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

Yarıklı Işıyıcılar

Uyartım -
sistemi

Resim 1: Bir yarığın uzunluğu yarıklı ışıyıcının tınlaşım frekansını, eni ise bant genişliğini belirler.

Uyartım -
sistemi

Resim 1: Bir yarığın uzunluğu yarıklı ışıyıcının tınlaşım frekansını, eni ise bant genişliğini belirler.

Yarıklı Işıyıcılar

Yarıklı Işıyıcılar daha ziyade 300 MHz ila 25 GHz frekans aralığında çalışan yöngüdüm radar aygıtlarında kullanılan ve genellikle bir dalga kılavuzu ile beslenen grup antenlerdir. Bununla birlikte daha eski büyük Faz Dizi Antenler de bu prensibi kullandılar, çünkü frekansa bağlı olarak tarama yapan bu yarıklı antenlerin fiyatları oldukça uygundu. Yarıklı antenlerde (sonsuz iletken gibi kabul edilen plakaya) yaklaşık λ/2 uzunluğunda, eni 0,1 λ dan daha küçük bir yarık açılır ve merkezinden uyartılır. Babinet teoremine göre bu yarık bir tınlaşım ışıyıcısı gibi davranır. Jacques Babinet (1794 - 1872), 1837'de bir dar yarık ve bir ince kılın kırınım imgeleri (diffraction images) arasında bir karşılıklılık olduğu teorisini ortaya atan bir Fransız fizikçiydi. Bu teoriye göre bir yarığın ışıma özellikleri, yerini alabilecek bir dipolün aynı özellikleri ile ifade edilebilir. Bir dikey yarığın ışıma karakteristikleri ile bir dikey dipolün karakteristikleri aynıdır, ancak bir yatay düzlemdedir, yani elektrik ve manyetik alanların düzlemleri yer değiştirmiştir. Dikey dipolde elektrik alan vektörü dikey düzlemde; dikey yarıkta ise yatay, yani yarığa dik düzlemde salınır. Polarizasyon doğrusaldır.

Bir dar yarığın ışıma direnci (empedansı) aşağıdaki formülle hesaplanır::

Zd · Zs = η2/4   Zs = Yarığın ışıma direnci
Zd = Bir dipolün ışıma direnci
η  = Boşluğun yalın (intrinsic) empedansı
(1)

Buradan Zs = 485 Ω bulunur.

Yarığın boyutları, biçimi ve gerekirse arka planı değiştirilebilir ve bu da yarığın tınlaşım özelliklerinin değiştirebilmesine imkân tanır. Bir dikdörtgen biçimli dar yarığın bant genişliği, eşdeğeri olan dipolün bant genişliği ile aynı ve yarığın genişliğine eşit çapa sahip bir silindirik dipolün bant genişliğinin yaklaşık yarısıdır. Resim. 2 de dikdörtgen biçiminden sapan ve bant genişliği artan yarıklı ışıyıcı görülmektedir.

Resim 2: Değişik geniş bantlı yarıklı ışıyıcılar.

Resim 2: Değişik geniş bantlı yarıklı ışıyıcılar.

Teorik olarak sonsuz yayılmış bir iletken yüzey gerekiyorsa da, teorik değerden sapma, yüzeyin, dalga boyunun karesinden büyük olması durumunda küçük kalmaktadır. Yarıklı ışıyıcı basit iki iletkenli hatla beslenebilir. Yarıklı ışıyıcının empedansı, dipolde olduğu gibi, besleme noktasının yerine bağlıdır. 485 Ω empedans değeri yarıklı ışıyıcının merkezden beslenmesi durumunda geçerlidir. Besleme noktasının ortadan kenara doğru kayması durumunda empedans gittikçe azalır.

Yarıklı ışıyıcıların değişik kullanım alanları vardır. Bunlar, ışıyıcının geometrisinin uzunlaması yönünde polarizasyonun yaklaşık dikey olması gerektiği durumlarda bir dipolün yerine kullanılabilir. Örneğin, Fan Pervanesi Tipi Çizgeye sahip bir parabolik antenin beslemesi için bir dipol kullanılacaksa, yatay polarizasyon için bu dipolün yatay konumda takılması gerekir. Bunun sonucunda yansıtıcının kenara yakın bölümleri yeterince aydınlatılmayacak ve yansıtıcının alt- ve üst yarılarında çok fazla enerji kaybı meydana gelecektir. Dahası, bir parabol yansıtıcının odak noktası için bir nokta biçiminde ışıma kaynağı gerekirse, dipol, bir düzlemde boylamasına uzatılarak genişletilir. Eğer bu dipolün yerini yarıklı ışıyıcı alırsa bu sakıncalar ortadan kalkar.

Dalga kılavuzlarındaki yarıklar

Resim 3: Bir dalga kılavuzunda değişik yarık yerleşimleri

Resim 3: Bir dalga kılavuzunda değişik yarık yerleşimleri

Dalga kılavuzlarında yarık düzenleriyle uygun maliyetli grup antenlerin yapımı mümkün olmaktadır. Resim. 3 de kırmızı renkli çizgilerle bir dikdörtgen kesitli dalga kılavuzunun yan duvarlarındaki anlık şematik akım dağılımı görüntülenmektedir. Eğer yarıklar duvarlara açılırsa, akım akışı bu açılan yerin konumuna bağlı olarak az ya da çok kuvvetle etkilenir. Eğer yarıklar yeterince küçük ise, Resim.3 teki B ve C yarıklarının akım dağılımı üzerindeki etkisi az olacaktır. Bu iki yarıktan ya çok az ya da hiç ışıma olmaz. Diğer taraftan, A ve D yarıkları akımın akışına engel oluşturacaktır. Böylece bu akım akışı yarığın bir ışıma elemanı olarak çalışması için bir uyartıcı sistem gibi hareket eder. Dalga kılavuzundaki salınım ileriye doğru hareket ettiğinden, bu çizilen hatlar da hareket eder. Yarık, dalga kılavuzundaki taşınan salınımın frekansına bağlı olarak, yarık kenarlarında daima değişken gerilim alır. Bunlar tam da, bu A ve D yarıklarında çizildiği gibi, dalga kılavuzunda taşınan yüksek frekanslı enerjiyle en fazla bağlaşan (coupled) yerlerdir. Bu bağlaşımı azaltmak için örneğin, A yarığı dalga kılavuzunun dar kenarlarından birine doğru yaklaştırılabilir. Aynı etki, yarıkların, karşılıklı olarak, A ile B veya C ile D konumları arasındaki dik açıya göre daha farklı bir açıya döndürülmesiyle de sağlanabilir. Yarığın döndürülmesi durumunda, bunun bağlaşım üzerindeki etkisi, dikey konumdaki D yarığından veya paralel konumdaki A yarığından dönme açısını temsil eden θ açısının sinüsünün karesi kadardır.

Grup antenleri

Resim 4: Dikdörtgen dalga kılavuzunun geniş kenarında yarıklı ışıyıcılardan oluşan grup anteni

Resim 4: Dikdörtgen dalga kılavuzunun geniş kenarında yarıklı ışıyıcılardan oluşan grup anteni

Bir dalga kılavuzundaki birkaç yarıklı ışıyıcı bir grup anten oluşturur. Her bir ışıyıcının doğru fazda ışıma yapabilmesi için bunların dalga boyunun uzunluğuna eşit aralıklarla yerleştirilmiş olması gerekir. Bu yerleşim dalga kılavuzunun iç kısmı için geçerlidir. Bu dalga boyu boşluktaki dalga boyundan farklıdır ve bir dikdörtgen biçimli dalga kılavuzunun daha uzun kenarının bir işlevidir ve en sık kullanılan H10-modunda aşağıdaki formülle hesaplanır:

a  = Dikdörtgen kesitli dalga kılavuzunun uzun kenarı
λh = Dalga kılavuzu içindeki dalga boyu
λ  = Boşlukta dalga boyu
(2)

Resim 5: Dikdörtgen dalga kılavuzunun dar kenarında yaklaşık 30° döndürülmüş yarıklı ışıyıcılardan oluşan grup anteni

Resim 5: Dikdörtgen dalga kılavuzunun dar kenarında yaklaşık 30° döndürülmüş yarıklı ışıyıcılardan oluşan grup anteni

Dalga kılavuzu içindeki dalga boyu, boşluktaki dalga boyundan bir miktar daha uzundur. Gruptaki ışıyıcılar arasındaki yerleşim açıklıkları boşluktaki λ dalga boyundan bir miktar daha fazla olacak şekilde yerleştirilir. Bu durum yan topuzların adedini ve büyüklüğünü olumsuz etkiler. Yarıklar genellikle merkezden kaçık (daha düşük bağlaşımlı) ve sırayla merkezin bir sağına, bir soluna olmak üzere yerleştirilir. Yarığın, dalga kılavuzunun dar kenarına açıldığı durumda, bu kenar bazen yarıklı ışıyıcının tınlaşım frekansında ışıma yapması için gereken uzunluktan daha kısa olabilmektedir. Bu durumda dar kenara sığamayan yarık uzun kenarla birleştiği köşeden dalga kılavuzunun uzun kenarının bulunduğu a- kısmına bir miktar taşarak yerleştirilir. Pratik olarak oluşturulmuş yarıklı antenlerde, dalga kılavuzundaki bu yarıkların tümü dalga kılavuzunun iç kısımlarının korunabilmesi amacıyla ince bir yalıtıcı katmanla kaplanırlar. Bu kaplama nemçeker bir malzeme olmamalı ve hava koşullarına karşı dayanıklı olmalıdır.

Resim 6: S-bandında çalışan bir deniz radarının yarıklı anteni, bir Polonya Deniz Okulundaki sergiden

Resim 6: S-bandında çalışan bir deniz radarının yarıklı anteni, bir Polonya Deniz Okulundaki sergiden.

Bir dar yarıklı ışıyıcı kendi tınlaşım frekansının % ±5 … ±10 değerleri arasında çalışabilir. Grup antenlerinde ise artık bu o kadar kolay olamamaktadır. Bu tür bir grup antende, frekansın en uygun duruma getirildiği bu ara açıklıklar sabittir ve tam olarak λg kadardır. Frekans değiştirilirse bu açıklıkların bir anlamı kalmaz ve antenin başarımı azalır. Bir ışıyıcıdan diğerine ortaya çıkan faz farkı anten boyunca birbirine eklenir ve artık kabul edilemeyecek bir değere ulaşır. Bundan sonra anten „şaşı” bakmaya başlar, yani anten ışıma çizgesi optik merkez eksenden farklı bir yöne sapar. Bu etki anten demetinin gönderim frekansının değiştirilmesinin bir işlevi olarak anten çizgesini elektronik saptırmak için kullanılabilir.

Bu tasarım genellikle yöngüdüm radarlarındaki antenlerde kullanılır. Antenin Etken Anten Yüzeyini (aperture) arttırmak için, dalga kılavuzu bölümünün tamamı, yarıklı ışıyıcılarla ile bir tür aşırı boyutlu (oversized) boynuz ışıyıcı içine paketlenmiştir (bkz. Resim. 6). Bu, dikey düzlemdeki yönlülüğü iyileştirir ve anten kazancını arttırır. Bu tip bir anten yan açıda oldukça dar, yükseklik açısında ise nispeten geniş (20 ° ila 25 °) olan bir Fan Pervanesi Tipi çizge oluşturur.