Anten Çoklayıcı İçin Empedans Uyumlayıcı

“Uzun zamandır nasıl yaparım da çatıdaki YAGI antenlerimi birleştirebilirim, hatta yeni YAGI’ler eklerim de antenlerimin performansını artırırım?” diye araştırma yapıyordum. Bir anten birleştiricisi (antenna combiner) yapmam gerekiyordu ama o kadar değişik yazılar okumuştum ki kafam karmakarışık olmuştu; yok efendim antenlerin empedansı şu ise, yok efendim şu kabloyu kullanıyorsak, 90 derece faz kaydıracak isek şöyle olacak…vesaire, vesaire… Bu projem öyle aklımın bir köşesinde durup duruyordu, bir türlü de gidip malzeme alıp başlayamamıştım.

Tahir Bey (TA2T) geçen yıl “bu iş nasıl yapılır?” diye sormuş ve bir sohbete tutuşmuştuk, nasip bu haftasonuna imiş, baktım elinde alüminyum profiller ve bakır borularla çıkagelmiş. Artık kaçacak yer yoktu, başarısızlık korkutuyordu ama en az bir kere de denemek gerekiyordu.

Önce biraz işin teorisini okuduk, hatırladık…

Amaç: Elimizde 2 (veya 4) tane birbirine özdeş anten var. Örneğin 2 tane 14dBi kazançlı nefis YAGI antenlerimiz var, biz bunları birleştirip aynı yöne doğrultup birkaç desibellik daha kazanç elde etmek istiyoruz. Bu durumda bir anten birleştirici kullanmamız gerekeceği kaçınılmaz, direkt birbirine bağlasak olmaz… Ne yapmalı o zaman?

Problem: Telsiz veya alıcımızın anten çıkış empedansı 50 Ohm’dur, normal şartlar altında 50 Ohm iletim hattı ve 50 Ohm anten kullanırız. Böylece hiçbir geçiş noktası arasında empedans farkı olmadığı için geri yansıma da olmaz.

Eğer antenlerimiz 50 Ohm değil de 100 Ohm olsaydı, işimiz çok kolay olacaktı. Bunları bir konnektörde birleştirerek paralel hale getirecek olsaydık; 100 Ohm ile 100 Ohm paralel direnç, eşdeğer direncimiz 50Ohm, direk 50 Ohm iletim hattı ile sistemimize bağlayabilirdik.

Ama ne yazık ki bizim antenlerimiz 100 Ohm değil, 50 Ohm, parelel bağlarsak 25 Ohm olur. O zaman 25Ohm’u 50 Ohm’a uyumlaştıran bir ara bağlantı elemanı kullanmalıyız. Buna çeyrek dalga empedans uyumlama transformatörü (lambda/4 impedance matching transformer) deniliyor.

Çözüm: Burada yükümüz 2 tane özdeş 50 Ohm anten ve bunlardan aynı uzunlukta iletim hattı (koaksiyel)’den oluşmaktadır. Yani cihazımız 50 Ohm, iletim hattımız 50 Ohm, antenimiz 2 tane paralel 50Ohm, kısacası 25 Ohm.  Uyumlama yapmamız gereken nokta iletim hattımız ile antenlerin birleşim noktasıdır. Bu iş için kulanacağımız formül ise şu şekilde;

Bu hesabı yapacak olursak arada kullanmamız gereken çeyrek dalga uyumlayıcının empedansını  35.355Ohm olarak hesaplarız. Aslında elimizde bu empedansta kablomuz var olsa işimiz çok kolay; bu kablonun bir ucuna telsizden gelen 50 Ohm iletim hattını karşılayacak bir konnektör bağlarız, diğer ucuna ise antenlerimizden gelen iletim hatlarını bağlayacağımız birbirine paralel iki konnektör lehimleriz, bu da tüm problemimizi çözmüş olur. Ama ne yazık ki böyle bir kablo bulmak kolay değil, problemimizin karmaşıklığına göre bazen ihtiyacımız çok değişik değerlerdeki empedanslara sahip kablolar olabilir, üstelik kablo kullanmamız durumunda bir de velosite faktörü gibi bir değişken daha işin içine girecek ve bizi iyice zorlayacak.

Gelin şimdi de istediğimiz empedansta iletim hattı yapalım

İletim hattı, örneğin koaksiyel kablo, temel olarak içinden bir parça iletken geçen, dışını işe biz başka iletkenin çepeçevre kapladığı bir yapıdır.

Fabrikasyon üretimlerde bu iki iletken birbirine dokunmasın diye, dielektik iletkenliği Er ile gösterebileceğimiz, bir köpük ya da yalıtkan ile birbirinden eşit mesafede tutulurlar. Çünkü bu mesafe ve kullanılan malzeme kablonun empedansını direkt olarak belirleyen etkenlerdir.

Peki ama biz nasıl bir koaksiyel kablo yapacağız ?

Öncelikle problemi basitleştirelim, dielektik katsayısı belirli bir malzeme aramak yerine boşluk/hava kullanalım, çünkü biliyoruz ki havanın dielektik sabiti 1.

Bu durumda yukarıdaki koaksiyel kablomuzun yerine iç içe geçmiş iki tane boru kullanabiliriz, hatta işimizi kolaylaştırmak ve uçlarına konnektör monte edebilmeyi kolaylaştırabilmek için dışardaki kısmını yuvarlak değil de kare aluminyum profilden içindeki iletkeni ise bakır borudan yapalım.

Bu durumda bu malzememizin empedansı;

İhtiyacımız olan empedans değeri 35.354 Ohm, buna göre piyasadan bulabileceğimiz “D” ve “d” değerlerini hesaplayacak olursak, piyasada bulunabilecek birkaç değer için aşağıdaki gibi bir tablo yapabiliriz;

Elimizdeki malzeme çeyrek dalga boyunda olacağına göre şimdi bir de uzunluğumuzu hesaplamamız gerekiyor, biz şimdi bunu VHF’de uydu çalışmak için yapıyoruz, öyleyse merkez frekansımızı 145.900 MHz. olarak seçelim;

λ = Işık Hızı (C) /  Frekans (F) = 300000000 / 145900000 = 2,056
λ / 4 = 51,4 cm = 514 mm

Takacağımız konnektörlerin birbirlerine mesafesi 51,4 cm olmalıdır. Dışardaki alüminyum üzerine konnektörlerimizi ve su girmesin diye takacağımız plastik tıpaları da hesaba katarak profilimizi 54 cm keselim. Bakınız aşağıdaki resim ?

Sonra konnektörlerimizin deliklerini açalım;

Konnektörlerimizi takıp ortasındaki bakır boruyu lehimleyelim;

İşte size 35.45 Ohm empedansına sahip bir iletim hattı. İyi ama içimizde yine  “acaba tüm hesaplar ve ölçüler doğru mu, nasıl test edebiliriz ?” şüphesi mevcut.

Nasıl test edebiliriz?

Amacımız 2 tane 50 Ohm anteni bu yaptığımız uyumlayıcıya bağlayarak bunu telsizimize bağlamak, ve telsiz tarafından sisteme bakıldığında geri dönen sinyal (duran dalga, SWR) görmemek. Öyle ise aşağıdaki gibi bir test  ile başlayabiliriz, telsizimizi girişe takıyoruz, çıkışlara ise 50 Ohm luk suni yükler takıyoruz (benim elimde 1 tane küçük 1 tane büyük suni yük olduğu için, küçük olanı direkt konnektöre taktım, büyük olana ise sarı koaksiyel kablo –50 Ohm- ile bağlantı yaptım, ideal deney ortamı iki özdeş minik suni yük ile deney yapmak olurdu).

Telsizimizden gönderme yaptığımızda giden ve dönen güçleri okursak, çok çok düşük bir dönen güç görüyoruz, 2.1 Watt (2100 miliWatt) gönderiyoruz ve sadece 100 miliWatt güç geri gönüyor. Bu kadarı bile süper, çünkü biz sistemi yaparken hem malzemede bir iki milimlik kalınlık hataları yapmıştık, hem de borularımız biraz eğri büğrü idi. Üstelik deliklerini de birkaç milim hatalı delmiştik. Buna rağmen sonuç süper sayılabilecek bir sonuçtu.

Tehlikenin boyutunu görmek için SWR’mizi hesaplayalım;

SWR = (Giden Güç + Dönen Güç) / (Giden Güç – Dönen Güç)

SWR = 2200 / 2000 = 1.1

1.1 SWR oldukça iyi bir değer. Eğer daha düzgün bir imalat yaparsak SWR’mizi 1’e çok daha fazla yaklaştırabiliriz.

Peki şimdi bu bölücü/birleştirici nasıl çalışacak?

Teorik olarak benim telsizden gönderdiğim 2 Watt gücün (aslında 2.1 Watt ama 0.1 Watt’ı empedans uyumsuzluğundan geri gönüyor) yarını bir çıkışa, diğer yarısını ise diğer çıkışa gönderiyor olmalı. Bunu test etmek için Wattmetremizi sırasıyla çıkış uçlarına bağlayalım ve sonucu görelim;

Sonuç oldukça heyecanlandırıcı, her iki çıkışta da 1 Watt güç okuyoruz. Şimdi sıra daha özenle yapılmış bir UHF bölücü yapıp durumu ve sonucu bir de onda gözlemek. Yapacak olan arkadaşlara başarılar dilerim, benim çok korktuğum bu empedans uyumlama konusunun bu kadar kolay aşılabileceğini görmek açıkçası beni de oldukça şaşırttı.

Başka nasıl olabilirdi?

Bu yazıda anlattığım empedans uyumlama çalışması temel olarak 50 ile 25 Ohm arasında uyumlama yapan çeyrek dalga boyundaki 35.45 Ohm’luk empedans uyumlayıcıydı. Aslında aynı problemi farklı şekilde de çözebilirdik. Örnek olarak aşağıdaki çizime bir göz atalım;

Bu çizimde telsiz iletim hattına giden noktayı düşünecek olursak, bu noktada sağlı sollu iki ayrı empedansı paralel yapıp 50 Ohm elde etmemiz gerekiyor. Öyle ise basit bir direnç hesabı ile, soldaki direncin 100Ohm, sağdaki direncin (empedansın) da 100 Ohm olması durumunda bileşkeleri tam konnektör özerinde 50 Ohm olacaktı. O zaman problemimiz, ucundan bakıldığında 100 Ohm olarak görünen, diğer ucunda ise 50 Ohm empedans olan 2 tane çeyrek dalga empedans uyumlayıcı yapmak. Formüllerimiz madem aynı, hesaplayalım öyleyse;

Aslında 70,7 Ohm kablo bulmak zor ama 75 Ohm kablo -uydu anten kablosu, RG-6, vb.- kolay. Hesap yapacak olursanız, empedans uyumsuzluğunun da ihmal edebileceğiniz seviyede (SWR <1.5) olduğunu göreceksiniz. Bu durumda aşağıdaki seçeneklerden biri ile uyumlama yapabilirsiniz;

1. İki tane çeyrek dalga boyunda 75 Ohm kablonun ucuna birer konnektör takıp bunları ortada bir konnektörde birleştirebilirsiniz.

2. Yukarıdaki hesapları kullanarak bu kez 70,7 Ohmluk kendi iletim hattınızı imal edebilir ve aşağıdaki şekildeki gibi başlayabilirsiniz.

Sonsöz

Benim için oldukça karmaşık olan bu empedans uyumlama problemini bu şekilde bir pratik  deneyimle çözmüş olmak, bu problemi korkulur olmaktan çıkardı. Artık istediğim empedansı istediğim empedansa uyumlayabilirim, umarım bu yazıdan sonra sizler de basit bir deneme ile bunu yapmış olursunuz. Mutlu DX’ler.