Döngü anten

Döngü veya çerçeve anten, uçları dengeli bir iletim hattına bağlı olan döngü (veya döngüler) şeklinde bir kablo, boru sistemi veya diğer elektriksel iletkenden oluşan bir radyo antenidir. Fiziksel tanımı içerisinde iki belirgin anten tasarımı vardır: boyutu bir dalga boyundan çok daha küçük olan küçük döngü (veya manyetik döngü) anteni veya çevresi yaklaşık olarak dalga boyuna eşit olan salınım yapan döngü anteni.

Küçük döngüler zayıf bir verimliliğe sahiptir ve çoğunlukla düşük frekanslarda alıcı anten olarak kullanılır. Araba radyoları dışında neredeyse satılan tüm AM radyo yayınları, içerisinde böyle bir antene sahiptir veya direkt olarak kendisine bağlıdır. Bu antenler ayrıca telsizle yön bulmada kullanılır. Amatör radyolarda çerçeve antenler sıklıkla; daha büyük antenlerin zahmetli olduğu, göz zevkini bozduğu ve yasaklı olduğu düşük profil işletimlerinde kullanılır.

Manyetik döngü olarak da bilinen küçük döngü anteni, genellikle bir dalga boyunun onda birinden daha küçük bir çevreye sahiptir. Bu durumda iletken üzerinde nispeten sabit bir akım dağılımı olacaktır. Frekans veya boyut artırıldığında, akımda bir durağan dalga gelişmeye başlar ve anten salınım yapan döngünün özelliklerini kazanmaya başlar (fakat salınım yapmaz). Bu yüzden bu ara durumlar, küçük döngü ve salınım yapan döngü antenleri için geliştirilen aşağıda tanımlanan kavramların kullanımı ile incelenemez.

Salınım yapan döngü antenleri, işlemin dalga boyu kastınca nispeten büyüktür. Bu yüzden, boyutlarının kontrol edilebilir olduğu özellikle VHF ve UHF olmak üzere daha yüksek frekanslarda kullanılır. Farklı şekillere deforme olmuş katlanmış dipol gibi görünebilirler ve yüksek radyasyon verimliliği gibi oldukça benzer karakterlere sahiptir.

Salınım yapan döngü daire şeklinde olabilmesine rağmen, başka kapalı bir şekle bükmek özelliğini çok fazla değiştirmez. Örneğin kablo dizisinin yalıtkanlar arasına yapılı olabilmesi için, salınım yapan döngüden (ve ek olarak parazit unsurlardan) oluşan amatör radyolardaki dörtlü anten kare şeklindedir. Veya katlanmış dipol olarak isimlendirildiğinde döngü kolaylıkça çizgi içine çökebilir. Her iki durumda da, antenin rezonans frekansı, döngünün (çerçeve) çevresi ile belirlenebilir. Diğer yandan, küçük bir döngü anteni boyutuna göre çok fazla düşük frekanslarda kullanılır, radyasyon direnci ve verimliliği döngü tarafından kuşatılan alana ve sarım sayısına bağlıdır. Bu döngü alanı için, iletkenin uzunluğu (ve dolayısıyla direnç kaybı) daire şeklinde iken en aza indirgenir (bu şekil küçük döngüler için en uygunudur.).

Halo anteni yüzeysel olarak benzer bir görünüme sahip olmasına rağmen; beslenme noktasına zıt iletkende bir kırılmaya sahip olduğundan, teknik olarak bir döngü değildir. Özellikleri her iki döngü antenininkinden de farklıdır.

Ayrıca bağlı bobinlerin, LF ve HF (UHF yerine) RFID etiketleri ve okuyucularını içeren indükleyici iletim sistemleri için kullanımı bu başlığın kapsamı dışındadır. Bunlar radyo frekanslarını kullanmasına ve burada tartışılan küçük döngü antenlerinden fiziksel olarak ayırt edilemeyebilen küçük döngülerin (alım satımda genel hatlarıyla ‘antenler’ olarak tanımlanır) kullanımını içermesine rağmen, bu gibi sistemler radyo dalgalarını (elektromanyetik dalgalar) iletmek için tasarlanmamışlardır. Bunlar yalnızca alternatif manyetik alanları içeren sistemlere yakındırlar ve zayıfça birleştirilmiş dönüştürücü sarmallar gibi incelenebilir, bunların performans kriterleri burada tartışılan radyo antenlerinkinden farklıdır.

Küçük döngü antenlerinin tersine, bu tasarım döngünün yüzeyi yönünde (dolayısıyla iki zıt yönde) yayılır. Bu nedenle bu döngüler normal bir şekilde döngünün düzlemiyle birlikte dikey yönde kurulur ve döndürülebilir. Dipol veya katlanmış dipole kıyasla biraz daha yüksek (%10 civarı) bir kazanç vererek, gökyüzüne ve yere karşı daha az iletir. İleri yönlülük, çevresi bir değil de 3 veya 5 dalga boyunda olan döngüler kullanılarak elde edilebilir. Fakat döngülerin diziliş sırasını veya parazit döngü unsurlarını içeren Yogi düzenlemesini kullanarak kazancı artırmak daha yaygındır. İkincisi; dörtlü anten olarak anılan amatör radyolarda (fotoğraftaki), daima katı ‘X’ yapılarının arasındaki kablolarla kurulduğundan kare şeklinde olan döngüler sıklıkla kullanılır.

Böyle antenlerin polarizasyonu (kutuplaşma), döngünün kendisine bakarak kesinleşmez. Beslenme noktasına (iletim hattının bağlandığı) bağlıdır. Eğer dikey olarak konumlandırılan döngü altta beslenirse, yatay olarak kutuplanacaktır. Yanlardan beslemek ise dikey olarak kutuplanmasını sağlayacaktır.

Küçük döngüler boyut olarak dalga boyundan çok daha küçüktür ve temel olarak (fakat daima değil) düşük frekanslarda alıcı anten olarak kullanılır.

Elektriksel olarak, sonlu boyutundan dolayı küçük fakat ihmal edilemez bir radyasyon direncine sahip bir bobin (indüktör) gibi davrandığından, küçük döngü anteni, manyetik döngü (çerçeve) olarak da bilinir. Direkt olarak yakın alanda manyetik alana birleştirilmesi (Hertzian’ın direkt olarak elektrik alana birleştirdiği dipol prensibine zıt) olarak incelenebilir. Bu, Faraday’ın indüksiyon yasası doğrultusunda bir elektrik alana ve uzak alanda tamamen açılmış bir elektromanyetik dalgaya sebep olur. Diğer çoğu anten çeşidinin aksine manyetik alana direkt birleştirilmesinden dolayı, yakın kaynakların elektrik alan parazitlerine karşı nispeten duyarsızdır. Elektriksel parazit döngüye ne kadar yakın olursa olsun, çeyrek dalga boyu kadar uzakta olduğundakinden çok büyük olmayacaktır. AM yayın bandı gibi düşük frekanslarda (küçük döngülerin özellikle bu frekanslarda kullanılır), yakın alan bölgesi fiziksel olarak oldukça büyüktür. Bu yüzden en kayda değer yarar, geniş çevreyi aşan statik üretici cihazlar (bir elektrik motorunun komütatöründeki kıvılcımlanma gibi) konusunda elde edilendir. Aynı prensiple küçük döngü, bir Hertzian dipolünün nispeten duyarsız olduğu yakın alandaki manyetik parazit kaynaklarına özellikle duyarlıdır. Fakat elektrik alanı etkileyen el yapımı parazitler, kıvılcımlanma veya yüksek voltajların corona boşalması tarafından oluşmasına rağmen, radyo frekanslarındaki bu gibi parazit kaynakları genelde zayıftır veya mevcut değillerdir. Her iki durumda da, duyarsızlık yakın alanın dışındaki parazit kaynaklarına genişlemez. Dalga boyu uzakları üzerindeki parazit kaynakları; elektrik veya manyetik alan olarak oluşup oluşmasa da, elektromanyetik dalga olarak (yayılarak) alınır ve bu parazit kaynağı yönünden radyo vericisine duyarlı bir anten tarafından alınır.

Küçük döngü anteni temelde bir bobin olduğundan elektriksel empedansı, indükleyici direnci radyasyon direncinden büyük olan bir indükleyicidir. Bir alıcıya birleştirmek için, indükleyici direnç normal olarak paralel kapasitans ile sadeleşir. İyi bir döngü anteni oldukça yüksek bir Q etmenine sahip olacağından bu kondansatör, istasyonun alıcı olmasına karar verilerek, değişken bir şekilde ve ayrıca ön cephe akort işlevleri olarak yapılır.

Şaşırtıcı bir şekilde küçük döngünün radyasyon modeli, salınım yapan döngününkine oldukça zıttır. Döngü dalga boyundan çok daha küçük olduğundan, the current is constant round the circumference. Simetriden dolayı, sinyal döngü ekseni üzerine ulaştığında, döngü kenarları boyunca indüklenen voltajların birbirini sadeleştirdiği görülebilir. Bu nedenle bu yönde bir sıfırlama vardır. Bunun yerine radyasyon modeli, döngü yüzeyince uzanan yönde pik yapar, çünkü bu yüzeydeki kaynaklardan alınan sinyaller döngünün yakın ve uzak tarafındaki dalganın varışı arasındaki faz farkından dolayı pek fazla iptal etmez. Döngünün boyutunu artırarak bu faz farkını artırmak, artan radyasyon direnci ve sonucundaki anten verimliliğinde büyük bir etkiye sahiptir.

Buna bakmanın bir başka yolu; küçük döngü antenini basitçe, Amper yasasına göre bobin yüzeyi yönündeki manyetik alanla eşleşen bir indükleyici bobin olarak incelemektir. Boş alandaki bir elektromanyetik dalganın manyetik (ve elektrik) alanı çapraz olduğundan (yayılma yönünde bileşeni yoktur), manyetik alan ve küçük döngü anteninin ortogonal (dik açılı) ve dolayısıyla ayrık olacağı görülebilir. Aynı sebeple, döngünün düzleminde yayılan bir elektromanyetik dalga bu düzlem üzerindeki manyetik alanı ile birlikte, bobinin manyetik alanı ile birleştirilir. Yayılan elektromanyetik dalganın çapraz manyetik ve elektrik alanları dik açılı olduğundan, böyle bir dalganın elektrik alanı döngünün düzlemindedir ve dolayısıyla antenin polarizasyonunun (daima elektrik alan ile belirlenir, manyetik alan ile değil) bu düzlemde olduğu söylenir. Bu yüzden döngüyü yatay düzlemde kurmak, yatay olarak kutuplanmış bir tümyönlü anten üretir; dikey düzlemde kurmak dikey kutuplanmış bir zayıf yönlendirici anten üretir.

Küçük döngünün radyasyon direnci (RR); döngüyü kapsayan, zayıf anten verimine yol açan iletkenler dolayısıyla, sıklıkla kayıp dirençten (RL) çok daha küçüktür. Sonuç olarak aktarılan ve alınan gücün çoğu, kayıp dirençte harcanır. Fakat alıcı antende bu verimsizlik, atmosferik parazit ve el yapımı parazit daha düşük frekanslardaki termik (Johnson) parazite hükmettiğinden büyük bir endişe yaratmayabilir. (CCIR 258; CCIR 322). Örneğin 1 MHz’de, el yapımı parazit, termik parazit katının altında 55 dB olabilir. Eğer bir küçük döngü anteninin kaybı 50 dB ise (gerçekte anten 50 dB bir zayıflatıcı içermekte), bu antenin elektriksel verimsizliğinin, alıcı sistemlerinin sinyallerinin parazite oranı üzerinde ufak bir etkisi vardır. Aksine, daha sakin VHF frekanslarında, 50 dB kayıplı bir anten çok kötü bir performansla sonuçlanarak, alınan sinyal parazit oranını 50 dB’ye kadar indirgeyebilirdi. Kayıplar, örümcek ağı veya basket winding yapısı ya da litz teli kullanımıyla en aza indirgenebilir.

AM yayın radyoları (ve düşük frekanslarda kullanılan diğer bazı alıcılar) genelde küçük döngü antenlerini kullanırlar; döngüye çapraz bağlanan değişken bir kondansatör, radyonun girdi bölümünü akort eden bir akortlu devre oluşturur. Çok-bantlı bir alıcı, döngü antenini farklı geniş frekanslarda akort etmek için, döngü sarımı boyunca bağlantı uçları içerebilir. Daha eski (ve fiziksel olarak daha büyük) AM radyoları, radyonun arka tarafında bir döngüde düzinelerce kablo sarımından oluşabilir (çerçeve anten). Bugünkü radyolarda, döngü anteni bir ferrit çubuk üzerinde sarılıdır; ferrit çubuk fiziksel olarak küçük antenlerin etkili geniş anten alanlarına sahip olmasına olanak tanır. Sonuçta oluşan bobin ve mihver borusu; ferrit çubuk anten, ferrit hava anteni veya ferrit anten olarak adlandırılır.

Küçük döngü antenleri kayıplı ve verimsizdir fakat orta dalga bantları (520 – 1610 kHz) ve aşağısında kullanışlı alıcı antenleri yapabilirler; anten verimsizliği büyük miktarda atmosferik parazit tarafından maskelenmiştir. Döngü antenleri, yüzey etkisi kayıplarını azaltmak için sıklıkla litz kablosu ile sarılır.

Küçük döngü antenleri, bölgesel olarak oluşturulmuş (yakın alan içerisinde) elektriksel parazitlere büyük ölçüde duyarsızdır çünkü öncelikle manyetik alanı hissederler. Döngü antenleri ayrıca telsizle yön bulma (RDF, radio direction-finding) uygulamalarında da kullanılır. Bazı RDF birimleri; manyetik alanı hissetmek için döngü antenlerini, elektrik alanı hissetmek için ise dipolü çalıştırır. Bu iki anten, RDF biriminin kesin bir yön belirlemesine olanak tanır.

Küçük döngüler, küçük radyasyon direnci ve sonucundaki elektriksel verimsizliklerinden dolayı, çok nadiren verici anten olarak kullanılırlar. Küçük döngü antenleri bazen, salınım yapan antenin kullanışlılık için çok büyük olduğu uygulamalarda kullanılır. Dalga boyundan çok küçük olan herhangi bir anten verimsizliğe uğradığından, döngü en kötü seçenek olmayabilir. Verimlilik, bilinen uygulamada (dalga boyunun 1/10undan daha büyük çevrelerle) döngüyü mümkün olduğu kadar büyüterek (alıcı için kullanılanına kıyasla) kuvvetlendirilebilir. Tamamıyla döngünün çevresi boyunca fazda olan akımların varsayımı bozulduğundan dolayı, çok küçük olmayan bu döngünün artırılmış boyutu, radyasyon modelini değiştirir. Verimlilik, döngünün geometrisini büyütmeye ek olarak, kayıp direnci azaltmak için daha büyük kondansatörlerin kullanılmasıyla da artırılabilir.

Küçük döngüler klasik çubuk antenlerin aksine enerjiyi yukarı doğru yöneltebildiklerinden dolayı, 3 – 7 MHz arasındaki frekanslarda kara mobil radyolarında kullanılır. Bu, dağlık bölgelerde 300 km yüksekliğe kadar NVIS (Near Vertical Incidence Skywave) iletişimine olanak sağlar. Bu durumda, 100 watt üreten bir verici kullanıldığında, yayılan gücün %1’inin veya daha azının kullanılmasıyla sinyal yörüngesi saptanabildiğinden; %1 civarındaki tipik radyo verimliliği kabul edilebilir. Askeri kullanımda anten elemanları 2 – 3 inçlik bir çapa sahiptir.

Verici anten olarak küçük döngülerle ilgili bir kullanışlı konu; döngünün üstünden geçen büyük bir akıma sahip olmasıyla birlikte ayrıca, uçlarında yüksek voltaja sahip olmasıdır (verici gücün yalnızca birkaç watt kadarıyla beslendiğinde kilovoltlar değerindedir). Bu; oldukça pahalı ve fiziksel olarak büyük, rezonans üreten, en az dielektrik kaybına sahip olmasıyla birlikte büyük bozunma gerilimli bir kondansatör gerektirir (normal olarak hava boşluklu kondansatör gerektirir).

Küçük döngüye çapraz oluşturulan empedans paralel bir kondansatörle ayarlandığında, herhangi bir anten tasarımında olduğu gibi, verim geçişi genellikle ek bir empedans eşleşmesi gerektirir. Diğer yaygın empedans eşleşmelerine ek olarak bu; geçiş hattını, döngü anteninin 1/8 ile 1/5 aralığı boyutundaki daha küçük bir besleme döngüsüne bağlayarak da başarılabilir. Güç, indükleyici bir şekilde, kendisi rezonans üreten kondansatöre bağlanmış olan ve gücün çoğunu yaymaktan sorumlu olan ana döngüye birleştirilir.

Küçük döngü antenlerinin yönsel tepkisi, döngü düzlemi yönünde keskin boşluklar içerdiğinden; daha uzun dalga boylarında telsizle yön bulmada kullanılır. Döngü, boşluğun yönünü bulabilmek için döndürülür. Boşluk iki zıt yönde meydana geldiğinden, diğer araç vericinin hangi boşluk üzerinde olduğunu belirlemek için kullanılmalıdır. Diğer yöntem, ikinci konuma yerleştirilen ikinci döngü antenine itibar etmek veya alıcıyı bu diğer konuma doğru hareket ettirmek; dolayısıyla üçgenleştirmeye güvenmektir.