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

Duran Dalga Oranı

Üreteç
Ri
R=ZL
İletken
ZL
U1
U2

Resim 1: Bir üretece bağlı iletkenin eşdeğer devresi

Devre şeması: Ri iç direncine sahip bir yüksek frekans üreteci (bir daire içinde üç adet sinüs dalgası ile sembolize edilmiş), Z dalga direncine sahip, seri bağlı iki telli bir iletkeni besliyor. Besleme noktası gerilimi U1, en uçtaki gerilim U2 dir.
Üreteç
Ri
R=ZL
İletken
ZL
U1
U2

Resim 1: Bir üretece bağlı iletkenin eşdeğer devresi

Duran Dalga Oranı

İletkenlerde, uyumsuz bir çalıştırılma durumunda Duran Dalgalar oluşur.

Eğer bir yüksek frekanslı sistemin tümü uyumlu çalışıyorsa, gücün tamamı, kaynaktan alıcıya herhangi bir kayba uğramaksızın ulaşır. Fakat uygulamada hiç bir zaman bir mutlak uyum gerçekleşemez, dolayısıyla bu uyumsuzluklardan kaynaklanan sorunların giderilmesi gerekir.

Uyumsuzluğa ait iki basit uç durumunu (extreme condition) ele alalım:

Bu iki özel durumu yakından incelemeden önce bir yüksek frekanslı salınımın beslediği, teorik olarak sonsuz uzunluktaki bir hatta ne olup bittiğini aydınlatmamız gerekir. Gücün uyumlu, yani (Ri = ZL) olması gerekir.

Devre enerjilendiğinde üreteç, gücünü iletim hattına göndermeye başlar (Bkz. Resim. 2) t = 0 anında gerilim en küçük değere sahip olmalıdır. Bu gerilim değeri hat boyunca dalganın yayılma hızıyla ilerler. Bu dalgaya Yürüyen Dalga denilir. Bu dalganın özelliği, aynı işaretin hattın her noktasında niteliksel olarak ölçülebilmesidir.

Bir yüksek frekans üreteci, bir simetrik anten kablosunu temsil eden iki telli iletkeni besliyor. Diyagramda gerilim hattın uzunluğunun bir fonksiyonu olarak veriliyor. Canlandırma: Diyagramda sürekli hareket eden bir sinüs dalgası bulunuyor. Dalga tepeleri arasındaki mesafe dalga boyuna eşittir. Dikeyde herhangi bir nokta o anki gerilim değeridir.

Resim 2: Bir YF-hattında gerilimin zamansal akışı (diğer bir deyimle „Yürüyen Dalga”)

Eğer bir hattın sonu, öz hat empedansı (characteristic line impedance) ZL ye eşit değerde bir Ra direnciyle sonlandırılmış ise, üretilen gücün tamamı bu Ra direncine aktarılabilir.

Örnek: 5 m uzunluğunda bir iletken (ZL= 75 Ω), iç direnci Ri= 75 Ω olan bir üreteçten beslensin ve sonlandırma direnci Ra= 75 Ω olsun, yani bir empedans uyumu mevcut olsun. Üretecin frekansı 30 GHz ise, hatta meydana gelen salınım sayısı ne olur?

Çözüm:

λ =  c  = 3·108   m/s = 0,01 m
f 3·1010  1/s
Salınım sayısı = İletkenin uzunluğu = 5 m = 500 salınım
Dalga boyu 0,01 m

(Dikkat! İletken olarak bir kablo kullanılıyorsa yayılma hızı azalır: Bu durumda kullanılan kabloya özgü bir küçültme katsayısı ile azaltılmış bir yayılma hızı kullanılır. Buna karşılık Dalga Kılavuzlarında bir sözde faz hızı kullanılabilir, bu hız ışık hızından da büyük olabilir.)

R=ZL
Pgeri
Pileri
R≠ ZL

Resim 3: Bir üretece bağlı, uyumlu olmayan iletken

Devre şeması: Ri iç direncine sahip bir yüksek frekans üreteci iki telli bir iletkene seri bağlıdır. İki telli hattın ucunda ZL dalga direncinden daha küçük bir dirence sahip Ra yük direnci bulunuyor..
R=ZL
Pgeri
Pileri
R≠ ZL

Resim 3: Bir üretece bağlı, uyumlu olmayan iletken

Uyumsuzluk

Örneğin, empedans uyumundan söz edilemediği, sonlandırma direncinin 50 Ω olan, 75 Ohm luk bir iletken sisteminde dalgaların yollanması durumunda ne olacaktır?

Üreteç PÜre gücünü sağlar. Bu güç, 1 nolu noktada aşağıdaki eşitliğe uygun olarak ikiye bölünür:

PRi = PZL = ½ PÜre

PZL = Pileri bileşeni hat boyunca ilerleyerek Ra direncine varır. Fakat bu kısım, uyum durumunda varan güçten küçüktür. Direnç tüm gücü ememez ve ısıya dönüştüremez. PZL gücünün geriye kalan bölümü, 2 nolu noktada Pgeri olarak üretece geri yansıtılır.

O zaman ve daima, ZL ve Ra birbirine eşit olmadıkça, Ra < ZL ya da Ra > ZL durumlarından bağımsız olarak, yollanan dalganın bir bölümü daima geriye yansıtılır. Bu duruma empedans uyumsuzluğu (impedance mismatching) denilir.

Bir iletken üzerinde iki yürüyen dalganın canlandırılması: Mavi renkli dalga sağa, buz mavisi renkli dalga sola ilerliyor. 
	Her iki dalga örtüşerek kırmızı renkli, genliği maksimumdan sıfıra, sıfırdan minimuma inip çıkan (tepe değeri orijinal genliğin iki katı olan) duran bir dalga meydana getiriyor.

Resim 4: Giden dalganın, gelen (yansıyan) dalga ile binişmesi sonucu oluşan bir Duran Dalga

Girişim

Giden işaret (koyu mavi) ve yansıyan işaret (buz mavisi) faz açılarına bağlı olarak örtüştükleri belirli noktalarda, ekleme durumunda daha büyük; çıkarma durumunda ise daha küçük gerilime sahip bir dalga (kırmızı) meydana getirirler. Sonuçta, kablo boyunca düzenli aralıklarla Uen büyük (dalga tepeleri) ve Uen küçük (dalga çukurları) yerel sabit gerilimleri meydana gelir. Örneğin, kablo ucunun açık ya da kısa devre olması gibi aşırı uyumsuzluk durumlarında toplam yansıma meydana gelir. Bu durumda iki dalga eklenerek ya iki kat büyüklüğe ulaşır, ya da birbirlerini iptal ederler. Duran dalga geriliminin iki katına çıkması durumunda bu gerilim üretecin çıkış katını aşırı yükleyebilir ve hatta tahrip de edebilir.

Uygulamada, uyumsuzluk derecesini daha iyi kontrol edebilmek için „Yansıma Katsayısı” r ve „Gerilim Duran Dalga Oranı” s (Voltage Standing Rave Ratio, VSWR) tanımlanmıştır. Aşağıdaki formül ile En Büyük Gerilim/En Küçük Gerilim Oranından hesaplanır. En Büyük Gerilim ileri akan gerilimin toplamına karşılık gelir, En Küçük Gerilim ise iki gerilim bileşeninin arasındaki farktan hesaplanır.

|r| = Ugeri = |Ra-ZL|
Uileri |Ra+ZL|

 

s = Uen büyük = Uileri · (1+r) = (1+r)
Uen büyük Uileri · (1-r) (1-r)

1,00 lık bir Duran Dalga Oranı bu nedenle en uygun uyum anlamına da gelir. Uyumsuzluk durumunda, Duran Dalga Oranının değeri artar. 1,1 ila 1,2 arası bir Duran Dalga Oranı halâ oldukça iyi bir değerdir. Tam uyumsuzluk durumunda Duran Dalga Oranı sonsuza kadar gider.

Ölçüm tekniği şimdi bir sorun yaratır: Hattın her noktasında işaret aynı kalitede ölçülemez (Resim. 4 deki kırmızı çizge). Bir Duran Dalga Oranının işaretinin iyi ölçülebildiği yerler olduğu gibi, daha az iyi ölçülebilen yerler ve belki hiç de ölçülemeyen yerlerde söz konusudur.

1 GHz in üzerindeki güçleri, gerilime göre daha iyi ölçmek mümkün olduğundan, yüksek frekans tekniğinde „Güç Duran Dalga Oranı” (Power Standing Wave Ratio, PSWR) kullanılır. Ancak, bu terim beraberinde bir kavram karmaşası da getirmektedir, çünkü kablo üzerindeki güç dağılımı, gösterilen gerilim desenine uymamaktadır.