçlerin taşınmasındaki dielektrik katsayısını iyileştirmek için dalga kılavuzunun içine kuru hava basılarak buradaki nemli havanın dışarı atılması sağlanır. Eğer dalga kılavuzunda bir delik varsa kuru hava sürekli basıldığı için nemli hava girişi de önlenmiş olur. Bu basınçlı kuru hava yöntemi pahalıdır.

Kullanıldığı yerler

Dalga kılavuzları

  • Mikrodalga bölgesinde yüksek güç gönderim tesislerinde;
  • Radar tesislerinde;
  • Mikrodalga fırınlarında magnetron ile pişirme bölmesi arasında;
  • Çanak antenlerdeki LNB lerde (kısa parça) kullanılır.

 

Referenzen:

  1. Pressemitteilung des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik
  2. Raw Waveguide Information (technische Daten kommerzieller Hohlleiter)

 

Yazar: Christian Wolff, Türkçe Çeviri ve Düzenleme: Zafer Yener



Elektromanyetik Dalga Kılavuzları

Tanım

Yönlendirmek bir elektromanyetik dalga kılavuzu yapısına tasarlanmış dalga kılavuzu (DALGAKILAVUZU). Ortak dalga kılavuzu yapısı paralel iki iletken, koaksiyel, paralel plaka dalga, dikdörtgen dalga, dairesel dalga kılavuzu, mikroşerit hat, düz dielektrik dalga kılavuzu ve fiber optik vardır. İç bölge ve dış bölgeye ayrılabilir elektromanyetik dalga kılavuzu veya perspektifinden, elektromanyetik dalganın yayılma iç bölümü (enine rezonans prensibi karşılamak için gerekli olan dalga kılavuzu kesit) ile sınırlıdır. [1]

Tipik olarak, dalga kılavuzu, özellikle içi boş metal dalga kılavuzu ve yüzey dalga kılavuzu çeşitli şekillerde ifade eder, eski iletilir elektromanyetik dalga tamamen aynı zamanda kapalı bir dalga kılavuzu olarak da bilinen metal boru, hapsedildiğinden, hangi olarak da bilinen, dalga yapısı kısıtlamaları çevresinde elektromanyetik dalga yönlendirecektir dalga kılavuzları açın. Ne zaman 3000 MHz için 300 GHz santimetre dalga bandı ve milimetrik dalga bandında radyo dalga frekansı, koaksiyel ve dalga kılavuzu veya diğer metal dalga cihazların sınırlı kullanımı. Dalga kılavuzu iletken kaybı ve dielektrik kaybı avantajı küçük, güç kapasitesi, radyasyon kaybı; yapısı basit, üretimi kolay. Sıradan iletim hattı çözme dalga sınır şartları ile birlikte Maxwell denklemleri ile dalga kılavuzu elektromanyetik alan farklı dalga tüpü TEM modu, dağılım ciddi bir fenomen varlığında elektromanyetik dalga yayılımı transfer edilemez, dağılım fenomen gösterir elektromanyetik dalga yayılımı hız ve frekans. SAW dalga sınırın dışında mevcut olan elektromanyetik alan ile karakterize edilmektedir. Yüzeyi dalga yayılımı modu. Milimetre ve milimetre altı bantları, çünkü metal dalga boyutu bırakarak çok küçük kayıplar artış ve üretim zorluklardır. Sonra iyi ulaşım özelliklerine ek olarak, basit yapısı en önemli avantajı, üretmek kolay, bir düzlemsel yapıya entegre edilebilir, SAW dalga kılavuzu kullanın. Medya hat, orta hat aynalar, H-dalga kılavuzu ve içbükey ayna dalga kılavuzu: Ana form dalga kılavuzu SAW.

Temel Özellikler

Sınırlamaları ve yansımaları ile dalga kılavuzunun dalga kılavuzu duvarında elektromanyetik dalga yayılımı. Yüksek iletkenlik dalga kılavuzu duvar (gümüş ya da altın duvar ile kaplı bazen genellikle bakır, alüminyum ve diğer metal ve), genellikle dalga duvarları mükemmel iletken, dalga kılavuzu sınır ile Maxwell denklemleri ile dalga kılavuzu içindeki elektromanyetik alan dağılımı olan kabul edilebilir çözmek için koşullar. Ciddi bir yönelim var dalga TEM dalga dalga dispersiyonu elektromanyetik dalga yayılımı iletmez. Dalga kılavuzu yapı ya da buna karşılık gelen bir dalga kesici dalga boyu ve farklı bir faz hızı, her biri bir dalga tipi (mod) olarak adlandırılan her bir elektromanyetik alan dağıtım elektromanyetik alan dağılımının bir sonsuz çeşitli olabilir. Içi boş dalga kılavuzu tek tip kesiti homojen elektromanyetik dalga dalga (TM modu) ve iki kategoriye (TE modu) manyetik ayrılabilir dalga kılavuzu, homojen dalga kılavuzları denir.

Karakteristik parametreleri

Bakış uygulama açısından, dalga kılavuzu karakteristik parametrelerini açıklayan aşağıdaki dört nokta vardır

Dağılım özellikleri

Boyuna dalga dispersiyonu özellikleri yayılma sabiti göstermektedir

Karakteristik empedans

Yayılma sabiti ve karakteristik empedansı Z

TE:

TM:

Büyüklüğü karakteristik empedansı Z dalga kılavuzu enine elektrik ve enine manyetik alana oranı yansıtmaktadır. Ne zaman farklı dalga kılavuzu arayüzü, daha yakın, daha küçük yansıması bağlantılarının karakteristik empedansı. Elektromanyetik enerji bir parametre arasında yansıma dalga bileşkenin karakteristik empedansı bir ölçüsüdür.

Kayıp

Dalga kılavuzu kaybı en önemli faktörlerden elektromanyetik dalgaların uzun mesafe iletim sınırlamaktır.

Alan dağılımı

Farklı modların farklı bir alan yapısına sahip, dalga kılavuzu alan dağılımı kesiti dalga olası bir modu olarak da adlandırılır sınır koşulları karşılayan, hepsi sınır durumu kesitini bağımsız olarak mevcut olabilir, dalga kılavuzu uygundur. Dalga kılavuzu alan yapısı iki kategoriye ayrılabilir:

TE modu: elektrik alan hiçbir boyuna bileşeni

TM modu: manyetik alanın herhangi bir boylamasına bileşenidir [1]

Örnek alan dağılımı

Dikdörtgen

Dikdörtgen dalga modu sonsuz sayıda TMmn, dalga şekli indeksi, m, n, dalga kılavuzu geniş tarafı boyunca elektromanyetik alan olduğunu belirtmek var olabilir ve duran dar azami sayısını, m, n = 1,2, ..., b basit TM11 modu. Benzer şekilde, orada TEmn modu, m, n = 0,1,2, sınırsız sayıda olabilir ... ama sıfır hem de olabilir. En az dikdörtgen dalga modu TE10 modu, kesme dalgaboyu maksimum λC = 2a, bu nedenle, dalga kılavuzlarında tek modlu yayılımı elde etmek mümkündür. Dikdörtgen aynı zamanda ana dalga olarak bilinen TE10 modu, dalga, dalga bir dikdörtgen dalga çok önemlidir. Dikdörtgen dalga kılavuzunun pratik uygulama TE10 modunda çalışıyoruz.

Yuvarlak

Dairesel dalga kılavuzu sonsuz sayıda TMmn ve TEmn modu, m, n mevcut değişikliklerin çevresel ve radyal alan numarasını ifade edebilirsiniz. Sadece dairesel dalga kılavuzu TM0n, TMmn (m, n = 1,2, ...), ve TE0n TEmn (m, n = 1,2, ...) modu vardır. Dairesel dalga kılavuzu kesim dalga boyu en uzun ana dalga TE11 modu, kesim dalga boyu λc = 3. 14a (bir dalga kılavuzu yarıçapı) 'dir. Ortak mod da TM01 ve TE01 modu. [2]

İÇERİK

Dalga Kılavuzları nedir ? Kullanım gerekleri nelerdir ? Dalga biçimleri -Modlar İlgili denklemler Sistemini oluşturacak ekleri... Kullanım yerleri nelerdir ?




DALGA KILAVUZLARI  Yüksek Frekanstaki bilgi sinyalinin taşınması için kullanılan, çeşitli şekileri olan dalga iletim yoludur.


ÖZELLİKLERİ

Dalga Kılavuzları elektromanyetik dalga spektrumunun 1GHz ile 100GHz arasındaki bölgede Kullanılır. Bu bölgedeki dalgalara MİKRODALGA denir. Dalgayı Mikro terimi ile adlandırılmasının sebebi, Elektromanyetik dalganın dalga boyunun fiziksel olarak kısalığıdır. Kısa dalga boyu enerjisi, çoğu uygulamalarda belirgin avantajlar sunar. Mesela, mükemmel yönelme (excellent directivity) yeteneği, göreceli olarak küçük antenler ve düşük kuvvetli vericiler kullanma ile elde edilebilir. Mikrodalga uygulamalarının büyük bölümünde dalga kılavuzuna ihtiyaç duyulur.

Dalga Kılavuzuna Yaklaşım Dalga Kılavuzu incelendiğinde görülecektir ki sinyal metal boru içerisinde taşınır. Bu daha önce alçak frekanslarda uğraşan biri için doğru değilmiş gibi görünebilir. Alçak frekanslarda çalışmaya alışmış bir kimsenin dalga kılavuzlarının iletim hattı olarak kullanılmayacağı düşüncesi uyanabilir. Çünkü elektromanyetik dalganın, iki yandan kısa devre edilmiş iki telli bir iletim hattı sayılabilecek olan borudan iletilmesi mümkün değilmiş gibi görünebilir. Bu düşünce alçak frekanslar için geçerlidir ama dalga kılavuzları alçak frekanslarda kullanılmaz. Çünkü dalga kılavuzunun boyutları alçak frekanslarda dalga boyuna göre çok küçük kalmaktadır. Dalga kılavuzunun iletim hattı olarak kullanılabilmesi için boyutları en az ileteceği dalganın dalga boyunun yarısına eşit veya daha büyük olması gerekmektedir.


Dalga Kılavuzuna Yaklaşım Bu gereksinime, alçak frekanslar ile yüksek frekanslar arasındaki ayrımı belirlenmesi açısından çok önemlidir. Dalga kılavuzundaki iletim, çeyrek dalga boylu iletken tutucularla şekil 1.5 de görüldüğü gibidir.Bunun için genişliği w olan iki şerit iletken alınır ve iki telli bir iletim hattı gibi kullanılarak Z L yüke beslenir Daha sonra bu iletkenler dört yerinden şekilde görüldüğü gibi çeyrek dalga boylu tutucular yardımıyla kısa devre edilir.


İletken bu şekilde kısa

Dalga Kılavuzuna Yaklaşım devre edilmiş olmaları dalganın hat boyunca ilerlemesine hiçbir etki yapmaz. Diğer bir deyimle /4 boylu elemanlar ilerleyen dalgaya açık devre imiş gibi görünürler. Kısa devre bağlantılarını iki misline çıkarmak, sonucu değiştirmez ve bu bağlantılar yine açık devre imiş gibi davranırlar. En nihayet bağlantı sayısını sonsuza çıkarırız ve aynı sonucu elde ederiz. Bağlantılar sonsuz sayıda demek; bütün bağlantılar arasında açıklık yok demektir ki, buda dalga kılavuzunun şeklini verir. Burada dikkat edilecek husus şeridin genişliğidir. Bu genişlik, şeridin ortasından kenarlarına kadar en az çeyrek dalga boyuna eşit olmalı, yani tam genişlik yarım dalga boyu olmalıdır. Buradan da frekans büyüdükçe dalga boyunun kısalacağından “w” genişliğini azaltmak, frekans küçülünce “w” genişliğini arttırmak gerekeceği sonucuna varır.

Dalga Kılavuzuna Yaklaşım Bu kısa devre çubukları yaklaşımından Dalga kılavuzu formu elde edilir. Hat Dalga kılavuzunun duvarları olur. Enerji kılavuz içerisindeki yalıtkandan iletilir.


Boyutlandırma ve BUS-BAR Kılavuzun geniş kenar “a” işlem görebilecek frekans aralığını belirler. Dar kenar “b” ise idare kapasitesini belirler. |mn|=|np|= /4 dir ve işlem frekansı tarafından belirlenir. |pq| ise BUS-BAR olarak adlandırılır. Boyutlar ve BUS-BAR frekansla değişir.


BOYUTLANDIRMA Normal boyut Frekans artarsa çeyrek dalga bölümü artar. Bunun sebebi BUS-BAR ‘ın artışıdır. Artım devam ederse teoride çeyrek dalga bölümü sıfıra yaklaşır. Ancak pratikte üst frekans sınırı vardır. Frekans azalınca BUS-BAR sıfıra yaklaşır. Ancak burada da CUT-OFF frekansı dediğimiz bir sınır vardır.


Dalga kılavuzunun Avantajları Bakır (I 2 *R) kayıplarını azaltır. Deri olayının çözümü için yüksek frekansta alternatifi yoktur. Enerji-taşıma kabiliyeti koaksiyel hatlara göre daha fazladır. Koaksiyel hatlara göre radyasyonla zayıflama, dış yüzeyi metal olduğu için dalga kılavuzlarında yoktur. Güç-kontrol kabiliyeti koaksiyel hatlara göre daha fazladır.


Dalga kılavuzunun dezavantajları Boyutları frekans belirlediği için ekonomik durumuna göre sınırlı olduğu alt frekanslar vardır. Mekanik özellikleri sebebiyle kurulması zordur. Birleşme yerlerine özel elemanlar gerektirir. Bakır ve deri olayı kayıplarını azaltmak için yüzey gümüş yada altınla kaplanır. Yine buda ekonomik bir sınır getirir.


Dalga Biçimleri – Modları Mikro dalgaların kılavuz içerisindeki yayınımını elektrik ve manyetik alanlar dikkate alınarak anlamak daha kolaydır.


Elektromanyetik dalgalar two-wire iletim hattında bir generator tarafından oluşturulmuş gerilimin anlık dalga durumu görülür. Hat sinyalin bir dalga boyu sonra kısa devre edilmiştir. Buradaki oklar elektrik alanı vermektedir. E alan sinüsü takip ederek ilerler.


Elektromanyetik dalgalar Şekil A da Elektrik alan oklarla temsil edilmiştir. Şekil B de ise okların uçları noktalarla gösterilmiştir. (B) de görüldüğü gibi E alan ortadan azalarak dalga kılavuzunun duvarlarına doğru gider. (C) de ise elektromanyetik dalganın 3D görüntüsü vardır.

Manyetik (H) Alanı H ALANI : Manyetik alan kuvvet çizgililerinin oluşturduğu manyetik alan, dalga kılavuzunun metal yüzeylerinden akan akım tarafından oluşturulur. Manyetik kuvvet çizgileri H çizgileri olarak adlandırılır. H alanın şiddeti,H çizgilerinin sayısı belirler ve akım değeri ile doğrudan değişir. H çizgileri hattı çevrelemiştir.


Manyetik (H) Alanlar Hat bobin şeklinde olduğu zaman H çizgilerin davranışı da değişir. H alan çizgileri bobini sararlar. Sık bobin sarmalları arasında H çizgilerinin çakışması sonucu birbirlerinin etkisini yok eder. Bobin içinde ve dışında manyetik alan çizgileri aynıdır ve bobin etrafında oluşan manyetik alan (H ) çizgileri tarafında düzenlenir.


Manyetik (H) Alanlar Bu two-wire hat için düşünülürse; Daha önceki gibi aradaki kısa devre telleri sonsuz sayıda olursa dalga kılavuzu formunu elde ederiz.


Kılavuzda H Alanının oluşması H çizgilerinin yayınımı şekilde verildiği gibidir. Dalga kılavuzunun ½ sine ulaşıldığı zaman, bu H çizgileri yarım dalga kesitinde döngüsünü tamamlar ve yön değiştirirler. Tekrar belirtmek gerekirse H çizgileri dalga kılavuzunun dışına taşmaz.


Kılavuzda H Alanının oluşması Şekil A da alan dalga kılavuzunun kenarlarında daha kuvvetlidir. Buralarda akım yüksektir. Minimum alan kuvveti ise akımın sıfır geçişlerinde olur. Şekil B de alanın ¼ dalga boyu sonra dalga kılavuzunun son görünüşüdür.


Dalga Kılavuzunda E ve H alanları ile enerji iletimi


Dikdörtgen Dalga Kılavuzunda Modlar


Dairesel Dalga Kılavuzunda Modlar


Kesim Dalga Boyları ve Kesim Frekansı Dalga Biçimi (modu) c TE 1,0 2a TM 1,1 veya TM 1, 1 TE 2,0 a TE 0,1 2b TE m,n veya TM m,n Tablo 1 dikdörtgen kesitli dalga kılavuzlarında kesim dalga boyları Dalga biçimi (modu) c TE 1,1 1,706d TM 0,1 1,306d TE 2,1 1,028d TE 0,1 0820d TM 1,1 0820d

Tablo 2 dairesel kesitli dalga kılavuzlarında kesim dalga boyları

Kılavuz içerisindeki dalga boyunun hesaplanması Aşağıdaki eşitlikte herhangi bir dalga nın kılavuz dalga boyu ile kesim frekansı arasındaki bağıntısı verilir. Burada g kılavuz dalga boyu 0 boşluk dalga boyu, c kesim dalga boyunu verir. Denklem tam olarak çözülürse;


Dalga kılavuzunun faz ve grup hızı Yayınım hızı dalga boyu ile frekansın çarpımı olduğundan bir dalga kılavuzunda yayınım hızı şöyle yazılacaktır. Faz hızı ışık hızından V p = Aynı şekil de grup hızı; İki eşitliğin iki tarafını birbiriyle çarparsak; V p =λ g *f Vg=Vg= V p.V g =c 2


Dikdörtgen dalga kılavuzunda TM mod çözümü Dalga denklemi yazılırsa; Buradan k c ; Diferansiyel denklem çözümü yapılırsa Burada;


Dikdörtgen dalga kılavuzunda TM mod çözümü Sonuçbulunur.

Dikdörtgen dalga TM modu

Dalga Kılavuzu Boyutlarının seçimi –Egemen olacak modun tüm kılavuz boyunca sağlanmasını sağlanacak şekilde seçilir. Empedans Z=E/I Z=P/I 2 Z=E 2 /P TE modu için; TM modu için


Yalıtkan Dolgu Maddesi Örneğin bir dalga kılavuzu 2,25 cm geniş kenara sahip ve iç kısmı di elektrik sabiti ε=2,56 olan Polystyrene ile doldurulmuş olsun. Bu kılavuzun Tablo 4,1 den TE 10 dalga biçimindeki kesim dalga boyu λ c =4,5 cm dir. Boş dalga kılavuzundan 6700 MHz(λ 0 =4,45 cm) geçebilir ve 6600 MHz (λ 0 =4,55 cm) geçemez. Fakat kılavuza yalıtkan doldurulması halinde ise 4200 MHz lik dalga bile λ=7,12 cm olmasına rağmen yol olabilir. Zira yukarıda belirtilen yöntemi uygularsak:


Süreksizlik İnce tel eleman süreksizlik hali Endüktif etkili yarım perdeler Kapasitif Etkili Yarım Perdeler


Dalga biçimi filitreleri Güç kapasitesi Zayıflama TE 0,1 TM 0,1 TE 0,1


Malzemeler Girintili dalga kılavuzları Mikrodalga ekleme elemanları ve kuplajları –Dalga kılavuzlarında ekleme elemanları –Şönt T tipi eleman


Seri T Tipi Ekleme Elemanı Kanca tipi ekleme elemanı Sihirli T

 

Waveguides

A waveguide is a special form of transmission line consisting of a hollow, metal tube. The tube wall provides distributed inductance, while the empty space between the tube walls provide distributed capacitance: Figure below

Wave guides conduct microwave energy at lower loss than coaxial cables.

Waveguides are practical only for signals of extremely high frequency, where the wavelength approaches the cross-sectional dimensions of the waveguide. Below such frequencies, waveguides are useless as electrical transmission lines.

When functioning as transmission lines, though, waveguides are considerably simpler than two-conductor cables -- especially coaxial cables -- in their manufacture and maintenance. With only a single conductor (the waveguide's “shell”), there are no concerns with proper conductor-to-conductor spacing, or of the consistency of the dielectric material, since the only dielectric in a waveguide is air. Moisture is not as severe a problem in waveguides as it is within coaxial cables, either, and so waveguides are often spared the necessity of gas “filling.”

Waveguides may be thought of as conduits for electromagnetic energy, the waveguide itself acting as nothing more than a “director” of the energy rather than as a signal conductor in the normal sense of the word. In a sense, all transmission lines function as conduits of electromagnetic energy when transporting pulses or high-frequency waves, directing the waves as the banks of a river direct a tidal wave. However, because waveguides are single-conductor elements, the propagation of electrical energy down a waveguide is of a very different nature than the propagation of electrical energy down a two-conductor transmission line.

All electromagnetic waves consist of electric and magnetic fields propagating in the same direction of travel, but perpendicular to each other. Along the length of a normal transmission line, both electric and magnetic fields are perpendicular (transverse) to the direction of wave travel. This is known as the principal mode, or TEM (Transverse Electric and Magnetic) mode. This mode of wave propagation can exist only where there are two conductors, and it is the dominant mode of wave propagation where the cross-sectional dimensions of the transmission line are small compared to the wavelength of the signal. (Figure below)

Twin lead transmission line propagation: TEM mode.

At microwave signal frequencies (between 100 MHz and 300 GHz), two-conductor transmission lines of any substantial length operating in standard TEM mode become impractical. Lines small enough in cross-sectional dimension to maintain TEM mode signal propagation for microwave signals tend to have low voltage ratings, and suffer from large, parasitic power losses due to conductor “skin” and dielectric effects. Fortunately, though, at these short wavelengths there exist other modes of propagation that are not as “lossy,” if a conductive tube is used rather than two parallel conductors. It is at these high frequencies that waveguides become practical.

When an electromagnetic wave propagates down a hollow tube, only one of the fields -- either electric or magnetic -- will actually be transverse to the wave's direction of travel. The other field will “loop” longitudinally to the direction of travel, but still be perpendicular to the other field. Whichever field remains transverse to the direction of travel determines whether the wave propagates in TE mode (Transverse Electric) or TM (Transverse Magnetic) mode. (Figure below)

Waveguide (TE) transverse electric and (TM) transverse magnetic modes.

Many variations of each mode exist for a given waveguide, and a full discussion of this is subject well beyond the scope of this book.

Signals are typically introduced to and extracted from waveguides by means of small antenna-like coupling devices inserted into the waveguide. Sometimes these coupling elements take the form of a dipole, which is nothing more than two open-ended stub wires of appropriate length. Other times, the coupler is a single stub (a half-dipole, similar in principle to a “whip” antenna, 1/4λ in physical length), or a short loop of wire terminated on the inside surface of the waveguide: (Figure below)

Stub and loop coupling to waveguide.

In some cases, such as a class of vacuum tube devices called inductive output tubes (the so-called klystron tube falls into this category), a “cavity” formed of conductive material may intercept electromagnetic energy from a modulated beam of electrons, having no contact with the beam itself: (Figure below)

   

Klystron inductive output tube.

Just as transmission lines are able to function as resonant elements in a circuit, especially when terminated by a short-circuit or an open-circuit, a dead-ended waveguide may also resonate at particular frequencies. When used as such, the device is called a cavity resonator. Inductive output tubes use toroid-shaped cavity resonators to maximize the power transfer efficiency between the electron beam and the output cable.

A cavity's resonant frequency may be altered by changing its physical dimensions. To this end, cavities with movable plates, screws, and other mechanical elements for tuning are manufactured to provide coarse resonant frequency adjustment.

If a resonant cavity is made open on one end, it functions as a unidirectional antenna. The following photograph shows a home-made waveguide formed from a tin can, used as an antenna for a 2.4 GHz signal in an “802.11b” computer communication network. The coupling element is a quarter-wave stub: nothing more than a piece of solid copper wire about 1-1/4 inches in length extending from the center of a coaxial cable connector penetrating the side of the can: (Figure below)

Radyo-Frekans İletim Hatları

Elektromanyetik dalganın antenle alıcı-verıcı arasındaki iletimi için aşağıdaki metodlar kullanılmaktadır:

A- Paralel telli iletim hatları
B- Koaksiyel hatlar
C- Dalga kılavuzları

Ayrıca, bu konu ile ilgili olarak:

Radyo Frekans Kablolarında Kayıplar
Koaksiyel Kablolarda Kullanılan Materyaller
MIL-C-17 Standardı Kablolar Tam Liste
Koaksiyel Kablolara Uygulanabilecek RF Gücü

A- Paralel telli iletim hatları:

Bu tür iletim hattı dengeli hat olarak isimlendirilir. İki telli çıplak hatlardaki iletimde, iletkenler arasında belirli bir açıklık bulunması kaydiyla,10 Mhz e kadar çıkılabilir. Bunun üzerindeki frekanslarda zayıflama büyük olur. İletkenleri yalıtılmış ve aralarında belirli ve sabit bir açıklık bulunması durumunda ise 200-300 Mhz e kadar çıkılabilir. Zayıflamanın nedenleri olarak iletken kesitlerinin , (frekans yükseldikçe akımın yüzeye sıkışması nedeniyle ) yetersiz kalması ve frekans yükselmesi ile iletkenler etrafinda oluşan elektromanyetik radyasyon kaybının artmasıdır.

Bu kablonun empedans hesabı:

A -iletkenler arası mesafe cm

D-iletken çapları cm

e -dielektrik katsayısı hava için 1

A/D > 2.5 ise

                       

Z = {276 / Ö e } * lg { ( 2*A) / D} , W olarak,

Genel olarak 240 veya 300 ohm luk empedanslar söz konusudur.

 

B- Koaksiyel hatlar:

 

Koaksiyel hatlar, iç içe iki hattan oluşmaktadır. Bu iletkenler arasındaki açıklığı sabit tutabilmek için ,ya belirli aralıklarla (heliax), yada sürekli olarak yalıtkan maddeler kullanılır. Kullanılacak yalıtkan malzemeler dielektrik kaybı düşük malzemelerden seçilir. Bu malzemeler, çoğunlukla polietilen, köpüklü polietilen veya teflon gibi yalıtkanlardır.

İç iletken mono bakır olabileceği gibi çoklu bakır,gümüş,bakır kaplı çelik veya boru şeklinde iletken olabilir. Dış iletken ise örgü şeklinde,bant şeklinde veya spiral boru şeklinde olabilir. Koaksiyel kablolar ile 3000 MHz e kadar sinyaller taşınabilir. Frekans daha yükselince kayıplar çoğalır.

Koaksiyel kablonun empedansı:

D- iç yalıtkan çapı cm

d- iç iletken çapı cm

e - dielektrik sabiti hava için 1,polietilen için 2.3

 

Genellikle 50 ve 75 ohm empedansında imal edilirler. Farklı kullanım yerlerinde standardı sağlayabilmek için, MIL-C-17 adı verilen bir Amerikan standardı oluşturulmuştur.

 

C- Dalga kılavuzları:

   

Adından da anlaşılacağı şekilde, 3000 Mhz in üstündeki frekanslarda, elektromanyetik dalgalar, boru veya dikdörtgen şeklindeki, uygun ölçülerde şekillendirilmiş metal gövdelerin içinden taşınır. Dış iletken görevini metal gövde, iç iletken görevini ise iç boşluk yapar. Ölçüler çalışılacak dalga boyuna göre tasarlandığı için 3000 Mhz in altındaki frekanslarda çok büyük olurlar ve kayıplar artar.

 

Radyo-frekans kablolarında kayıplar:

 

Rf Kablolarında 3 çeşit kayıp vardır:

A-İletken Kayıpları

B-Dielektrik kayıpları

C-Radyasyon kayıpları

A- İletken Kayıpları:

Bakır kayıpları birimi watt dır ve akan akımın karesi ile, iletken direncinin çarpımı ile bulunur. Doğru akım devrelerinde iletken direncini ommetre ile ölçebiliriz. Ancak rf devrelerinde, iletken direnci frekans ile orantılı olarak artar. Bunun sebebi frekans arttıkça akımın, iletkenin yüzeyinden akmak istemesidir. Dolayisiyla akım ince bir alana sıkışır ve direnç artar. Yüksek frekanslarda boru iletken kullanımının nedeni budur. Çünkü orta kısımdan akım geçmediğine göre neden malzeme harcansın? Gene çelik üzerine bakır veya gümüş kaplanarak iç iletken olarak kullanılmaktadır. Bu iletkenler kablonun, kopma mukavemetini de arttırır ve bakır maliyetini azaltır.

 

B- Dielektrik kayıpları:

Koaksiyel kablolarda veya dengeli hatlarda iki iletken, aralarındakı yalıtkana temas eder. Bu malzeme her ne kadar yalıtkan diye düşünülsede frekans ile orantılı olarak geçirgenlik oluşmaya başlar ve ısı şeklinde enerji kaybı olur. Kayıplar, dielektrik katsayısı ile orantılıdır. Hava 1 katsayı ile en iyi dielektriktir. Ancak iletkenler arası mesafeyi korumak için mutlaka kullanılmasi gerekli yalıtkanlardan dolayı kayıpların önüne geçilemez.

Koaksiyel kablolarda katı polietilen (en çok kullanılır), köpüklü (foam) polietilen, hava boşluklu polietilen, spiral sarımlı polietilen, teflon, polyester dielektrik malzeme olarak kullanılır.

 

C- Radyasyon Kayıpları

Radyasyon kayıpları, hattan dışarı kaçan rf enerjisi olarak tarif edilebilir. Dengeli hatlarda ekranlama olmadığı için çok fazla kayıp vardır. Dalga kılavuzlarında diş iletken tamamen kapalı olduğu için neredeyse 0 kayıp düşünülür.

Koaksiyel kablolarda ise diş iletken olan ekran veya örgünün boşluklarından kaçma olur. Bunu önlemek için, dış örgü çok sık örülür, gerekirse örgünün altına iletken şerit (folyo) konularak %100 kapatma sağlanır. 

 

Koaksiyel Kablolarda Kullanılan Materyaller 

 

İÇ YALITKAN:

FEP...............................

PE..................................

PIB ...............................

PS..................................

PTFE.............................

RUBBER......................

KATI FLOR ETİLEN PROPİLEN

KATI POLİETİLEN

POLİSOBÜTİLEN

POLİSTİREN

SOLİD TEFLON

KAUÇUK

İLETKEN VE ÖRGÜ:

AL.................................

BC.................................

BerC..............................

CCA..............................

CCS...............................

CPC...............................

GS.................................

HR................................

NC.................................

SA.................................

SC.................................

SCBerC........................

SCCad Br......................

SCCAl...........................

SNCCS.........................

SSC...............................

TC.................................

TCCS............................

ALUMİNYUM

MONO BAKIR

BERİLYUM BAKIR ALAŞIMI

BAKIR KAPLI ALUMİNYUM

BAKIR KAPLI ÇELİK

BAKIR POLYESTER BAKIR LAMİNELİ

GALVANİZ ÇELİK

YÜKSEK DİRENÇLİ TEL

NİKEL KAPLI BAKIR

GÜMÜŞ KAPLI ALAŞIM

GÜMÜŞ KAPLI BAKIR

GÜMÜŞ KAPLI BRİLYUM-BAKIR ALAŞIMI

GÜMÜŞ KAPLI KADMİYUM-BRONZ

GÜMÜŞ KAPLI ALUMİNYUM

GÜMÜŞ KAPLI NİKEL KAPLAMALI ÇELİK

GÜMÜŞ KAPLI BANT

KALAYLI BAKIR

KALAYLI BAKIR KAPLI ÇELİK

KILIF MALZEMESİ:

E-CTFE-XI...................

ETFE-X........................

FEP-IX..........................

FG BRAID V................

PE-III.............................

PE-IIIA..........................

PTFE.............................

PUR..............................

PVC-1...........................

PVC-2...........................

PVC-2A........................

RUBBER......................

SIL/DAC-VI.................

TPE...............................

XLPE............................

ETİLEN-CLOROFLOROETİLEN KOPOLİMER

ETİLEN-TEFLON KOPOLİMER

FLOR ETİLEN PROPİLEN TİP IX

EMPRENYELİ CAM YÜNÜ

SAF POLİETİLEN

YÜKSEK YOĞUNLUKLU SİYAH POLİETİLEN

TEFLON

POLİÜRETAN,SİYAH

SİYAH PVC

SİYAH ÖZEL PVC

SİYAH ÖZEL PVC

KAUÇUK

SİLİCON KAUÇUK ÜZERİ DACRON ÖRGÜLÜ

TERMOPLASTİK ELASTOMER

ÇAPRAZ BAĞLI POLİETİLEN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dalga Kılavuz Sistemi Süzgeci




Resim 1: Art arda bağlı iki -3dB bağlaştırıcı

Bir dalga kılavuzu sistemi prensip olarak art arda bağlı iki adet güç bölücüden (- 3db- bağlaştırıcı) meydana gelir. İlk önce 1 nolu resimde yeşil renkli daire içinde yer alan her iki güç bölücüyü ele alalım. Bu bağlaştırıcılar arasında kalan dalga kılavuzu boyları halâ eşit uzunluktadır ve alım hattında 3 db/90° - dalga kılavuzu bağlaştırıcıya sahip dubleks cihaz gibidirler ve nispeten frekanstan bağımsız çalışırlar. Her iki sinyalin fazları, güç bölücüler arasındaki uzunlukların eşit olması nedeniyle kesinlikle aynıdır.

Gönderim hattında (burada:kırmızı) gönderim enerjisi ilk bağlaştırıcıda iki eşit kısma ayrılır. Her iki bağlaştırıcı arasındaki dalga kılavuzunda her bir yarı güç (-3 dB) taşınır (bu yüzden bu tür güç bölücüye -3 dB hibrid adı verilir.). Gücün dallanan bölümü 90° faz kaymasına maruz kalır.

Resim. 2 de görüldüğü gibi, güç, ikinci güç bölücüde yine iki kısma ayrılır. Üst kol (branşman) Resim. 1 deki ile aynıdır. Fakat alt kol biraz daha uzundur ve alt koldaki iki kısım fazlarının zıt olması nedeniyle sinyal yok olurken, üst koldaki bu iki kısmın fazları aynı oluşu nedeniyle eklenerek tam güce ulaşırlar.


Eğer her iki dalga kılavuzu bölümünün bir kolunun Resim 2 de ki gibi bir dolambaçlı yolu (by-pass) varsa ve bu dolambaçlı yolun uzunluğu sinyalin dalga boyunun tam katlarına eşit ise, o zaman bahsettiğimiz faz ilişkileri geçerli olur. Diğer tüm frekanslar ve bunun sonucu olarak bunların faz durumları istenen yayılım yönünde zayıflarlar, böylece bu yapı bir süzgeç gibi çalışmış olur. Yani bu sistem frekansa bağımlıdır.

Güç, aynı faza sahip olmayan sinyal-yarıları ile -3 dB bağlaştırıcı içerisinde bağlaştırıcının diğer kollarda yoluna devam eder ve burada bir sonlandırma parçasında (dummy) ısıya dönüşür. Bu sonlandırma parçası (diğer bir deyimle soğurucu) yerine eğer bir frekans bölücü gibi süzgeç takılırsa yüksek frekanslı güçlerin işlenmesi sürdürülebilir.



Bir koldaki dolambaçlı yol
Resim 2: Bir koldaki dolambaçlı yol

 


Dalga Kılavuzu Sonlandırma Elemanları

Sonlandırma Elemanı


Resim 1: Sonlandırma Elemanı

Bir dalga kılavuzundaki enerjinin uzaya ışıması istenmezse, bu dalga kılavuzunun sonu karakteristik empedansına uygun bir özel nihayet elemanı ile kapatılır. Dummy-Load olarakta adlandırılan bu eleman duran dalgalar meydana getirmeden enerjiyi emer.

Dalga kılavuzunun birkaç dalga boyu uzunluğundaki bir bölümü resimde görüldüğü gibi grafit-kum karışımı bir malzeme ile doldurulur. Elektromanyetik alanlar bu karışımın içinde akımların oluşmasına yol açar ve enerji ısıya dönüşür. Isı enerjisinin atılması için dalga kılavuzu sonlandırma elemanının soğutulması gerekir.
 


Muhtelif sonlandırma elemanları
Resim 2: Muhtelif sonlandırma elemanları

 

Sell WR75 dummy load

Pphitop is on WR75 dummy load (waveguide termination, waveguide dummy load). The details as following:

1. Frequency: 9.84~15.0GHz.
2. VSWR<=1.2
3. Flange Type: FBP / FBM / FBE
4. Material: Cu / Al

 

 

Elektronik -

 Radar -

Waveguide

 

Hiçbir yazı/ resim  izinsiz olarak kullanılamaz!!  Telif hakları uyarınca bu bir suçtur..! Tüm hakları Çetin BAL' a aittir. Kaynak gösterilmek şartıyla  siteden alıntı yapılabilir.

 © 1998 Cetin BAL - GSM: +90  05366063183 - Turkiye / Denizli