KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ

ELEKTRONİK VE HABAERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ

DERSİN ADI:MİKRODALGA MÜHENDİSLİĞİ

DERSİ VEREN ÖĞRETİM ÜYESİ: Yard. Doç. Dr. Arif DOLMA

ÖĞRENCİLER:Erdinç Kayacık(080208029),Şuayip Aşuk(080208036)

KONU:İLETİM HATALARININ EM ALAN ANALİZİ

GİRİŞ

İletim hatları elektromanyetik alan analizi başlığı altında işlediğimiz sunumuzda,İletim hatları şebekelerinden daha çok,mikrodalga ile ilgili ve küçük boyutlarda olan yapılar üstünden açıklamalarda bulunduk.Ayrıca etkileşim analizlerini inceleyen metodlar üstünde yoğunlaştık.

Veri İletimi İçin Kullanılan Ortamlar

Veri iletimi için pek çok ortam kullanılır. Bu ortamları, bakır tel, cam lifler, hava olaraksıralayabiliriz. Bakır teller kullandığımızda veri elektrik akımı kullanarak, cam lifler üzerinde ışık yardımı ile, hava da ise radio dalgaları, mikrodalga ya da kızılötesi ışınlar ile aktarılır. Doğal olarak, her ortamda o ortamın özelliklerine uygun bir kodlama yapılması gerekir.

• LF-low frequency (düşük frekans)

• MF-medium frequency (orta frekans)

• HF-high frequency (yüksek frekans)

• VHF-very high frequency (çok yüksek frekans)

• UHF-ultra high frequency (ultra yüksek frekans)

• SHF-super high frequency (super yüksek frekans)

• EHF-extremely high frequency (aşırı yüksek frekans)

• THF-tremendously high frequency (muazzam yüksek frekans)

Boşlukta tüm elektromanyetik dalgalar, frekanslarında bağımsız olarak, aynı hızda ilerler. Bu hız ışık hızı olarak adlandırılır ve 3x108 m/sn’dir. Işık hızı bir üst limittir. Hiçbir sinyal bundan daha hızlı gidemez. Bakırda ve camda yayılma hızı bunun 2/3’üne düşer ve frekansa bağımlı hale gelir. Frekans (f), dalga boyu (λ) ve boşluktaki ışık hızı (c) arasındaki ilişki:

f λ = c şeklinde ifade edilir.

Düşük frekanslarda bir elektrik devresinde, direnç,indüktans ve elektriksel bileşenlerin fiziksel boyutu gibi parametreler devre analizinde hiçbir rol oynamaz .Ancak frekans arttıkça, bileşenlerin boyutunu önemli hale gelir, ki bu deyişle, boşluk devrenin performansında önemli bir rol oynamaya başlar. Voltaj ve akım dalga biçiminde mevcuttur.Basit bir tel bağlantısı bile devrenin davranışını değiştirebilir.Bir iletim hattının temel amacı diğer bir konumdan verimli elektromanyetik enerjiyi taşımak olsa da, yüksek frekans devre tasarımında geniş bir uygulama alanı vardır.Frekans arttıkça, devre yolundaki herhangi bir süreksizlik, elektromanyetik radyasyona yol açar. Ayrıca yüksek frekanslarda, sinyaller ve transit süre göz ardı edilemez. Veri hızlarındaki biraz bozulma, sinyalde yansıma, yüksek hızlı iletişim ağları içinde hayati bir rol oynamaktadır.

Enerji iletim hatları, yüksek gerilim ve üzerinde taşıdıkları akımlar nedeniyle çevrelerinde çok düşük frekanslı (ELF) elektromanyetik alanlar meydana getirmektedir. Bilim adamları, bu alanların insanlar üzerindeki etkilerini uzun süredir merak etmiş ve birçok araştırmalar yapmışlardır. Bununla birlikte araştırmalar sonucu, henüz kesin sonuçlara varılamadığından açık ve net kurallar ortaya konamamıştır. Yapılan tüm araştırma ve incelemeler ışığında, Dünya Sağlık Örgütü ELF manyetik alanları olası kanserojen sınıfına sokmuştur.

ENERJİ İLETİM HATTI ÇEVRESİNDEKİ ELEKTROMANYETİK ALANIN MODELLENMESİ

Enerji iletim hattı çevresinde ölçülen elektrik ve manyetik alan değerleri

*Ölçümün yapıldığı koşul ve zamandaki akım

Değerlerine,

*Hattın gerilim düzeyine, hattın yüksekliğine,

sehimine, arazi koşullarına, iletken cinsine,

*Her fazdaki iletken sayısına vb. etmenlere bağlı

olarak değişim gösterirler

Bir enerji iletim hattı kurulmadan önce, o hattın planlanan akım ve gerilim değerlerine, kendinin ve bulunduğu ortamın fiziksel özelliklerine ve tasarım değerlerine göre ve arzu edilen değişik koşullar için elektrik alanı ve manyetik alanının belirlenmesi, belli bir hata payıyla (kullanılan verilerin ve modelin kalitesine göre değişen), matematiksel modeller kullanılarak mümkün olabilmektedir

Dünyada değişik konulardaki binlerce modelleme çalışması göstermiştir ki, en iyi model bile gerçek durumu birebir temsil edemez ve kestiremez.

Bu nedenle, modelleme sonuçlarında belli bir hata payı olabilmektedir.

İletim hatlarının etrafındaki manyetik alan Biot Savart kanununa göre kolaylıkla belirlenebilir.

ULUSLARARASI STANDARTLAR VE REFERANS DEĞERLER

Ülkemizde enerji iletim hatlarından kaynaklı elektrik ve manyetik alanlara ilişkin özel bir standart bulunmamakta olup, şehir şebekesi frekansını da içine alan düşük frekanslar için “İnsanların Elektromanyetik Alanlara Maruz Kalması- Düşük Frekanslar (0 Hz – 10 kHz)” isimli bir TSE standardı bulunmaktadır. Bu standart içinde, çeşitli frekanslardan kaynaklı elektromanyetik alanlar için “referans değer”ler verilmektedir . Bunlara ek olarak, elektromanyetik alanları referans almayan, yüksek gerilim hatlarına güvenli yaklaşımın sağlanabilmesi için, 30 Kasım 2000 tarih ve 24246 sayılı Resmi Gazetede yayımlanarak yürürlüğe giren "Elektrik Kuvvetli Akım Tesisleri Yönetmeliği”nde emniyetli yaklaşım mesafe değerleri

tanımlanmıştır. Bu yönetmeliğin 46. Maddesinde yer alan yatay ve düşey mesafeler baz alınmak kaydı ile hattın tesisine izin verilmektedir

Enerji İletim Hatlarının Oluşturduğu EM alan

Hat tarafından üretilen gerçek alanlar birçok etkene bağlıdır.Bu etkenler; /devreden geçen akım ve gerilim/iletim hattına olan uzaklık/zeminden olan uzaklık/ ve /iletim sisteminde kullanılan çift devrelerin fazlarının manyetik alana etkisi/ şeklindedir.Şekilde tipik bir havai iletim hattı tarafından üretilen manyetik alan ve elektrik alan çizgileri görülmektedir.Enerji iletim hatları için EM alanı tespit etmenin en sağlıklı yolu ölçümler yapmaktadır ve bunun için en sağlıklı yöntemler genelde matematiksel yöntemlerdir pratikte alın an ölçümler teorikten farklı çıkabilmektedir keza günümüzde kullanılan bilgisayar teknolojileri sayesinde tam sonuca yakın değerler bulunabilmektedir

İKİ BOYUTLU TLM (İletim Hattı Matris Modeli)

TLM elektromagnetik problemleri çözmek için alan teorisi ile devre teorisi arasındaki analojiden yararlanan bir sayısal çözümleme metodudur.Bu sistem Maxwell denklemleri ile iletim hattındaki akım ve gerilim arasındaki eşdeğerler üzerine kurulmuştur.Asıl amaç ise elektromagnetik problemleri simule etmektir.Bunuda sayısal yöntemlerden yararlanarak sağlarız.Çünkü elektromagnetik dalgaları göremediğimiz ve etkilerini hissedemediğmiz için simülasyon tekniklerini kullanmak zorundayızdır.

TLM metodu elle çözülemeyecek kadar zor olan işlemleri bilgisayar ortamına aktararak çözer.Bu metodun ana özelliği uygulamadaki formülasyon ve programların kolaylığıdır.

Genelde alan problemlerinin geliştirilmesi için kullanılan numerik tekniğin frekans spektrumu 3 tane sıra vardır.

Cihazın dalga boyu ve yaklaşık boyutta ℓ’siyle bunlar sıralanır

İki boyutlu TLM modeli

SAYISAL YÖNTEMLER

• İletim Hattı Matris Modeli(TLM)

• Zaman Domeninde Sonlu Farklar Metodu(FDTD)

(FDTD:Maxwell denklemlerinin doğrudan zaman domenin de ayrıklaştırılıp çözülmesidir)

• İntegral Denklem Metodu(IE)

• Parabolik Denklem Metodu(PE)

• Moment Metodu(MoM)

• Spektral Domen Metodu(SDM)

TLM YÖNTEMİ (İletim Hattı Matris Modeli)

İletim hattı matis modeli(transmsision line matrix) veya transmisson line modelling method olarakta bilinir.İletim hattı modeli P.B Johns tarafından 1970 yılında geliştirilmiştir. Bu yöntem alan teorisi-devre teorisi eşdeğerliğine dayanır. İletim hattı modellemesi yapıyı birim hücrelere böler ve her hücre

ayrı ayrı çözülerek yapı modellemesi yapılır .Bağımsız değişken olarak akım ve gerilim kullanılır.Hücreler , Kirchoff ‘un gerilim ve akım yasasına göre akım ve gerilim değerleri hesaplanarak giriş gerilimi ile çıkış gerilimi arasında ilişki kurulur.Her hücre zaman domeninde dalga iletimi giden ve yansıyan gerilimlerle temsil edilir.

TLM yöntemi FDTD deki gibi Maxwell denkelemleri ile ilgilenir. (H)Yapıyı birim hücrelere böler ve birim hücreler üzerinden sistem bütünlüğüne gider.Birim hücreler elektriksel devre olarak düşünülür ve elektriksel devre çözümü ile ilgilenir.TLM yöntemi SDM ,MoM yöntemlerindeki gibi ön matematiksel işlem gerektirmeden doğrudan sisteme uygulanabilir.Zaman domeninde işlem yapıldığı için doğrudan sistem cevabı elde edilir. İletim hattı modellemesinde eşdeğer devre kurulamamasından dolayı bilgisayar modellemesi için uygun bir yöntemdir.TLM yönteminin sayılan bu avantajları nedeniyle TLM yöntemi üzerinde çalışılmış ve iki boyutlu yapıların analizi gerçekleştirilmiştir.

FDTD ile TLM yöntemlerinin her ikiside aynı sorunla ilgilenirler ve bulunan çözümlerde sonuçlar yaklaşık aynı çıkar.Sadece bakış açıları değişiktir.FDTD yöntemi ile bulunan sonuçlar elle çözülme imkanı vardır..Fakat TLM yönteminde çıkan differansiyel denkelemlerin elle çözülmesi imkansızdır.Bu nedenle 1980 yıllarından sonra gelişen bilgisayar teknolojisiyle TLM yötemiyle ilgilenilmiş ve gelişmeler kaydedilmiştir.

TLM (İLETİM HATTI MODELLEMESİ)

TLM yönteminin temel prensipleri aynı kalmakla birlikte, iletim hatlarının değişik kombinasyonları sonucu oluşan farklı tipleri bulunmaktadır.

• Genişletilmiş Düğüm (Expanded Node) ,EN

• Asimetrik Sıkıştırılmış Düğüm (Asymmetrical Condensed Node) ,ASCN

• Simetrik Sıkıştırılmış Düğüm (Symmetrical Condensed Node),SCN

Fakat bu kombinasyonlardan genelde SCN-TLM yöntemi en çok kullanılan kombinasyondur.

Koaksiyel Kablo EM Alan Etkileşimi

Koaksiyel kablo da çift burgulu kablolar gibi, kullanımı kolay ve yapay gürültü etkilerini azaltan bir kablo çeşidi olup yüksek frekanslı sinyalleri taşımak için tasarlanmıştır. Koaksiyel kabloların ortasında bulunan bakır iletken bir yalıtım katmanıyla çevrelenmiştir. Bu katmanın üzerinde ise koruyucu görev yapan örgü şeklinde bakır veya alüminyum bir kabuk kaplama vardır. Merkezdeki iletken dışarıdan karışan parazit sinyallerden örgü biçimindeki dış iletken aracılığı ile korunur. Ayrıca elektromanyetik radyasyonun bir sonucu olarak ortaya çıkan kayıplar azaldığından, çift burgulu kabloya göre daha güvenilirdir. Koaksiyel kablo üzerinden standart radyo frekans sinyal iletiminin standart elektronik devrelerle bütünleştirilmesi basittir ve oldukça kısa mesafeler ve düşük veri hızlarında idealdir. Birkaç yüz metre uzaklıktan 10 Mb/s ‘lık veri rahatlıkla iletilebilir. Veriyi elektrik sinyalleri olarak iletir ve veri hızı 200 Mb/s’a çıkarılabilir. 1 Gb/s üzerindeki hızlarda ise zayıflama artmaktadır. Bu yöntem, geniş band genişliğindeki iletim için pratik değildir.

Koaksiyel Kablo

FiberOptik Kablolar

Fiber optik kablolar veri ve ses iletimi için en ideal kablo türüdür. Yapısına göre, cam fiberler, plastik kaplı silisyum fiberler ve plastik fiberler olmak üzere üçe ayrılır. Veri iletimi açısından en iyi performansı gösteren cam fiberlerdir. Fiber optik kabloların bakıra göre birçok avantajları vardır. Fiber optik kablolar bakır koaksiyel kablolardan daha fazla iletim kapasitesine sahip olmasının yanında ağırlıkları da düşük (daha ince) ve daha az yer kaplamaktadırlar. Ayrıca elektromanyetik etkilerden etkilenmezler ve sinyal kaçakları da meydana gelmediğinden oldukça güvenilirdir. Optik frekanslardaki taşıyıcı sinyal frekansı yüksek olduğundan fiberlerin kullanılabilirband genişliği oldukça yüksektir (25 Thz (terahertz)). Fiber optik kabloların diğer iletişim ortamlarından en

önemli farkı, ses, veri ve görüntü iletişimindeki

yüksek hızdır. Böylece büyük miktardaki verileri

daha hızlı ve daha uzak mesafelere taşırlar

FiberOptik Kablo

İletim Hatlarında Yayılma Modları

İletim hatları yayılma modları açısından; enine elektromanyetik iletim hattı (TEM*) ve yüksek mertebe iletim hattı olmak üzere iki tip altında incelenebilir:

Şekilde enine elektromanyetik iletim hattı gösterilmektedir

Enine Elektromanyetik İletim Hattı

Bu hatlarda yayılan dalgalar elektrik ve manyetik alanlarla karakterize edilir ve yayılma doğrultusuna diktirler. Buna TEM modu denir. Buna en güzel örnek koaksiyel hat verilebilir.

Koaksiyel hatta elektrik alan çizgileri iç ve dış iletken arasında radyal yöndedir, manyetik alan çizgileri ise iç iletken etrafında dairesel halkalar şeklindedir, böylece ne elektrik alan ne de manyetik alan hat uzunluğu boyunca (dalganın yayılma doğrultusu) her hangi bir bileşene sahip değildir. İki telli ve paralel plaka iletim hatları da yaklaşık olarak TEM modunda sayılmaktadır. Çünkü enine olmayan bileşenlerin miktarı enine (dik) bileşenlerle karşılaştırıldığında fark çok büyüktür. TEM hatlarının ortak özelliği bunların iki paralel iletken yüzeyden oluşması olarak düşünülebilir

Yüksek mertebe iletim hattı

Bu hatlarda yayılan dalgalar yayılma doğrultusunda baskın olarak en az bir olan bileşene sahiptir. Oyuk iletken dalga kılavuzları dielektrik çubuklar ve optik fiberler bu sınıfa dahildir. Sadece TEM moduna değin mek yeterli olacaktır. Bunun sebebi hem TEM matematik açıdan kolay hem de çok kullanılmakta olmasıdır. TEM dalgalarını ve hatlarını incelemeye başlamadan önce iletim hattınıtoplu öğeli devre modeline göre temsil edilmesini inceleyelim. Daha sonra Kirşof voltaj ve akım yasaları uygulanarak hat için geçerli denklemler elde edilecektir. Bu denklemlere aynı zamanda telgrafçı denklemleri de denir. Bu denklemleri birleştirerek hat üzerinde her hangi bir noktada voltaj ve akım için dalga denklemleri elde edilir. Bu denklemlerin çözümleri bir çok pratik problemin çözümünde kullanılan formüllere önayak olmuş olacaktır. Yine bu konu ile ilgili olarak Smith abağı kullanılarak bir çok iletim hattı problemi kompleks sayıları da içeren hesaplamalar yapmadan çözülmüş olacaktır.

Kaynaklar

İlhan KOŞALAY

TRT Bilgi Teknolojileri Dairesi Bşk., Enerji Sis. Müdürlüğü, C-412, TRT Sitesi, Oran, ANKARA

ilhan.kosalay@trt.net.tr

Yrd.Doç.Dr S.DEMİREL YTÜ

Mikrodalga tekniği ders notları

SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

50Hz İLETİM HATLARINDA HAT OPTİMİZASYONU Tezi

Ruslan ABDULLAH

Danışman: Prof. Dr. Mustafa MERDAN