http___radartutorial.de_06.antennas_Oluklu_20I_C5_9F_C4_B1y_C4_B1c_C4_B1lar.tr.html_2.xml
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.1 7.1 8.1 8.2 9.1 10.1 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 13.1 14.1 15.1 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 16.11 16.12 16.13 16.14 16.15 17.1 18.1 19.1 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 26.2 26.3 26.4 26.5 26.6 26.7 26.8 27.1 27.2 27.3 27.4 27.5 27.6 27.7 27.8
Slot Antenna Figure 1: The length of a slot determines the resonant frequency, the width of the slit determines the broad bandwidth of the slot radiator. Figure 1: The length of a slot determines the resonant frequency, the width of the slit determines the broad bandwidth of the slot radiator. Slot Antenna Slot radiators or slot antennas are antennas that are used in the frequency range from about 300 MHz to 25 GHz. They are often used in navigation radar usually as an array fed by a waveguide. But also older large phased array antennas used the principle because the slot radiators are a very inexpensive way for frequency scanning arrays. Slot antennas are an about λ/2 elongated slot, cut in a conductive plate (Consider an infinite conducting sheet), and excited in the center. This slot behaves according to Babinet's principle as resonant radiator. Jacques Babinet (1794 - 1872) was a French physicist and mathematician, formulated the theorem that similar diffraction patterns are produced by two complementary screens (Babinet's principle). This principle relates the radiated fields and impedance of an aperture or slot antenna to that of the field of a dipole antenna. The polarization of a slot antenna is linear. The fields of the slot antenna are almost the same as the dipole antenna, but the field’s components are interchanged: a vertical slot has got an horizontal electric field; and the vertical dipole has got a vertical electrical field. The impedance of the slot antenna (Zs) is related to the impedance of its complementary dipole antenna (Zd) by the relation: It follows for Zs = 485 Ω. The band width of a narrow rectangular slot is equal to that of the related dipole, and is equal to half the bandwidth of a cylindrical dipole with a diameter equal to the slot width. Figure 2 shows slot antennas different from the rectangular shape that increasing the bandwidth of the slot antenna. Figure 2: Various broadband slot antenna. Figure 2: Various broadband slot antenna. Although the theory requires an infinite spread conductive surface, the deviation from the theoretical value is small when the surface is greater than the square of the wavelength. The feeding of the slot antenna can be done with ordinary two-wire line. The impedance is dependent on the feeding point, as in a dipole. The value of 485 Ω applies only to a feeding point at the center. A shift of the feed point from the center to the edge steadily decreases the impedance. The application of slot antennas can be versatile. They can replace dipoles e.g. if it is required a polarization perpendicular to the longitudinal extension of the radiator. If a dipole is used for feeding of a parabolic antenna to generate a vertically orientated but horizontally polarized fan beam, then this dipole must be orientated horizontally. This would mean that the edge surfaces of the parabolic reflector will not be sufficiently illuminated, but a lot of energy above and below the reflector would be lost. In addition, the length of the dipole is extended in a plane, in which is demanding a point like source of radiation for the focus of the parabolic reflector. If this dipole is replaced by a slot antenna, in this case don't appear these disadvantages. Slots in waveguides Figure 3: Various slot arrangements in a waveguide. Figure 3: Various slot arrangements in a waveguide. Slot antennas in waveguides provide an economical way of the design of antenna arrays. The position, shape and orientation of the slots will determine how (or if) they radiate. Figure 3 shows a rectangular waveguide with a drawn with red lines snapshot of the schematic current distribution in the waveguide walls. If slots are cut into the walls, so the current flow is affected more or less depending on the location of the slot. If the slots are sufficiently narrow so the slots B and C (Fig. 3) have little influence on the current distribution. These two slots radiate not (or very little). The slots A and D represent barriers to the current flow. Thus, this current flow acts as an excitation system for the slot, this one acts as radiator. Since the wave in the waveguide moves forward, these drawn lines migrate in the direction of propagation. The slot gets one always alternating voltage potential at its slot edges (depending on the frequency in the waveguide). The power that the slot radiates can be altered by moving the slots closer or farther from the edge. The slots A and D (as drawn in Figure 3) have the strongest coupling to the RF energy transported in the waveguide. In order to reduce this coupling, for example the slot A could be moved closer to one of the shorter waveguide walls. Rotating of the slots would have a the same effect (an angle between the orientations of A and B or C and D). The coupling of this rotated slot ist a factor of about sin2 of the rotating angle θ. Slotted Waveguide Antennas Figure 4: Basic geometry of a slotted waveguide antenna (The slot radiators are on the wider wall of the rectangular waveguide.) Figure 4: Basic geometry of a slotted waveguide antenna (The slot radiators are on the wider wall of the rectangular waveguide.) Several slot radiators in a waveguide form a group antenna. The waveguide is used as the transmission line to feed the elements. In order for radiate in the correct phase, all single slots must be cutted in the distance of the wavelength, that is valid for the interior of the waveguide. This wavelength differs from the wavelength in free space and is a function of the wider side a of a rectangular waveguide. Usually this wavelength is calculated for the TE₁₀ mode by: a = length of the wider side of the rectangular waveguides λh = “guided” wavelength (within the waveguide) λ = wavelength in free space (2) Figure 5: Basic geometry of a slotted waveguide antenna with rotated slot antennas on the narrower wall. Figure 5: Basic geometry of a slotted waveguide antenna with rotated slot antennas on the narrower wall. The wavelength within the waveguide is longer than in free space. The distance of the slot radiators in the group is set at this wavelength to a value that is slightly larger than the wavelength λ in the free space. The number and the size of the side lobes is affected so unfavorably. The slots are often attached to the left and right eccentrically (with reduced coupling). If mounted on the narrow side of the waveguide, it may happen that the length for the resonant slot radiator is shorter than the wall. In this case, the slot can be also guided around the corners, it then lies also slightly on the A-side of the waveguide. In practice, these slots are all covered with a thin insulating material (for the protection of the interior) of the waveguide. This material may not be hygroscopic and must be protected from weather conditions. A single narrow slot radiator can also work on frequencies ±5 … ±10% besides its resonance frequency. For array antennas, this is not possible so easily. Such a group antenna is fixed strongly to a single frequency, which is determined by the spacing of exactly λh, and for which the antenna has been optimized. If the frequency is changed, then these distances not correct, the performance of the antenna decreases. The phase difference arising between the antenna elements are added to the whole length of the antenna to values that can no longer be tolerated. This antenna begins to “squint”, that is, the antenna pattern points in a different direction from the optical center axis. This effect can also be exploited to achieve an electronic pivoting of the antenna beam as a function of change of the transmission frequency.
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 32.1
Yarıklı Işıyıcılar sistemi Resim 1: Bir yarığın uzunluğu yarıklı ışıyıcının tınlaşım frekansını, eni ise bant genişliğini belirler. 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:: 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.