www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Bir dalga kılavuzu nedir?

Dalga Kılavuzu Temelleri

Resim 1: 18,0 … 26,5 GHz frekanslarında çalışan bir dikdörtgen dalga kılavuzunun boyutları, çok küçük bir bölümün boğaz bağlantısı ile birlikte kesiti

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: 18,0 … 26,5 GHz frekanslarında çalışan bir dikdörtgen dalga kılavuzunun boyutları, çok küçük bir bölümün boğaz bağlantısı ile birlikte kesiti.

« Dalga Kılavuzu » içindekiler
  1. Bir dalga kılavuzunun yapısı
  2. Dalga kılavuzunda elektromanyetik
    dalgaların yayılması
  3. Çoklu yansımalarla yayılma
  4. Dalga kılavuzunda dalga boyu
  5. Zayıflama davranışı
  6. Dielektriksel dayanıklılık
  7. Kullanıldığı yerler

Resim 2: λ /4 – uzunlukta kısa devre edilmiş iletken bölümlerinden meydana gelen dalga kılavuzu x

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: λ /4 – uzunlukta kısa devre edilmiş iletken bölümlerinden meydana gelen dalga kılavuzu x

Dalga Kılavuzu Temelleri

Dalga kılavuzu yüksek frekanslı elektromanyetik dalgaların iletilmesinde kullanılır. Bunlar sıkça; bakır, kısmen gümüş ya da hatta altınla kaplı pirinç gibi çok değerli malzemeden üretilmiş metalik tüplerdir. Bu dalga kılavuzları yeni teknolojide artık çok hafif galvanik metalize karbon elyaflı bileşiklerden (composites) kolaylıkla üretilebilmektedir.[1]

Dalga kılavuzu dikdörtgen, dairesel ya da eliptik kesitli olabilir, ancak nispeten kısa bağlantılarda en yaygın kullanılanı dikdörtgen biçimde olanıdır. Dalga kılavuzlarının eşeksenel kablolara göre çok büyük üstünlükleri vardır, ancak uygulamada yalnızca 1 GHz üzerindeki frekanslarda kullanılabilir. Elektrik gücü tel biçimli elektik kablolarına göre dalga kılavuzlarıyla mikrodalga bölgesinde çok daha düşük kayıplarla iletilir. Enerjinin iletilmesi için kullanılan metal yüzeylerde elektrik ve manyetik alanlar sıfırdır ve bu alanlar dalga kılavuzu duvarları arasında kalan hacimde sınırlanır. Dalga kılavuzunun tümüyle ekranlanmış yapıya sahip olması, hem içerden dışarıya sızmayı önler (böylece ışıma sırasında bir kayıp olmaz), hem de iletilen çok zayıf işaretleri dışardan gelen gürültülere de karşı korur.

Eşeksenel kabloların sakıncaları:
Yaklaşık 1000 MHz üzerindeki frekans bölgesinde eşeksenel kablolar ile büyük yüklerin (örneğin, gönderim darbeleri) iletilmesi sırasında aşırı zayıflama ve düşük atlama direnci (flashover resistance) gibi bir dizi sakıncalar ortaya çıkar. Zayıflama kayıpları iletkenin hem özgün kapasitansı ve endüktansı, hem de kabuk etkisi nedeniyle meydana gelir ve bu kayıplar gönderim frekansının artışıyla birlikte bir hayli fazlalaşır. Aşırı zayıflama nedeniyle eşeksenel kablolar 36 GHz in üzerinde hiç kullanılmaz. Eşeksenel kabloların iç ve dış iletkenlerinin birbirlerine çok yakın oluşu nedeniyle atlamaya karşı dayanıklılığı çok sınırlıdır. Düşük güce sahip işaretlerde ortaya çıkan bu tür sakıncalar halâ kabul edilebilir sınırlar içinde kalsa da, büyük güçlerde telafi edilemeyecek kayıplara yol açarlar.

Bir dalga kılavuzun yapısı

Bir normal çift-telli iletkenin, düzgün aralıklarla konulmuş yalıtkan taşıyıcı elemanlarla desteklenmesi gerekir. Bu tutucu elemanların yüksek frekans uygulamalarında yalıtkan olması gerekmez, bir ucu kısa devre edilmiş ve „koçan” (stub) denilen uyumlu λ /4 iletkenler olarak tasarlanabilirler. Bunlar, iyi bir uyumun sağlanması ile çift-telli iletkendeki kısa devreyi, çok yüksek bir empedanslı bağlantıya dönüştürebilirler.

Karşılıklı konulmuş böyle iki sayısız koçanın bir yatay U-profile art arda dizilmesiyle dikdörtgen kesitli ve λ /2 genişlikte bir dalga kılavuzu meydana getirilebilir.

Bu λ /4 – iletken parçaları dalga kılavuzunun işlevini frekansa bağımlı kılar. İşaretler dalga kılavuzunda yalnızca bir belirli frekansın üstünde yayılabilir. Bu frekans dalga kılavuzunun boyutlarına, özellikle „a” kenarına bağlıdır. Yayılma koşulları, taşınan dalga boyu sınır dalga boyu denilen 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, daha büyük dalga boyları için dalga kılavuzlarının boyutlarının daha büyük olması gerektiği görülmektedir. Belirli bir dalga boyundan itibaren (örneğin, 1 GHz in altında bu 30 cm den daha büyük bir dalga boyuna karşılık gelir) dalga kılavuzları çok büyüyecek ve kullanımı zorlaşacaktır.

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

Dalga kılavuzlarının boyutları DIN 47302 normuna göre belirlenmiştir. Bu normda verilen DIN teknik özellikleri ve tanımlar IEC 153 normuna uygundur. Bir dikdörtgen dalga kılavuzunda dar „b” kenarı, daha geniş olan „a” kenarının yarısı kadardır. Resim.1 deki dalga kılavuzu parçası olarak kullanılan pirinç döküm yarı mamul WR 42 (Waveguide Rectangular, WR) tipi dikdörtgen tüp görülmektedir. Buradaki 42 rakamı geniş „a” kenarının bir inçin kaç adet yüzde biri olduğunu belirtir, yani burada bir inçin yüzde birinden 42 adet vardır.

  • 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. Ancak, bu işaretlerin 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 hatalı mod için üst sınır frekans değeri yayılma koşulu ile belirlenir. Temel mod için üst sınır frekansı bu değerin % 5 inden azdır.
  • Bu tip dalga kılavuzu için karşılık gelen frekans bandı 18,0 GHz ila 26,5 GHz arasındadır.[2]
Elektrik alanı
Manyetik
alan
H- dalgası
(ya da TE- dalgası)
E- dalgaları
(ya da TM- dalgası)

Resim 3: Bir dalga kılavuzundaki genel yayılma modları

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

Resim 4: Bir dalga kılavuzundaki 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 bir sinüs biçiminde gerçekleşir. Elektrik alanı keza bir manyetik alan yaratır. Ancak manyetik alan, bir metal iletkene dik konumlanamaz. Dalga kılavuzunun yönlendirdiği yönün dışında başka bir yayılma yönü de kalmaz.

Elektrik alanı frekansla değişir ve dalga kılavuzu boyunca en büyük ve en küçük değerler arasındaki açıklık dalga boyunun yarısıdır. Bir dalga kılavuzuna beslenen yüksek frekanslı enerji, keza iç hacimde elektrik ve manyetik alanları birbirine dik olan bir Enine Elektromanyetik Dalga (Transverse Electric Magnetic Wave, TEM) yaratır. Elektrik alanı (E-alan) dalga kılavuzunun daha geniş iki duvarı arasında, manyetik alan (H-alan) ise her iki dar duvar arasında meydana gelir. Alanlar göreli mevcut durumlarını sürdürmezler, zaman ekseninden bakıldığında, giriş işaretine uygun olarak genliklerini ve polaritelerini değiştirirler. Bu elektromanyetik dalga, dalga kılavuzu içinde ışık hızına yakın bir hızda yayılır.

Resim 4: Bir dalga kılavuzundaki genel yayılma modları

Resim 5: Dalga kılavuzunda, yürüyen dalganın alan kuvvetinin dağılımı

Resim 5: Dalga kılavuzunda, yürüyen dalganın alan kuvvetinin dağılımı

Elektromanyetik dalgalarda elektrik ve manyetik alanlar birbirlerine daima diktir. 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 (+Een büyük)
Dalga çukuru (−Een büyük)
λ0
φ
λh
Dalga kılavuzu
„a” kenarı
Metalik duvar

Resim 6: Bir metal duvara eğik açıyla gelen dalganın yansıması

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

Resim 6: Bir metal duvara eğik açıyla gelen dalganın yansıması

Çoklu yansımalarla yayılma

Dalga kılavuzundaki dalgaların yayılması kısmen geometrik optik yardımıyla da açıklanabilir. Bir dalga kılavuzundaki dalgaların özellikleri bir yüzey dalgasından türetilebilir. Resim. 6 da λ0 dalga boyuna sahip bir yüzey dalgasının eğik bir açıyla geldiği bir metal duvardaki yansıması görülmektedir (bu örnekte açı φ = 67°). E-alanı burada gösterim düzlemine diktir ve dolayısıyla farklı renkte işaretlenebilir. Dalga tepesi (+Een büyük) kırmızı ve dalga çukuru (-Een büyük) mavi renklidir. Yeşil renk sıfır hattını temsil eder.

Geliş açısı, yansıma açısına eşittir. Duvardaki yansıma sırasında dalganın faz açısı 180° kayar. Resimde görüldüğü gibi her iki dalga üst üste binişerek (superposition) metal duvardan belirli bir mesafelerde koyu kırmızı ya da mavi olarak boyanmış en küçük ve en büyük yerel bölgeler oluştururlar.

a = 0,5 λ0 (2)
cos φ

Formülünde verilen mesafede E elektrik alanı tamamen yok olur. Gelen dalganın pozitif dalga cephesi (kırmızı renkli), yansıyan dalganın negatif dalga cephesiyle (mavi renkli) çakışır. (Buradaki grafikte, bu iki rengin birbiriyle karışması sonucu oluşan renk mordur. Enerji açısından bu alanlar yeşil renkle gösterilmelidir.) Resim, gelen dalgalarla zaman içinde sağa doğru kayar.

Bu hat boyunca „a” kadar uzaklıkta, buraya kadar olan durumda değişikliğe yol açmaksızın, bir ikinci metal duvar konulabilir. Bu ikinci duvarda yansıma olayı kendisini tekrarlar ve gelen dalganın sürekli ışımasının (irradiation) yerini alır. Bu iki duvar arasında (daha önce olduğu gibi sadece bir duvarda) dalganın pozitif ve negatif en büyük 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 kısmında çizilen duvar ve yatay çizgi seviyesindeki sanal duvar dalga kılavuzun „b” duvarlarına karşılık gelir.

Bu grafikten de görüldüğü gibi, dalga kılavuzunda en uygun yayılma, gelen dalganın sadece en uygun bir açıyla gelmesiyle mümkündür. Dalga kılavuzunun „a” kenarının en uygun genişliği, gelen dalganın hem φ geliş açısına ve hem de λ0 dalga boyuna bağlıdır.

Dalga kılavuzunda dalga boyu

Uygulamada dalga kılavuzunda duvarlardan yansıyan enerji bölümlerinin çoklu girişimi sonucu gerilimin en küçük ve en büyük değerleri oluşur. Sağa doğru göç eden „paketlerin” en büyük değerleri arasındaki açıklık, boşluktaki dalga boyu λ0 dan farklıdır. Bu açıklık:

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. En uygun geliş açısının dalga boyuna oranından faydalanılarak bu bağımlılıklar arasında bir ilişki 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 düzgün salınım oluşur. Bu nedenle dalga kılavuzundaki dalga boyu sıkça boşluktaki dalga boyundan çok daha büyüktür. Buna karşılık enerji (ve böylece salınımın bir yerel değişimi, örneğin modülasyon) ışık hızından daha küçük bir hızla yayılır.

Resim 7: Bir H10-dalgasının duvar akımlarının resmi (anlık görüntü). Görüntü, yürüyen dalganın yayılma yönünde ışık hızına yakın bir hızda kayar.

Resim 7: Bir H10-dalgasının duvar akımlarının resmi (anlık görüntü). Görüntü, yürüyen dalganın yayılma yönünde ışık hızına yakın bir hızda kayar.

Zayıflama davranışı

Dikdörtgen kesitli dalga kılavuzunun iyi iletkenliği için belirleyici etmen dalga kılavuzunun „a” kenarının boyutunun gönderilen frekansa olan oranıdır. Dalga kılavuzunun boyutlarının, daha yüksek frekanslar için küçülmesi, daha küçük frekanslar için ise büyümesi gerekir.

Dalga kılavuzlarında zayıflama davranışı frekansa kuvvetle bağlıdır. Sınır frekansında çalıştırılan bir dalga kılavuzunda zayıflama nispeten kuvvetlidir. Frekans yükseltildiğinde ilk defa en küçük değere 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 bileşeninden kaynaklanır. Duvar akımları duvar yüzeyine paralel akar, ancak manyetik alan, kuvvet bileşenine dik olarak yönlenir. Duvar akımları tabanın ve tavanın orta kısmında yayılma yönünde akar. İlaveten, kenarlara doğru akan çapraz akımlar (cross currents) vardır. Duvarlardaki akım yoğunluğunun yüzeyinin tümlevi (integration) alınarak dalga kılavuzunun dalga zayıflama katsayısı hesaplanabilir.

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

Şekil 8: Yaklaşık aynı çaptaki dalga kılavuzunun dielektrik dayanımı çok daha iyidir.

Dielektriksel 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. Kullanılan bu hava, sıkıştırma sırasında bir karmaşık yöntemle kurutulur.

Şekil 8: Yaklaşık aynı çaptaki dalga kılavuzunun dielektrik dayanımı çok daha iyidir.

Kullanıldığı yerler

Dalga kılavuzları

Başvurular:

  1. Fraunhofer-Enstitüsü, Katman- ve Yüzey Mühendisliği Basın Bildirisi
  2. Ham Dalga Kılavuzuna ait Bilgi Notları (piyasaya satışa sunulan dalga kılavuzlarına ait teknik notlar)