www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Bir dalga kılavuzu nedir?

Dalga Kılavuzu Temelleri

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.

Grafik: Bir dikdörtgen dalga kılavuzu. Bir dalga kılavuzu bakır levhalardan imal edilir, genellikle dar kenarı B ile gösterilir. A kenarı geniş olan kenardır ve B kenarının yaklaşık iki katıdır.

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
  5. Zayıflamanın nedenleri
  6. Dielektriksel dayanıklılık
  7. Kullanıldığı yerler

Resim 2: Teorik olarak bir dikdörtgen dalga kılavuzu, λ /4 – uzunluğa sahip, yan yana dizilmiş çok sayıda kısa devre parçalarından meydana gelir. Bu biçimdeki parçalardan ikisi karşı karşıya getirilerek, dikdörtgen biçimli kesite sahip bir dalga kılavuzu elde edilir.

Entstehung des Hohlleiters: Zur Veranschaulichung ist der Hohlleiter einmal längs aufgeschnitten und dann beide Hälften in lauter kleine Scheiben zerlegt. Die U-förmigen Teilstücke mit der halben Länge a stellen die kurzgeschlossenen λ-viertel Leitungsabschnitte dar.

Resim 2: Teorik olarak bir dikdörtgen dalga kılavuzu, λ /4 – uzunluğa sahip, yan yana dizilmiş çok sayıda kısa devre parçalarından meydana gelir. Bu biçimdeki parçalardan ikisi karşı karşıya getirilerek, dikdörtgen biçimli kesite sahip bir dalga kılavuzu elde edilir.

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. [1]

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]
Elektrik alanı
Manyetik
alan
H- dalgaları
(ya da TE- dalgaları)
E- dalgaları
(ya da TM- dalgaları)

Resim 3: Dalga kılavuzunda genel yayılma modları

Elektrik alanı
Manyetik
alan
H- dalgaları
(ya da TE- dalgaları)
E- dalgaları
(ya da TM- dalgaları)

Resim 4: Dalga kılavuzunda genel yayılma modları

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 4: Dalga kılavuzundaki elektrik alanı (kesit, anlık görüntü, H10- modu)

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

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.

Gelen dalga
Yansıyan dalga
Dalga tepesi (+Emax)
Dalga çukuru (−Emax)
λ0
φ
λh
Dalga kılavuzu
„a” kenarı
Metalik duvar

Resim 6: Bir metal duvara eğik gelen dalganın yansıması

Gelen dalga
Yansıyan dalga
Dalga tepesi (+Emax)
Dalga çukuru (−Emax)
λ0
φ
λh
Dalga kılavuzu
„a” kenarı
Metalik duvar

Resim 6: Bir metal duvara eğik gelen dalganın yansıması

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.

Formel (4) (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.

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.

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

Kullanıldığı yerler

Dalga kılavuzları

Referenzen:

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