#11 İki elemanlı dizinin yol ve besleme fazı, dizi çarpanı, örüntü çarpımı, elektronik hüzme yönlendirme, broadside ve endfire koşulları

Aşağıda defterde yazılan bütün satırlar ve bunlara eşlik eden sesli anlatımın tam metni bulunur.

1. 1. Birden fazla anten elemanının sağladığı serbestliği gör

   

   Şimdiye kadar incelediğimiz her anten tekil bir elemandı.

   Tekil bir dipol sabit bir simit şeklinde ışıma yapar.

   Enerjiyi başka yöne göndermenin tek yolu anteni fiziksel olarak döndürmektir.

   Bir anten dizisi (antenna array) bu sorunu çözer: birçok özdeş elemanı bir sıraya yerleştirir ve kontrollü faz kaydırmalarıyla besler.

   Elemanlar arasındaki aralık ve fazlama yeni bir serbestlik derecesi yaratır ve birleşik hüzmenin donanımı oynatmadan istenen yöne bakmasını sağlar.

   Sesli anlatım metni

   Şimdiye kadar incelediğimiz her anten tekil bir elemandı. Tekil bir dipol sabit bir simit şeklinde ışıma yapar. Enerjiyi başka yöne göndermenin tek yolu anteni fiziksel olarak döndürmektir. Bir anten dizisi (antenna array) bu sorunu çözer: birçok özdeş elemanı bir sıraya yerleştirir ve kontrollü faz kaydırmalarıyla besler. Elemanlar arasındaki aralık ve fazlama yeni bir serbestlik derecesi yaratır ve birleşik hüzmenin donanımı oynatmadan istenen yöne bakmasını sağlar.

2. 2. İki elemanlı dizide yol ve besleme fazını kur

   

   En basit diziyle başlayalım: z ekseni boyunca d mesafede ayrılmış iki özdeş kaynak.

   İkisi de aynı eleman örüntüsünü ışır, ancak her birinden gelen sinyal uzak alan gözlemcisine biraz farklı bir yoldan ulaşır.

   Yol farkı θ açısına ve d aralığına bağlıdır.

   Bir de iki besleme arasına kasıtlı bir faz kayması β eklersek, gözlemcideki toplam alan iki fazörün toplamıdır: biri her elemandan, geometrik yol farkı ve kasıtlı besleme fazıyla kaydırılmış.

   Sesli anlatım metni

   En basit diziyle başlayalım: z ekseni boyunca d mesafede ayrılmış iki özdeş kaynak. İkisi de aynı eleman örüntüsünü ışır, ancak her birinden gelen sinyal uzak alan gözlemcisine biraz farklı bir yoldan ulaşır. Yol farkı theta açısına ve d aralığına bağlıdır. Bir de iki besleme arasına kasıtlı bir faz kayması beta eklersek, gözlemcideki toplam alan iki fazörün toplamıdır: biri her elemandan, geometrik yol farkı ve kasıtlı besleme fazıyla kaydırılmış.

3. 3. AF=2cos(ψ/2) dizi çarpanını çıkar

   

   Bu iki fazörün toplamını yazdığımızda dikkat çekici bir çarpanlara ayırma ortaya çıkar.

   Toplam alan, tek bir elemanın ışımasını gösteren eleman örüntüsü çarpı dizi çarpanı (array factor) adlı yeni bir çoğaltıcıya ayrılır.

   İki eleman için dizi çarpanı 2cos(ψ/2)'dir.

   Toplam faz farkı ψ, kd cosθ + β'ya eşittir; burada kd cosθ geometrik kısım, β ise besleme ofseti.

   Bu ayrışma, örüntü çarpma ilkesidir: toplam örüntü eşittir eleman örüntüsü çarpı dizi çarpanı.

   Sesli anlatım metni

   Bu iki fazörün toplamını yazdığımızda dikkat çekici bir çarpanlara ayırma ortaya çıkar. Toplam alan, tek bir elemanın ışımasını gösteren eleman örüntüsü çarpı dizi çarpanı (array factor) adlı yeni bir çoğaltıcıya ayrılır. İki eleman için dizi çarpanı toplam faz farkının yarısının kosinüsünün iki katıdır. Toplam faz farkı psi, k d kosinüs theta artı beta'ya eşittir; burada k d kosinüs theta geometrik kısım, beta ise besleme ofseti. Bu ayrışma, örüntü çarpma ilkesidir: toplam örüntü eşittir eleman örüntüsü çarpı dizi çarpanı.

4. 4. Toplam örüntüyü eleman örüntüsü × dizi çarpanı olarak kur

   

   Örüntü çarpması, elemanı ve diziyi bağımsız tasarlayabileceğiniz anlamına gelir.

   Eleman örüntüsü zarfı belirler; yani her antenin tek başına üreteceği geniş şekli.

   Dizi çarpanı ise bu zarfın içine daha dar loblar oyar.

   Eleman broadside'da sıfırsa, hiçbir dizi çarpanı orada hüzme oluşturamaz.

   Dizi çarpanı bir yönde sıfırsa, eleman örüntüsü güçlü olsa bile toplam örüntüde de orada sıfır olur.

   Son örüntü her açıda ikisinin çarpımıdır.

   Sesli anlatım metni

   Örüntü çarpması, elemanı ve diziyi bağımsız tasarlayabileceğiniz anlamına gelir. Eleman örüntüsü zarfı belirler; yani her antenin tek başına üreteceği geniş şekli. Dizi çarpanı ise bu zarfın içine daha dar loblar oyar. Eleman broadside'da sıfırsa, hiçbir dizi çarpanı orada hüzme oluşturamaz. Dizi çarpanı bir yönde sıfırsa, eleman örüntüsü güçlü olsa bile toplam örüntüde de orada sıfır olur. Son örüntü her açıda ikisinin çarpımıdır.

5. 5. β fazını değiştirerek hüzmeyi elektronik yönlendir

   

   Bu çarpanlara ayırmanın gücü hüzme yönlendirmedir.

   Beta sıfır olduğunda her iki eleman aynı fazda ışır ve dizi çarpanı yan tarafta maksimuma ulaşır.

   Beta'yı artırdıkça dizi çarpanının tepe noktası yan taraftan uzaklaşır.

   Hüzme donanımı oynatmadan uç yöne doğru eğilir.

   Fazlı dizi radarları ve modern 5G baz istasyonları tam olarak böyle çalışır: elektronik faz kaydırıcılar mekanik dönüşün yerini alır ve hüzmenin açılar arasında mikrosaniyeler içinde taramasını sağlar.

   Sesli anlatım metni

   Bu çarpanlara ayırmanın gücü hüzme yönlendirmedir. Beta sıfır olduğunda her iki eleman aynı fazda ışır ve dizi çarpanı yan tarafta maksimuma ulaşır. Beta'yı artırdıkça dizi çarpanının tepe noktası yan taraftan uzaklaşır. Hüzme donanımı oynatmadan uç yöne doğru eğilir. Fazlı dizi radarları ve modern beş G baz istasyonları tam olarak böyle çalışır: elektronik faz kaydırıcılar mekanik dönüşün yerini alır ve hüzmenin açılar arasında mikrosaniyeler içinde taramasını sağlar.

6. 6. Broadside ve endfire faz koşullarını karşılaştır

   

   İki klasik yapılandırma kendi adlarını hak eder.

   Yan yön dizisi (broadside array) β=0 kullanır; böylece maksimum ışıma dizi eksenine dik yöndedir.

   Antenin önündeki geniş bir alanı aydınlatmak istediğinizde doğal tercih budur.

   Uç yön dizisi (endfire array) ise β=−kd kullanır; bu maksimumu dizi ekseni boyunca, düz ileriye kaydırır.

   Tek bir ileri yönde dar bir hüzme gerektiğinde endfire kullanışlıdır.

   Diğer her yönlendirme açısı bu iki uç arasında bir β değeridir.

   Sesli anlatım metni

   İki klasik yapılandırma kendi adlarını hak eder. Yan yön dizisi (broadside array) beta eşittir sıfır kullanır; böylece maksimum ışıma dizi eksenine dik yöndedir. Antenin önündeki geniş bir alanı aydınlatmak istediğinizde doğal tercih budur. Uç yön dizisi (endfire array) ise beta eşittir eksi k d kullanır; bu maksimumu dizi ekseni boyunca, düz ileriye kaydırır. Tek bir ileri yönde dar bir hüzme gerektiğinde endfire kullanışlıdır. Diğer her yönlendirme açısı bu iki uç arasında bir beta değeridir.

7. 7. Anten dizilerinin üç temel fikrini özetle

   

   Anten dizileri üç temel fikir sunar.

   Birincisi, birden çok eleman, eleman örüntüsünü çarpan bir dizi çarpanı oluşturur.

   İkincisi, dizi çarpanı aralık d ve beslemeler arasındaki faz kayması β'ya bağlıdır.

   Üçüncüsü, β'yı değiştirmek hüzmeyi elektronik olarak yönlendirir; yan yönden herhangi bir ara açı üzerinden uç yöne kadar.

   Bu, her modern fazlı dizi sisteminin temelidir.

   Sesli anlatım metni

   Anten dizileri üç temel fikir sunar. Birincisi, birden çok eleman, eleman örüntüsünü çarpan bir dizi çarpanı oluşturur. İkincisi, dizi çarpanı aralık d ve beslemeler arasındaki faz kayması beta'ya bağlıdır. Üçüncüsü, beta'yı değiştirmek hüzmeyi elektronik olarak yönlendirir; yan yönden herhangi bir ara açı üzerinden uç yöne kadar. Bu, her modern fazlı dizi sisteminin temelidir.

8. 8. İki elemandan N elemanlı diziye hazırlan

   

   Dizi çarpanını iki eleman için türettik, ancak gerçek sistemler onlarca veya yüzlerce eleman kullanır.

   Aynı mantığı N elemana genişletmek, dizi büyüdükçe hüzmenin nasıl daraldığını ve yan lobların nasıl ortaya çıktığını gösterecek.

   Bu N elemanlı genelleme bir sonraki adımdır.

   Sesli anlatım metni

   Dizi çarpanını iki eleman için türettik, ancak gerçek sistemler onlarca veya yüzlerce eleman kullanır. Aynı mantığı N elemana genişletmek, dizi büyüdükçe hüzmenin nasıl daraldığını ve yan lobların nasıl ortaya çıktığını gösterecek. Bu N elemanlı genelleme bir sonraki adımdır.

Kaynak video: Anten Teorisi #11 | Anten Dizileri ve Dizi Çarpanı | Desen Çarpımı (4:11)