Anten (elektronik)

Elektronikte antenler, boşluktaki elektromanyetik dalgaları toplayarak bu dalgaların iletim hatları içerisinde yayılmasını sağlayan ("alıcı anten") veya iletim hatlarından gelen sinyalleri boşluğa dalga olarak yayan ("verici anten") cihazlardır.^[1] Antenlerde enerjinin iletimi ve alınması anteni oluşturan metal iletkenlerin uygulanan elektrik akımı ile yüklenmesi ile gerçekleşir. Alıcı antene eşlenen güç sinyalin arttırılması için bir amplifikatöre iletilebilir. Antenler radyo, telsiz ve benzeri kablosuz iletişim cihazlarının temel elemanlarındandır.

Antenler, radyo dalgalarını belirli bir yöne ("yüksek kazançlı anten") veya tüm yönlere eşit bir şekilde ("tümyönlü anten") yaymak için tasarlanabilir. Antenlerde istenilen bir ışıma desenini veya hüzmeleri elde etmek için parabolik yansıtıcı, boynuz veya parazitik eleman gibi ek parçalar kullanılabilir. Anten dizileri de aynı zamanda farklı ışıma desenleri elde etmek için kullanılabilir.^[2]

Tarihte antenler ilk kez 1888 yılında Alman fizikçi Heinrich Hertz tarafından üretilmiş ve Hertz'in deneyleri James Clerk Maxwell'in öngördüğü elektromanyetik dalgaların varlığını kanıtlamıştır.^[3] 1895 yılı itibari ile Guglielmo Marconi uzun mesafeli radyotelgraf haberleşme için anten tasarımlarına başlamış ve bu çalışması kendisine Nobel Ödülü kazandırmıştır.^[4]

Antenlerin özellikleri

Elektromanyetik teoriye göre elektromanyetik dalgaların yayılımı için yüklerin ivme kazanması gerekmektedir. İletim hatlarında yayınım hatta eşlenmiş dalganın bir kesitten sızması ile gerçekleşebilir. Karşılıklılık ilkesine göre bir anten, alıcı ve verici olarak aynı özelliklere sahiptir ve iki biçimde de kullanılabilir. Birçok anten tipi rezonans prensibine göre tasarlanır ("rezonant anten"); buna örnek olarak yarı dalga dipol anteni örnek verilebilir. Bu antenlerde rezonans sonucu iletkende bir duran dalga oluşur ve kısa bir frekans aralığında ışıma gerçekleşir.^[5]

Antene maksimum gücün gitmesi ve yansımanın önlenmesi için için anten sisteminin empedansının iletici veya alıcının empedansının karmaşık eşleniği olması gerekir;^[5] bunu sağlamak için empedans eşleme veya balun kullanılabilir. Smith abağı empedans eşlemede sıklıkla kullanılır. Yansıma kaybı ("return loss") ve voltaj duran dalga oranı (VSWR) kaybı ve yansıyan voltajı incelemek için kullanılan parametrelerdendir.^[6] Antenin radyasyon yayılımına harcadığı güç ışıma direnci yardımıyla ifade edilir; anten için harcanan gücün mümkün olduğu kadar ışımaya gitmesi istendiğinden ışıma direncinin yüksek olması tercih edilir.^[2] Yayılan dalganın polarizasyonu da anten tasarımlarında kayda değer bir değişkendir. Antenlerden yayıların ışımanın polarizasyonu doğrusal, dairesel veya eliptik olabilir.^[5]

Antenlerin ışıma desenleri genellikle ışıma örüntüsü grafiği ile gösterilir: bu grafik küresel koordinat sisteminde $\theta$ 'ya göre (E-düzlem örüntüsü) veya $\theta =\pi /2$ 'ye sabitlenmiş bir şekilde $\phi \,$ 'ye göre (H-düzlem örüntüsü) verilir. Bir antenin belirli bir yöne ışıması yönlü kazanç parametresi ile desibel cinsiden belirtilir; kazanç, elektrik devreler ve amfilerin aksine ana radyasyon lobunun genliğini temsil eder. Işıma şiddeti ise yönlü kazanç ile ilişkilidir ve steradyan başına düşen ortalama güç ile ifade edilebilir.^[2]

Antenlerin tasarımı ve analizinde hesaplamalı elektromanyetizma teknikleri sıklıkla kullanılır. En çok kullanılan teknikler arasında moment metodu (MoM) ve zamanda sonlu farklar yöntemi (FDTD) bulunmaktadır.^[5]^[6]

Anten tipleri

Bir mikroşerit devredeki yamalı antenler

İzotropik anten: İzotropik anten, tüm yönlere eşit güçte ışıma yapan varsayımsal bir anten tipidir. İzotropik anten modeli matematiksel hesaplamalarda ve anten performansının (kazanç) incelenmesinde referans olarak kullanılır; bir antenin tam anlamda izotropik ışıma yapması fiziksel olarak mümkün değildir.^[5]
Dipol anten: Dipol anten, en basit ve yaygın anten tiplerindendir. En yaygın konfigürasyonu iki tane eş metal iletkenden oluşur; bu iletkenler ortadaki bir besleme noktası ile sisteme bağlanır. Yarı-dalga dipol anteni yaygın bir tasarımdır; bu tasarımda antenin yaklaşık boyu ışıma rezonans dalga boyunun yarısı kadardır. Basit dipol antenlerin ışıma deseni ideal elektrik dipollere (Hertz dipolü) yakınsar.^[5]
Monopol anten: Monopol antenler tek bir iletken telden oluşur; bu tel topraklanmış bir yüzeyin üstünde bulunur. Bu antenler dipol antenlere benzer bir şekilde dalgaları tümyönlü bir şekilde iletir. Bunun sebebi elektromanyetikteki imaj teorisine göre antenin tabanındaki toplanmış düzlemin teoride anteni "bir dipol antene tamamlamasıdır." Diğer bir deyişle, topraklanmış yüzey bir ayna görevi görerek antenin sanal bir görüntüsünü oluşturur. En yaygın monopol anten tiplerinden biri çeyrek-dalga antenidir.^[2]
Döngü anten: Döngü antenler basit ve ucuz bir anten çeşididir. Genelde bir tarafından iletim hattına bağlanmış dairesel döngülerden oluşurlar. Küçük döngü antenleri dalga boylarından çok daha küçük boyutta olabilir; bu antenler genelde düşük frekanslarda sadece alıcı olarak kullanılır. Döngü antenlerinde telin sargısı arttırılarak ışıma direnci arttırılabilir.^[5]
Yagi anten: Yagi anten, diğer adıyla Yagi-Uda anteni, birden fazla paralel metal çubuktan oluşur. Çubuklardan biri ışımayı gerçekleştiren dipol anten olarak görev yaparken diğerleri de yansıtıcı ve parazitik eleman işlevleri görür. Parazitik elemanlardan yayınım besleme antenindeki dalgaların bu elemanlara eşlenmesi ile gerçekleşir; bu şekilde anten kazancı ve tek yönlülük elde edilebilir. Yagi antenler televizyon yayınlarında sıklıkla kullanılmaktadır.^[5]
Bikonik anten: Bikonik antenler koni şeklindeki iki iletken elemanın bir besleme hattı ile birleştirilmesi ile oluşur. Bu antenler geniş bant aralıklarında çalışabilmektedir.^[5]
Huni anten: Huni antenler, ucu huni şeklinde açılmış dalga kılavuzlarından oluşur. Bu konfigürasyonda kılavuza eşlenmiş radyo dalgaları huni şeklindeki açıklıktan dışarı yayılır. 1800'lü yılların sonlarına doğru icat edilen huni antenler 1930'lardan sonra popülerlik kazanmıştır; basit yapıları ve geniş bant aralıklarında kazançlı bir şekilde çalışabilmeleri nedeniyle Radyo astronomisinde ve telekomünikasyonda besleme anteni olarak sıklıkla kullanılmaktadır.^[5]
Parabolik anten: Parabolik antenlerde parabol şeklinde yansıtıcı bir metal yüzey dalgaları kazançlı bir hüzmenin içine toplamak için kullanılır; bu açıdan merceklerin çalışma prensibine benzerler. Cassegrain yansıtıcıları parabolik eleman olarak sıklıkla kullanılmaktadır. Kepçe ve çanak anten olarak da bilinirler.^[7]
Mikroşerit anteni: Mikroşerit antenleri baskılı devre kartı teknolojisi ile üretilmektedir. Yama anten olarak bilinen bu antenler baskılı devreleri oluşturan substratın üzerine bir dikdörtgen yüzey olarak entegre edilir. Yama antenler ilk kez 1950'lerde bulunsa da, 1979'da kovuk modelinin geliştirilmesi sonrası popülerliğine kavuşmuştur. Günümüzde yama antenlerin bulunduğu mikrodalga devreler cep telefonları başta olmak üzere kablosuz iletişim teknolojisinde sıklıkla kullanılmaktadır.^[6]
Yürüyen dalga anteni: Yürüyen dalga antenleri yayınım yapan iletim hatları olarak tanımlanabilir. Bu konfigürasyonda, bir iletim hattında ilerleyen dalga ilerledikçe hattan sızarak yayılır. Yavaş dalga ve hızlı dalga antenleri başlıca yürüyen dalga antenleridir; ikincisi sızan dalga anteni olarak da bilinir.^[8]
Frekanstan bağımsız antenler: Spiral ve fraktal bazlı anten tasarımları frekanstan bağımsız ışıma elde etmek için kullanılmaktadır. Log-periyodik antenler de bu sınıfa girmektedir.^[5]^[8]
Akıllı anten teknolojileri: Yeni nesil kablosuz iletişim teknolojilerinin ve standartlarının geliştirilmesi farklı koşullara uyum sağlayabilen "akıllı antenlerin" tasarımına önayak olmuştur. Bu antenler özellikle hüzmeleme (beamforming) teknolojileri için önem teşkil etmektedir.^[5]
Metamateryal antenler: Negatif kırınım gibi doğada bulunmayan özelliklere sahip metamalzemeler modern anten tasarımlarında kullanılmaktadır.^[9]

Ayrıca bakınız

Kaynakça

^ Graf, Rudolf F., (Ed.) (1999). "Antenna". Modern Dictionary of Electronics. Newnes. s. 29. ISBN 978-0750698665.
^ ^a ^b ^c ^d Cheng., David K. (2015). Köksal, Adnan; Saka, Birsen (Ed.). Fundamentals of Engineering Electromagnetics [Mühendislik Elektromanyetiğinin Temelleri] (2 bas.). Palme. ISBN 978-975-8982-99-8.
^ Hertz, H. (1889). "[no title cited]". Annalen der Physik und Chemie. 36.
^ Marconi, G. (11 Aralık 1909). "Wireless Telegraphic Communication". Nobel Lecture. 4 Mayıs 2007 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 14 Haziran 2020.
"Physics 1901–1921". Nobel Lectures. Amsterdam: Elsevier Publishing Company. 1967. ss. 196-222, 206.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l Balanis, C. A. (2005). Antenna theory: analysis and design (İngilizce). New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-66782-X.
^ ^a ^b ^c Kinayman, Noyan; Aksun, M. İrşadi (2005). Modern Microwave Circuits (İngilizce). Norwood: Artech House. ss. 141-177. ISBN 9781844073832.
^ Stutzman, Warren L.; Thiele, Gary A. (2012). Antenna theory and design (İngilizce) (3 bas.). US: John Wiley & Sons. ISBN 978-0470576649.
^ ^a ^b Milligan, Thomas A. (2005). Modern antenna design (İngilizce). US: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-45776-3.
^ Caloz, Christophe; Itoh, Tatsuo (2005). Electromagnetic metamaterials: transmission line theory and microwave applications (İngilizce). US: John Wiley & Sons. ISBN 9780471669852.