Cep telefonu ışımasının kullanıcı yönünde ekranlama yöntemiyle zayıflatılması

Tam metin

(1)1. T.C SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ. CEP TELEFONU IŞIMASININ KULLANICI YÖNÜNDE EKRANLAMA YÖNTEMİYLE ZAYIFLATILMASI. Levent SEYFİ YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK- ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Konya, 2006.

(2) 2. T.C SELÇUK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ. CEP TELEFONU IŞIMASININ KULLANICI YÖNÜNDE EKRANLAMA YÖNTEMİYLE ZAYIFLATILMASI. Levent SEYFİ. YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK- ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİMDALI. Bu tez 16/01/2006 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oybirliği / oyçokluğu ile kabul edilmiştir.. Prof.Dr. Mehmet BAYRAK (Üye). Yrd.Doç.Dr. Abdullah ÜRKMEZ (Üye). Yrd.Doç.Dr. Ercan YALDIZ (Danışman).

(3) i. ÖZET. Yüksek Lisans Tezi. CEP TELEFONU IŞIMASININ KULLANICI YÖNÜNDE EKRANLAMA YÖNTEMİYLE ZAYIFLATILMASI. Levent SEYFİ Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı. Danışman : Yrd.Doç.Dr. Ercan YALDIZ. 2006, 114 Sayfa. Jüri : Prof.Dr. Mehmet BAYRAK Yrd.Doç.Dr. Abdullah ÜRKMEZ Yrd.Doç.Dr. Ercan YALDIZ. Bu tez çalışmasında cep telefonu kullanımının insan sağlığına zarar riskini azaltmak için telefondan yayılan elektromanyetik dalgaların kullanıcı yönünde ekranlanması incelenmiştir. Bu amaçla iki boyutlu FDTD yöntemi ile bilgisayarda elektromanyetik dalga yayılması benzetimi yapılmıştır. Benzetimler için Matlab programlama dili kullanılarak kullanıcı arayüzlü bir program geliştirilmiştir. 900 MHz ve 1800 MHz bandında bilgisayarda yapılan benzetimlerde ve deneysel ölçümlerde uygulamada çok kullanılan ve maliyeti düşük olan iyi iletkenlerden alüminyum ve bakır plakalar ekran olarak kullanılmıştır. Yapılan.

(4) ii. benzetim çalışmaları sonucunda elektromanyetik ışımanın kullanıcı yönünde mesafeye ve ekran boyutuna bağlı olarak zayıfladığı gözlenmiştir. Pratikteki ölçüm sonuçları cep telefonu ışımasının ekranlanması halinde özel olarak hazırlanan yansımasız odalarda elde edilen ölçüm sonuçlarından farklı değerler verdiğini ve değişik faktörlere bağlı olarak da ışımanın azaltılmasının her zaman düzenli olmadığını göstermiştir. Bu durum, bilgisayar kullanarak benzetim yapılırken cep telefonunun çıkış gücü sabit tutulurken pratikte iyi iletkenler yardımı ile yapılan ekranlama etkisi nedeniyle gücün cep telefonu tarafından artırılabilmesi özelliğine bağlanabilir.. Anahtar Kelimeler: Cep telefonu ışıması, sayısal analiz, FDTD, ekranlama..

(5) iii. ABSTRACT M.S. Thesis. ATTENUATION OF MOBILE PHONE RADIATION USING SHIELDING METHOD TOWARDS THE USER. Levent SEYFİ. Selçuk University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Assist.Prof.Dr. Ercan YALDIZ 2006, 114 Pages Jury: Prof.Dr. Mehmet BAYRAK Assist.Prof.Dr. Abdullah ÜRKMEZ Assist.Prof.Dr. Ercan YALDIZ. In this study, shielding of electromagnetic waves radiated from mobile phones towards the users has been studied to take precautions for the health problems. For this purpose, computer simulations of electromagnetic wave radiation have been conducted using 2D-FDTD method. Then a program with user interface for the simulations has been developed via using Matlab programming language. In order to verify the accuracy of the numerical results, practical measurements have also been conducted for shielding mobile phone radiation. As a good shielding conductor for both the practical and numerical measurements, aluminum and copper plates have been chosen. The measurements have been undertaken at 900 and 1800 MHz respectively. As a result of the implemented simulations, it has been observed that electromagnetic waves radiated from mobile phone have been attenuated greatly.

(6) iv. depending upon the distance and shield cross sectional areas. However, it has been seen that the experimental results were not quite agreed with those of the results obtained elsewhere using the specific anechoic chambers. The reason for obtaining the differing results may be attributed directly to the increase of the output power of the mobile phone when shielded.. Key words: Radiation of mobile phone, numerical computations, FDTD, shielding..

(7) v. TEŞEKKÜR. Bu çalışmamda emeği geçen başta danışmanım Yrd.Doç.Dr. Ercan YALDIZ’a olmak üzere, Prof.Dr. Mehmet BAYRAK’a, yardımlarını esirgemeyen Öğr.Gör.Dr. Sinan GULTEKİN’e, Arş. Gör. Sabri ALTUNKAYA’ya, Arş. Gör. Bayram AKDEMİR’e, Arş. Gör. Afşin KULAKSIZ’a, Arş. Gör. Seral ŞAHAN’a, teknisyen Erdoğan SAZAN’a ve diğer öğretim elemanı arkadaşlarıma, çalışmalarıma zaman ayırabilmem için her an desteğini aldığım kardeşime ve hiçbir zaman manevi desteklerinden yoksun kalmadığım aileme en içten teşekkürlerimi sunuyorum..

(8) vi. İÇİNDEKİLER ÖZET……………………………………………………………………................ i ABSTRACT………………………………………………………………………. iii TEŞEKKÜR……………………………………………………………………….. v İÇİNDEKİLER……………………………………………………………………. vi SEMBOLLER ve KISALTMALAR…………………………………………….. viii 1 GİRİŞ…………………………………………………………………………… 1 2 KAYNAK ARAŞTIRMASI……………………………………………………. 5 3 ELEKTROMANYETİK IŞIMADA BAZI TEMEL KAVRAMLAR ….……… 8 3.1 Elektriksel uzunluk ………………………………………………..……… 8 3.2 Elektrik Alan…………...…………………………………………………. 9 3.3 Manyetik Alan..…..………………………………………………………. 10 3.4 Maxwell Denklemleri Ve Deplasman Akımı.…………………………….. 12 3.5 Elektromanyetik Işıma……………………………………………………. 13 3.6 Elektromanyetik Ekranlama…………………………………………….... 21. 3.7 Antenler…………………………………………………………………… 30 3.7.1 Cep telefonlarında kullanılan antenler……………………………….. 35 4 ELEKTROMANYETİK DALGANIN SAYISAL ANALİZİ…………………. 41 4.1 Zamanda Sonlu Farklar (FDTD) Yöntemi………………………………... 43 4.2 FDTD Yöntemi İçin Maxwell Denklemleri………………………………. 45 4.2.1 Üç boyutlu formülasyon …….……………………………………….. 46 4.2.2 İki boyutlu formülasyon ……………………………………………... 46 4.2.3 Bir boyutlu formülasyon ……..……………………………………... 48 4.3 Sonlu Farklar ve Yee Algoritması…………………………………………. 49 4.4 Hücre Boyutu, Sayısal Kararlılık ve Dağılma (Dispersion)………………. 58 4.5 Yutucu Sınır Koşulları (ABC)…………………………………………….. 62 4.6 FDTD Bilgisayar Algoritması……………………………………………... 66 4.7 Kaynak Seçimi…………………………………………………………….. 68 5 ELEKTROMANYETİK DALGANIN EKRANLANMASININ FDTD YÖNTEMİ İLE ANALİZİ ……………………………………………………. 70 5.1 MATLAB Yazılımı Kullanılarak Gerçekleştirilen Program……………… 70 5.2 Ekranın Elektriksel Özelliklerinin Etkisi………....………………………. 76 5.3 Ekranın Boyutunun Etkisi..……………………………………..…………. 81.

(9) vii. 5.4 Ekran Konumunun Etkisi………………………………………………….. 86 5.5 Benzetim Sonuçlarının Değerlendirilmesi………………………………… 91 6 CEP TELEFONU IŞIMASININ KULLANICI YÖNÜNDE EKRANLANMASI İÇİN DENEY ÇALIŞMASI.............................................. 93 6.1 Ölçüm İçin Tercih Edilen Ortam………………………………………….. 93 6.2 Kullanılan Ölçü Aleti ve Cep Telefonunun Seçimi…..…………………... 93 6.3 Ekranlayıcı Malzemelerin Seçimi…………………………………………. 95 6.4 Ölçümlerin Gerçekleştirilmesi……………………………………………. 96 6.5 Ölçüm Sonuçları…………………………………………………………... 98 6.6 Ölçüm Sonuçlarının Değerlendirilmesi…………..………………………... 99 7 SONUÇLAR ve ÖNERİLER………………………………………………….. 101 7.1 Sonuçlar…………………………………………………………………… 101 7.2 Öneriler……………………………………………………………………. 103 8 KAYNAKLAR…………………………………………………………………. 104 EK-1: NARDA EMR 300 RADYASYON-METRE ve ALGILAYICI ÖZELLİKLERİ……………………………………………………………. 108.

(10) viii. SEMBOLLER γ α β D E H B Em Eo ρ ρ´ ε μ σ εr μr εo μo εc σ* f w u S T c Pd J JM w n δ tanδ Pt Pr Gt Gr F Δt Δx. :Yayılma sabiti :Zayıflama sabiti :Faz sabiti :Elektrik akı yoğunluğu :Elektrik alan şiddeti :Manyetik alan şiddeti :Manyetik akı yoğunluğu :Ortamdaki elektrik alan şiddeti :Boşluktaki elektrik alan şiddeti :Elektrik yükü yoğunluğu :Eşdeğer manyetik direnci :Dielektrik sabiti :Manyetik geçirgenlik :İletkenlik :Bağıl dielektrik sabiti :Bağıl manyetik geçirgenlik :Boşluğun dielektrik sabiti, 8.8542*10–12 F/m :Boşluğun manyetik geçirgenliği, 4π*10–7 H/m :Kompleks bağıl elektrik geçirgenlik :Manyetik iletkenlik :Frekans :Açısal frekans :Dalga hızı :Kaynak (Source) :İletilen güç :Işık hızı, 3x108 m/s :Poynting vektörü (güç yoğunluğu) :Eşdeğer elektrik akım yoğunluğu :Eşdeğer manyetik akım yoğunluğu :Açısal frekans :Kırınım indisi :Deri kalınlığı, dalma derinliği :Kayıp tanjantı :Verici gücü (Transmitting power) :Alıcı gücü (Receiving power) :Verici anten kazancı :Alıcı anten kazancı :Düzeltme çarpanı, yayılma çarpanı :Birim zaman adımı :Birim konum adımı.

(11) ix. KISALTMALAR. ABC FDTD GUI ICNIRP IEEE PDE PML RCS SAR SE TE TEM TM WHO. :Yutucu sınır koşulları (Absorbing Boundary Conditions) :Zamanda sonlu farklar (Finite Difference Time Domain) :Kullanıcı arayüzü (Graphical User Interface) :International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection :The Institute of Electrical and Electronics Engineers :Kısmi türev denklemleri (Partial Differential Equation) :Mükemmel uyumlu tabaka (Perfectly Matched Layer) :Radar kesiti (Radar Cross Section) :Özgül soğurma oranı (Specific Absorbtion Rate) :Ekranlama etkinliği (Shielding Effectiveness) :Enine elektrik (Transverse Electric) :Enine elektromanyetik (Transverse Electromagnetic) :Enine manyetik (Transverse Magnetic) :Dünya Sağlık Örgütü (World Health Organization).

(12) 1. 1. GİRİŞ. Cep telefonları, kablosuz haberleşmeyi gerçekleştirmek için elektromanyetik dalgaları yayan cihazlardır. Kablosuz haberleşme ilk defa 1896’da Guglielmo Marconi tarafından 10 mil uzaklıktaki bir noktaya bilgi sinyalinin iletilmesi sağlanarak gerçekleştirilmiştir. Marconi, 1901 yılında da Atlantik okyanusu üzerinden bilgi sinyalini göndererek ismini tarihe yazdırmayı başarmıştır (Schmith 2002). Tarihi gelişimi Marconi’nin uygulamalarıyla başlayan kablosuz haberleşme yaklaşık olarak bir asırlık gelişimi sonrasında bir çok alanda etkin bir şekilde kullanılmaktadır. Bunlar radyo-TV yayınları, uydu yayınları, telsiz haberleşme, kablosuz internet ve cep telefonlarıdır. Cep telefonları tüm dünyada kullanabilecek bir alt yapı ile 1991 yılında kullanıcılara satışa sunulmuştur. O günden beri cep telefonu kullananların sayısı büyük bir hızla artmaktadır. Kablosuz haberleşmenin yaygınlaşması ile birlikte elektromanyetik dalgaların insan sağlığına etkileri araştırılmaya başlanmıştır. Dünya sağlık örgütü (WHO) elektromanyetik dalgaların ve cep telefonunun sağlığa olası zararları hakkında çalışmalar yapılmasını organize etmiş ve sonuçlarını duyurmuştur. Özellikle cep telefonunun sürekli olarak kullanıcının üzerinde taşınması ve konuşma esnasında başa yakın tutulması sebebiyle, bu araştırmalar cep telefonunun kullanımı üzerine yoğunlaşmıştır. Cep telefonları, veri iletimini sağlayabilmek için harici veya dahili antenleri üzerinden elektromanyetik dalga yayarlar. Bu dalganın şiddeti, telefon bekleme konumundayken düşük düzeylerde olmasına karşın arama yapılırken veya arama geldiğinde maksimum seviyeye çıkmaktadır. Yapılan çalışmalar sonucunda RF frekans aralığı iyonlaşma yapmayan frekanslarda olduğu için doğrudan insan hücrelerini iyonlaştırıp biyolojik dokuya zarar verebilecek bir etki oluşturmayacağı belirtilmiştir. Ülkemizde kullanılan cep telefonu servis sağlayıcıları 900 MHz frekansında çalışan Turkcell, Telsim ve 1800 MHz frekansında çalışan Avea olmak üzere iki.

(13) 2. farklı frekansta çalışmaktadır. Elektromanyetik dalganın insan vücudunu etkileme oranı frekansına bağlı olarak değişiklik göstermekte; 900 MHz’te kullanılan cep telefonları 1800 MHz’te kullanılanlara göre vücut üzerinde daha fazla etki yapmaktadır. Şu ana kadar yapılan araştırmalar neticesinde cep telefonu kullanımının insan sağlığı açısından tehlike oluşturduğu yönünde herhangi bir bulguya ulaşılamamıştır. Fakat bu cep telefonu kullanmanın sağlığa hiçbir zararı olmadığı anlamına gelmemektedir. Cep telefonu kullanımının etkilerinin önümüzdeki senelerde. ortaya. çıkma. olasılığı. mevcuttur.. Bu. yüzden. maruz. kalınan. elektromanyetik dalga şiddeti için her bir frekansa karşılık sınır değerler tespit edilmiştir. Sınır değerler her ülkenin yetkili kurumları tarafından belirlenmektedir. Dolayısıyla bazı ülkeler daha fazla hassasiyet göstererek diğer ülkelerinkinden daha düşük değerleri sınır değerler olarak kabul etmişlerdir. Ülkeler arasında farklılık gösterebilen bu değerler genel halkın girebildiği kontrolsüz bölgeler için ve sadece mesleki işçilerin bulunduğu kontrollü bölgeler için ayrı ayrı tespit edilmiştir. Sınır değerlerin halk için ve işçiler için farklı olmasının sebebi halkın konu hakkında bilgisiz olacaklarından gerekli koruyucu tedbirlerden habersiz olabilmeleridir. Kontrolsüz bölgede sınır değerler daha düşük seviyede tutulmuştur. Türkiye’de uyulması gereken sınır değerler Telekomünikasyon Kurumu tarafından ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) verileri esas alınarak kontrolsüz bölgede 900 MHz frekansında elektrik alan için 41.25 V/m, 1800 MHz frekansında 58.34 V/m olarak belirlenmiştir. Sınır değerler belirlenirken özgül soğurma oranı (SAR) değerleri dikkate alınmıştır. Özgül soğurma oranı vücudun elektromanyetik dalgayı soğurma oranıdır. Şimdiye kadar yapılan çalışmalarda insan vücudunun bir derecelik sıcaklık artışını düzenleyemediği ve sorunlar meydana getirdiğini göstermektedir. İnsan vücudunda bir derecelik sıcaklık artışı için bir kilogram başına 4W güç soğurması gerekmektedir. İnsanların genel yaşam alanlarında bu değerin 1/50’si olan 0.08W/kg SAR sınır değeri olarak kabul edilmiştir. Özgül soğurma oranının doğrudan ölçülmesi. hemen. belirlenmesinde. hemen. kolay. olanaksızdır.. ölçülebilen. Bundan. ve/veya. dolayı,. sınır. gözlemlenebilen. değerlerin parametreler. kullanılmaktadır. Bu parametreler, elektrik alan şiddeti, manyetik alan şiddeti ve güç yoğunluğudur..

(14) 3. Cep telefonları, yaydığı elektromanyetik dalga şiddeti sınır değerlerin altında olacak şekilde üretilmektedir. Bu yüzden üretici firmalar cep telefonundan yayılan ışımanın kullanıcıya zararı olmayacağı görüşündedirler. Fakat gün içerisinde cep telefonunun çok yoğun olarak kullanıldığı düşünülürse bu konuda daha hassas tedbirli olmak gerekmektedir. Teorik veya pratik olarak cep telefonu kullanıcısını elektromanyetik alandan tamamen izole etmek mümkün değildir, fakat iletken ekran kullanılarak kısmen de olsa konuşma esnasında cep telefonu kullanıcısının beynine gelen ışımayı azaltmak teorik olarak mümkündür. Bu yüksek lisans tez çalışmasında FDTD yöntemi kullanılarak Matlab programlama. dilinde. elektromanyetik. geliştirilecek. dalganın. program. ekranlanma. ile. cep telefonundan. analizinin. bilgisayar. yayılan. ortamında. gerçekleştirilmesi ve gerçekleştirilen benzetimler sonucunda elde edilen veriler esas alınarak farklı iletken malzemeler ile ekranlama çalışmasının uygulamalı olarak gerçekleştirilmesi hedeflenmiştir. Bölüm 2’de elektromanyetik dalgaların ekranlanması ve cep telefonlarından kullanıcı yönünde yayılan elektromanyetik dalgaların ekranlanması konusunda yapılan çalışmalardan bahsedilmiştir. Bölüm 3’te elektromanyetik dalgalar konusunda teorik bilgilere yer verildi. Burada elektromanyetik dalgaların oluşturulmasını, boşlukta ve diğer ortamlarda yayılmasını ve alıcı antenler tarafından alınmasını açıklayan formüller ve ekranlama konusunda temel kavramlar bulunmaktadır. Bölüm. 4’te. elektromanyetik. dalgaların. sayısal. analizinde. kullanılan. yöntemlerden FDTD yönteminin teorisi anlatılmaktadır. Burada 1 boyutlu, 2 boyutlu ve 3 boyutlu FDTD yönteminin formülasyonunun Maxwell denklemlerinden türetilmesine, bu yöntemin doğru sonuçlar verebilmesi için uyulması gereken sayısal kararlılık ve dağılma gibi ölçütlere ve yutucu sınır koşullarına yer verilmiştir. Bölüm 5’te elektromanyetik dalganın ekranlama analizi iki boyutlu FDTD yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. FDTD algoritması oluşturulurken Mur’un birinci dereceden yutucu sınır koşulları uygulanarak analiz edilecek olan bölgenin sınırlarında oluşabilecek yapay yansımalar giderilmiştir. İki boyutlu FDTD yöntemi kullanılarak oluşturulan algoritma ile Matlab programlama dilinde kullanıcı arayüzlü program geliştirilmiştir. Bu program kullanılarak ekranlama analizi için benzetimler.

(15) 4. 900 MHz ve 1800 MHz frekanslarında gerçekleştirilmiştir. Benzetimler sonucunda ekranlama etkinliğini belirlemek için elektrik alan şiddeti değerleri, elektromanyetik dalganın iki boyutta yayılmasını gösteren renk kodlu grafikler ve ışıma desenleri elde edilmiştir. Böylece farklı elektriksel özelliklere sahip, farklı boyutlarda ve kaynaktan farklı uzaklıklara yerleştirilmiş ekranların her bir durumu için ekranlama etkinliğinin nasıl değiştiği incelenebilmiştir. Bölüm 6’da cep telefonundan kullanıcıya doğru yayılan elektromanyetik dalgaların zayıflatılabilmesi için ekranlama çalışması 900 MHz ve 1800 MHz bantlarında deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Elektromanyetik ışıma ölçümleri için Narda EMR 300 radyasyon-metre ve 100 kHz - 3 GHz bandında çalışan elektrik alan algılayıcısı (prob) kullanılmıştır. Bölüm 5’te elde edilen veriler ışığında deneysel çalışmalar dikdörtgen biçimli alüminyum ve bakır ekranlar kullanılarak yapılmıştır. Ekranın boyutlarının etkisini ölçebilmek için farklı iki boyutta ekran ile ölçümler yapılarak ekransız durum ile kıyaslanmıştır. Yapılan ölçümler için radyasyon-metre ile cep telefonu arasındaki mesafe 5 cm ve 10 cm olacak şekilde ayarlanmıştır. Bir cep telefonu kullanıcısının maruz kaldığı gerçek alanın değerlendirilebilmesi için ölçümler normal laboratuar ortamında gerçekleştirilmiştir Bölüm 7’de, Bölüm 4’te elde edilen benzetim sonuçları ve Bölüm 6’da elde edilen deneysel sonuçlar birlikte değerlendirilmiştir. Yine bu konuda çalışmalar yapacak araştırmacılara gerekli önerilerde bulunulmuştur. Bölüm çalışmasının. hazırlanmasında. faydalanılan. kaynaklar. 8’de. bu. tez. sunulmuştur..

(16) 5. 2. KAYNAK ARAŞTIRMASI. 1950 yılında IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) tarafından RF indüksiyon yoluyla ısıtma cihazında oluşan parazitleri engellemek amacıyla bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu çalışma uyulması zorunlu bir standart olarak değil de üreticilere tavsiye niteliği taşımaktadır. 1969 yılında IEEE tarafından yüksek performanslı ekranlama için ekranlama etkinliğinin (SE, Shielding Effectiveness) nasıl ölçülmesi gerektiğini belirten yine tavsiye niteliğinde bir çalışma yapılmıştır. 1979 yılında Lee ve Bedrosian, metalik ekranlama içerisine elektromanyetik dalganın ne kadar nüfuz ettiğini araştıran teorik bir çalışma gerçekleştirmiştir. 1980 yılında Lipinski ve Golebiowski, elektromanyetik dalganın ekranlanması için bir algoritma geliştirmeye çalışmışlardır. Yapılan bu çalışmada küresel ve düz ekranlama incelenmiştir. 1986 yılında Wilson, Adams ve Ma, yaptıkları çalışmada elektromanyetik ekranlama etkinliği ölçümünün sonuçlarının, ekranlamada kullanılan malzemelerin elektriksel özellikleri ile değiştiği gibi ölçüm yöntemine de bağlı olduğunu göstermişlerdir (örneğin alıcı antenin yerleştirilme şekline göre). 1988 yılında Wilson, Ma ve Adams, yakın alan ve uzak alan kaynak benzetimleri için malzemelerin elektromanyetik ekranlama etkinliğini ölçebilmek için yöntemler sunmuşlardır. 1990 yılında Yoshino, Miyake ve Morita, farklı ölçüm yöntemleri ve test için çalışılan örnek alanın elektromanyetik ekranlama etkinliğini etkileyebildiği konusunda bir çalışma gerçekleştirmişlerdir. 1991 yılında IEEE, elektromanyetik ekranlama çalışmalarını belirli bir çerçevede yapılabilmesi için standart yayınladı. Bu standartta ekranlama etkinliği ölçümlerinin hangi frekanslarda yapılabileceği ve ölçüm için hangi parametrelerin ve antenlerin kullanılacağı gibi bilgiler verilmektedir. 1992 yılında Naishadham, iyon katkılı PBT ve polyacetylene iletken polimerlerinin düzlem dalga ekranlama etkinliği incelemesinde (belirli bir frekans bandından sonra 40dB’in üzerinde) oldukça iyi sonuçlar elde edilebildiğini göstermiştir. 1993 yılında Criel, Marly ve Zutter, delikli düz bir ekran ile yakın alandaki ekranlama etkinliğini incelemişlerdir. Bu çalışma.

(17) 6. sonucunda yüksek frekanslarda delikli ekranın iyi bir ekranlama etkinliği sağladığı görülmüştür. 1994 yılında Rowberry tarafından yapılan çalışmada katkısız iletken olan polimerlerin iyi bir ekranlama etkinliğine sahip oldukları fakat kararsızlıkları sebebiyle bunu gerçekleştirebilmeleri için oldukça zaman gerektirdikleri sonucuna ulaşılmıştır. 1995 yılında Venkateswarlu ve Rao, darbe elektromanyetik dalga oluşturan bir kaynak kullanarak alüminyum, delikli alüminyum ve iletken polimerin ekranlama etkinliğini kıyasladılar. Bu çalışma sonucunda alüminyum %98.2, delikli alüminyum %92 ve iletken polimer ise %85 oranında ekranlama etkinliği oluşturabilmiştir. 1996 yılında Yıldırım ve Sharawy zamanda sonlu farklar (FDTD) yöntemini kullanarak. manyetik. olarak. ekranlanmış. bir. cep. telefonunun. analizini. gerçekleştirmişlerdir. Bu analiz sonucunda antenin ışıma karakteristiği fazlaca bozulmadan, antenden kullanıcıya doğru gelen ışıma miktarının zayıflatılabileceği görülmüştür. 1997 yılında yine Yıldırım ve Sharawy, çift rezonanslı ve ekranlı bir cep telefonu anteninin FDTD analizini gerçekleştirmişlerdir. Yapılan ekranlama ile kullanıcıya gelen ışıma miktarını %90 durdurabilmişlerdir. Ayrıca bu analizin tutarlılığını deneysel bir çalışma ile de doğrulamışlardır. 1998 yılında Tsai, Wu ve Jou bir cep telefonunun anteni ile kullanıcı arasına yerleştirilecek olan bir bakır tel sayesinde kullanıcıya gelen ışıma miktarının zayıflatılabileceğini ve SAR değerinin 3dB’in üzerinde bir oranla düşürülebileceğini göstermişlerdir. 1999 yılında Dou ve Zhang monopol antenli bir cep telefonunun iletken levha ile ekranlanması sonucunda kullanıcıya gelen ışıma miktarının belirlenmesi için FDTD yöntemi ile sayısal analiz yapmışlardır. Yaptıkları çalışma sonucunda yakın alanda yapılan ekranlama sonucunda kullanıcı üzerindeki ışıma miktarını azaltmak için ekranın büyük seçilmesi gerektiğini, fakat bu durumda da antenin uzak alan ışıma deseninin değişebileceğini görmüşlerdir. 2001 yılında Kumar, farklı cep telefonu antenleri (monopol, kenar yerleşimli çift PIFA,tepe yerleşimli çiftli BIFA ve arka yerleşimli PIFA anten) için kullanıcıya gelen ışımayı zayıflatma konusunda bir çalışma yapmıştır. Bu çalışmada kullandığı alüminyum parçacıklı iletken olmayan polimerlerde alüminyum oranı artırıldıkça ekranlama etkinliğinin arttığı görülmüştür..

(18) 7. 2002 yılında Chou ve Wu tarafından yapılan çalışmada monopol antenli bir cep telefonunun oluşturduğu SAR değerinin ekranlama ile düşürülebileceği teorik ve sayısal hesaplamalarla (FDTD) gösterilmiştir. 2002 yılında Fung, Leung ve Chan tarafından yapılan çalışmada farklı marka ve model cep telefonlarının oluşturduğu SAR değerleri ölçülerek değerlendirilmiş ve piyasada bulunan cep telefonu ekranlama ürünlerinin etkinlikleri ölçülmüştir. Bu çalışmaların sonucunda bu ürünlerin umulduğu gibi bir ekranlama etkinliğine sahip olmadıklarını fakat %9 kadar da olsa SAR değerini düşürdüklerini gözlemlemişlerdir. 2003 yılında Chen ve Tseng tarafından yapılan çalışmada cep telefonu kullanıcısının giysilerinin iletkenliği ile SAR değerlerinin ilişkisi sayısal analiz (FDTD) aracılığıyla gösterilmiştir. Örneğin 900 MHz için iletkenliğin 1S/m olduğu bir durumda SAR değeri 1.08W/kg’dan 0.2W/kg’ın altına düştüğü görülmüştür..

(19) 8. 3. ELEKTROMANYETİK IŞIMADA BAZI TEMEL KAVRAMLAR. Elektromanyetik dalgaların anlaşılabilmesi için ilk olarak elektrik alan ve manyetik alanın bilinmesi gerekmektedir. Elektromanyetik dalgalar birbirine dik elektrik ve manyetik alanlardan oluşmaktadır.. 3.1. Elektriksel Uzunluk. Elektromanyetiği anlamayı kolaylaştırabilecek önemli bir kavram elektriksel uzunluktur. Elektriksel uzunluk, bir telin belirli bir frekanstaki birimsiz ölçüsüdür ve telin fiziki uzunluğunun sinyal dalgaboyuna oranı olarak tanımlanır.. Elektriksel_uzunluk . L. (3.1). . Örneğin, 1m uzunluğundaki bir anteni düşünürsek 1kHz frekansta elektriksel uzunluğu yaklaşık olarak 3x10-6 olur. Başka bir deyişle elektriksel uzunluk dalgaboyu cinsinden uzunluktur. Yani 1m uzunluğundaki antenin 1kHz’deki elektriksel uzunluğu 3x10-6λ’dır. Genellikle elektriksel uzunluğu 1/20’den küçük olan cisimler elektriksel olarak kısa, büyük olanlar ise elektriksel olarak uzun diye adlandırılır.. Teller göz. önüne. alındığında. büyük. kayıplar. ve. empedans. uyumsuzlukları nedeniyle 1/50 elektriksel uzunluğu bile elektriksel olarak kısa sayılmayabilir. Elektriksel olarak kısa olan devreler genel olarak basit devre teorisi ile çözümlenebilir, buna karşın elektriksel olarak uzun olanlar RF tekniği ve elektromanyetik bilgisi gerektirir..

(20) 9. 3.2. Elektrik Alan. Yüksek. frekans. ve. RF. elektroniğini. anlayabilmek. için. ilk. olarak. elektromanyetik alanın temelini kavrayabilmek gereklidir. Elektrik alanlar, elektrik yüklerinden oluşurlar, yani elektrik alanların kaynakları yüklerdir. Yükler pozitif ve negatif olmak üzere ikiye ayrılır. Benzer yükler birbirini iter, zıt yükler ise birbirini çeker. Diğer bir deyişle yükler birbirine kuvvet uygular, bu yükün pozitif ya da negatif oluşuna göre itme veya çekme etkisi oluşturur. Nötr yükler bu kuvvetlerden etkilenmezler. Yüklerin birbirine uyguladıkları kuvvet herhangi bir fiziki temas olmadan gerçekleşmektedir. Elektrik alan bir yükün 1C’luk yüke uyguladığı kuvvettir ve yönü Şekil 3.1’de görüldüğü gibi pozitif yükten negatif yüke doğrudur. Diğer bir deyişle, herhangi bir noktadaki bir elektrik alanın değeri o noktadaki birim yüke uygulanacak kuvveti tanımlar.. Şekil 3.1 Elektrik alan çizgileri.. Elektrik alanın büyüklüğü uzaklık arttıkça azalır, uzaklık azaldıkça artar. Elektrik alanın büyüklüğü uzaklık ile ters orantılıdır. Elektrik alan formülü aşağıdaki gibidir.  E. q  4  r 2. (3.2). Burada q elektrik alanı oluşturan kaynağın yük değeri, r elektrik alanı hesaplanacak olan noktanın kaynağa olan uzaklığı, ε ise ortamın dielektrik sabitidir..

(21) 10. 3.3. Manyetik Alan. Elektromanyetiğin diğer yarısı da manyetik alandır. Manyetik alanlar doğal olarak elektrik alandan daha zor anlaşılır. Elektrik alanlar yüklerden oluşmasına karşın, manyetik alanların oluşumu manyetik yüklerden değildir. Manyetik alan çizgilerinin bir başlangıç ve bitiş noktası yoktur. Manyetik alan çizgileri bir halka üzerinde sürekli haldedir. Tüm manyetik alanlar hareketli elektrik yüklerinden oluşur. İletkenden geçen akım da manyetik alan oluşturur, çünkü akım temel olarak çok sayıda elektronun hareketinden oluşur. Şekil 3.2’de gösterildiği gibi DC akım geçen bir iletkenin etrafında bir manyetik alan oluşur. Oluşan manyetik akı yoğunluğunun (B) değeri – iletken sonsuz uzunlukta olduğunda– amper yasası ile ifade edilir (Cheng 1993): . .  B  dl C.  o I. (3.3). Şekil 3.2 DC akım akan iletkenin oluşturduğu manyetik alan çizgileri.. Sabit hızda ilerleyen bir elektronun oluşturduğu manyetik alan çizgileri Şekil 3.3’de gösterildiği gibidir. Hareketli bir yükün oluşturduğu manyetik alan yüke paralel konumda en yüksek değerde iken hareket ekseni boyunca azalır..

(22) 11. Şekil 3.3 Hareketli bir elektronun manyetik alan çizgileri.. Telden geçen akımın oluşturduğu manyetik alanı hesaplayan Biot-Savart yasası iki Fransız bilim adamı tarafından bulunmuş ve bu kişilerin ismini almıştır..    o I  dl   a R  dB  4  R 2.    . (3.4). Burada μo boşluğun manyetik geçirgenliğini, R ise akım akan telden uzaklığı temsil etmektedir. Değinilmesi gereken bir husus da hareket eden yük ile aynı hızda hareket eden bir kişi için manyetik alan oluşmayacaktır sadece elektrik alan oluşacaktır. Çünkü bu durumda yük hareketli değil durağan halde oluyor. Manyetik alanın çizgilerinin yönü Şekil 3.4’de gösterildiği sağ el kuralı ile belirlenir.. I B. Şekil 3.4 Manyetik alan yönünün sağ el kuralı ile belirlenmesi..

(23) 12. 3.4. Maxwell Denklemleri Ve Deplasman Akımı. 1860 yıllarında İngiliz fizikçi James Clerk Maxwell kendini elektrik ve manyetizmanın bilinen tüm kurallarını tek bir formülde toplamaya adamıştı. Bu çalışmalar esnasında Maxwell, Ampere yasasında matematiksel bir uyumsuzluk fark etti. Ampere yasasına göre bir manyetik alan tüm elektrik akımlarının etrafını sarar. Buna karşın Maxwell sadece elektrik akımlarının değil değişken elektrik alanın da manyetik alan oluşturacağını öne sürdü. Örneğin bir kondansatör şarj oluyorken, kondansatörün levhaları arasında değişen elektrik alan oluşacaktır. Kondansatör AC gerilim ile beslendiği zaman, kondansatör akımı dolma ve boşalma işlemiyle sürekli olarak artıp azalır. Kondansatör plakaları arasında hiçbir akım akmamasına rağmen, zıt yüklerin plakalar üzerinde toplanması ile tıpkı kondansatör üzerinden akım akıyor gibi bir etki oluşur. Bu sanal akıma deplasman (displacement) akımı denilir. Maxwell hipotezi değişken bir deplasman akımının da manyetik alan oluşturacağını gösterdi. Genelleştirilmiş Maxwell denklemleri türev (nokta) formunda.   B  E   t    D  H  J  t     D  v  B0. (3.5a) (3.5b) (3.5c) (3.5d). şeklinde ifade edilir. Burada D elektrik akı yoğunluğu, B manyetik akı yoğunluğu, J iletim akım yoğunluğu, ρv ise elektrik yük yoğunluğudur. Ayrıca.   D  E   B  H   J  E. (3.6) (3.7) (3.8).

(24) 13. bağıntıları geçerlidir. Denklem (3.8)’deki σ ortamın iletkenliğini göstermektedir. Maxwell fizikçi olduğu gibi aynı zamanda iyi bir matematikçi idi. Maxwell elektrik ve manyetizma için var olan denklemlere kendi terimini eklediği zaman, matematiğin yayılan elektromanyetik denklemlerin oluşumuna işaret ettiğini fark etti. Bu muazzam bir buluştu. Böylece matematiksel hesaplamalar sonucunda, elektromanyetik dalgaların hızının ışık hızına eşit olacağını tahmin etti (Maxwell’in bu tahmini zamanında ışık hızı birçok defa ölçülmüştü ve %5 hata ile biliniyordu). Maxwell’den önce ışık ve elektromanyetizma arasında ilişki kurmak olası değildi. Maxwell ilk olarak 1864’te elde ettiği sonuçları yayınladı fakat fizikçiler tarafından yıllarca kabul görmedi. 1887’de yani Maxwell’in ölümünden 7 yıl sonra Heinrich Hertz havada bir elektrik sinyal iletimini sağlayarak Maxwell’in tahminini doğruladı. Hertz küçük hava boşluklu tel sargı kullandı. Hertz az bir uzaklığa aynı sargıdan koydu ve birinci sargıya uyartım verdiğinde ikinci sargıda da bu uyartımı gördü. Daha sonraki deneyleri sonucunda Hertz, çok büyük dalgaboylu olanlar haricinde radyo dalgalarının ışık dalgaları gibi davrandığını gördü. Bu noktada bilim adamları ışığın elektromanyetik osilasyonun bir şekli olduğuna inandılar ve Maxwell’in haklı olduğunu kabul ettiler. Sonuç itibariyle elektromanyetiğin tüm denklemleri hala Maxwell’in ismini taşımaktadır (Schmitt 2002).. 3.5. Elektromanyetik Işıma. Elektromanyetik ışıma radyo, televizyon, cep telefonu ve benzeri sistemlerde kullanılmaktadır. Işıma alanları sayesinde sinyaller uzaklara gönderilebilir. Antenlerin çalışmasını ve elektromanyetik ışımayı tam anlamıyla kavrayabilmek RF tekniğinde oldukça önemlidir. Özellikle elektromanyetik uyumluluk (EMC) konusunu anlayabilmek için elektromanyetik ışımanın nasıl olduğunun kavranmış olması gereklidir. Elektromanyetik dalganın geleneksel yayılma modeli doğrudan Maxwell denklemlerine dayanır (Denklem (3.5a-d)). Yüksüz (ρv = 0), kayıplı bir ortam için genel durum düşünülürse, zaman harmonik alanları ejwt ve zayıflatma faktörü e-αz.

(25) 14. kabul edilirse, Denklem (3.5c) ve (3.8) düzenlenerek Helmotz’un dalga denklemleri elde edilir   2E   2E  0   2H   2H  0. (3.9) (3.10). Burada     j yayılım sabitidir. α zayıflama sabitidir ve birimi neper/metre’dir. β faz sabitidir ve birimi radyan/metre’dir. Bunlar. 2        1    1 2       . (3.11). 2        1    1 2       . (3.12). şeklinde ifade edilir. Burada   2f , dalganın açısal frekansıdır. Dalgaboyu λ ve dalga hızı u için.  u. 2. (3.13).    f . (3.14). bağıntıları geçerlidir. Dalga yayılımının z yönünde ve dalganın polarizasyonunun x yönünde olduğu varsayılırsa Denklem (3.9) ve (3.10) çözülerek,   E ( z , t )  E 0 e z cos(t   z )a x   E 0 z H ( z, t )  e cos(t  z    )a y. . Burada      ortamın karakteristik empedansıdır.. (3.15) (3.16).

(26) 15.  .  .     4 1       . ,. 1. 8. tan 2 .  , . 0     45 . (3.17). Denklem (3.15) ve (3.16)’dan kayıplı bir ortamda elektromanyetik dalganın e-αz’ye bağlı olarak zayıfladığı anlaşılır. Bu durum Şekil 3.5’de görülmektedir. Elektromanyetik dalga bir iletkenin içerisine nüfuz ettikçe zayıflar. Buradan yola çıkılarak deri kalınlığı (δ) elektromanyetik dalganın genliğinin %36.9 (1/e)’una eşit olduğu derinlik olarak tanımlanır ve. . 1. (3.18). . şeklinde bulunur..   1 olduğu durum için yani iyi iletkenlerin deri kalınlığı . formülü. . 2. . (3.19). şeklini alır.. Şekil 3.5 Kayıplı bir ortamda bir düzlem dalganın elektrik ve manyetik alan bileşenleri..

(27) 16. Elektromanyetik dalganın güç yoğunluğu Poynting vektörü ile   Pd  E  H. (3.20). şeklinde ifade edilir. Zamana göre ortalaması alınacak olursa,.   1 Re( E  H * ) 2 2 E  0 e  2z cos az 2. Pdort . (3.21). elde edilir. Daha önce de belirtildiği gibi kayıplı ortamda olması sebebiyle dalga z yönünde ilerlerken zayıflayacaktır. Ortamın kompleks bağıl dielektrik sabiti.  c   r  j r   r (1  j.  ) . (3.22). olarak ifade edilirse ortamın kayıp tanjantı. tan  .  r    r . olarak bulunur. Denklemdeki sanal kısım  r . (3.23).  ortamdaki kayıpları temsil eder. . Ortamın kırılma indisi n,. n  c. (3.24). şeklindedir. Yukarıdaki hesaplamalar kayıplı ortam içindi, şimdi diğer ortamlardaki durumu düşünelim. Kayıp tanjantının büyük olduğu durumlarda (    ) ortamın.

(28) 17. iyi iletken olduğu ya da kayıp tanjantının çok küçük olması durumunda (    ) iyi dielektrik olduğu söylenebilir. Böylece diğer ortam türlerinde dalga yayılımı karakteristiği aşağıdaki gibi özel durumlar için elde edilmelidir:. 1- İyi iletken:    ,    o ,    o  r 2- İyi dielektrik:    ,    o  r ,    o  r 3- Boşluk:   0 ,    o ,    o. Bu değerler her ortam için ilgili denklemlerde yerine koyularak zayıflama sabiti, faz sabiti ve karakteristik empedans gibi parametreler hesaplanır. Bu hesaplamalar Tablo 3.1’de verilmiştir. Güç yoğunluğu verici antenin gücüne ve kazancına bağlı olarak yazılacak olursa.    Pd  Gr Gt  2   4r . (3.25). şeklinde olur.. Tablo 3.1 Farklı ortamlar için zayıflama sabiti, faz sabiti ve karakteristik empedans İyi iletken. İyi dielektrik.    1.    1. 2       1     1  2       .  2. 0. 0. 2        1    1 2       .  2.  .   o o. Kayıplı ortam Zayıflama sabiti . Faz sabiti  Karakteristik empedans . . j   j.  1  j  2.  . Boşluk. 377.

(29) 18. Şekil 3.6’da boşlukta iki antenin elektromanyetik enerji iletimi gösterilmektedir. Dalga verici antenden ışıdığı ve boşlukta yayıldığı için, dalganın güç yoğunluğu Denklem (3.21)’da görülebileceği gibi zayıflar. Antenlerin boşlukta olduğu durum düşünüldüğünde alıcı anten tarafından alınan güç Liu ve Fang’a (1988) göre Friis iletim denklemi ile ifade edilir (Dorf , 2000):. Pr  G r G t (.  2 ) Pt 4r. (3.26). Şekil 3.6 Boşlukta verici ve alıcı anten.. Friis denklemi r  2d 2  olduğu durumda yani uzak alanda geçerlidir. Burada d antenin en geniş boyutudur. Elektromanyetik alanlar, yakın alan ve uzak alan olmak üzere ikiye ayrılır. Yakın alan ve uzak alan terimleri için kullanılan diğer ifadeler ise sırasıyla depolanan alan (storage field) ve ışıma alanıdır (radiation field). Bu iki alan arasındaki temel fark yakın alanın kaynak etrafında enerji depolamasına karşın ışıma alanı boşlukta enerjinin yayılmasını sağlar. Yakın alan sadece anten etrafında oluşur. Başka bir deyişle yakın alanlar kaynak enerjisi kesildiği zaman kaybolur. Buna karşın ışıma alanları kaynak enerjisi kesilse bile yayılmaya devam eder. Işıma alanlarının diğer bir özelliği ise düzlem dalga şekline ve elektrik ve manyetik bileşenlere sahip olmasıdır. Boşlukta elektrik alanın genliğinin manyetik alan genliğine oranı ışıma alanları için her zaman 120π değerindedir..

(30) 19. Yakın alanlar sadece elektrik, sadece manyetik ya da bu ikisinin kombinasyonu olabilir. Yakın alanlar ile ışıma alanları arasındaki son önemli fark kaynağın gözlemcilerden nasıl etkilendiğidir. Kaynak yakın alan bölgesinde, enerjiyi yutacak gözlemci veya herhangi bir nesneden etkilenir. Buna karşın kaynak ışıma alanının bulunduğu uzak alan bölgesinde bulunan gözlemciler veya herhangi bir nesneden etkilenmez. Örneğin bir TV vericisi kullanıcıların sayısından etkilenmez. Elektromanyetik dalganın yayılma yolu boşluk değilse ortamın etkisini hesaba katmak için düzeltme çarpanı F, Denklem (3.26)’e eklenir. Bu çarpan yayılma çarpanı olarak da bilinir:. F. Em Eo. (3.27). Burada Em ortamdaki, Eo ise boşluktaki elektrik alan şiddetini göstermektedir. Em her zaman için Eo’dan daha küçük olacağı için F değeri her zaman birden küçük olur. Böylece kayıplı bir ortam için Denklem (3.26),. Pr  G r G t (.  2 ) Pt F 4r. 2. (3.28). şeklini alır. Denklem (3.26) ve (3.28) genellikle logaritmik biçimde gösterilir. Eğer tüm terimler desibel (dB) cinsinden ifade edilirse Denklem (3.28),. Pr  Pt  G r  G t  Lo  Lm. (3.29). biçimini alır. Burada P dBW cinsinden güç, G desibel cinsinden kazanç, Lo desibel cinsinden boşluktaki kayıp ve Lm desibel cinsinden ortamdaki kayıp değerleridir. Boşluk kayıpları,.  4r  Lo  20 log    . (3.30).

(31) 20. ortamdan kaynaklanan kayıplar,. Lm  20 log F. (3.31). şeklinde dB cinsinden hesaplanır (Dorf 2000). Bir verici antenden yayılan ışıma gücü antene gelen akımın karesi ve anten uzunluğunun karesi ile doğru orantılı olarak değişir. Çünkü bu iki parametre iletken üzerindeki hareketli yükün miktarını belirler. Işıma gücü aynı zamanda sinyal frekansı ile de doğru orantılıdır. Işıma gücü~ (akım x uzunluk x frekans)2. Dalgaboyu, frekans ile ters orantılı olduğundan (λ=c/f) ışıma gücü ifadesi aşağıdaki gibi olur. Işıma gücü~ (akım x elektriksel uzunluk)2. Sabit bir gerilim ve frekansta ışıma gücü antenin uzunluğunun karesi ile doğru orantılıdır. Yani anten ne kadar uzun olursa ışınan güç o kadar büyük olur (Schmitt 2002). Sinyal frekansı yükseldikçe dalgaboyu küçülecek ve anten uzunluğuna yaklaşacaktır. Bu durumda anten üzerindeki akım anten uzunluğu boyunca aynı kalmayacaktır. Aslında akım farklı noktalarda farklı yönlerde olacaktır. Farklı yöndeki akımlar birbirini önleyici bir etki oluşturacaklarından ışıma gücü doğrudan anten uzunluğunun karesi ile orantılı olmaz. Bu durum Şekil 3.7’da açık bir şekilde görülebilmektedir..

(32) 21. Işıma gücü (rms, Watt). Anten uzunluğu (xλ). Şekil 3.7 Işıma gücünün anten uzunluğuna göre değişimi.. Anten bir dalgaboyundan çok daha küçük olduğu zaman ışıma gücü anten uzunluğunun karesi ile doğru orantılıdır. Fakat anten bir dalgaboyuna yakın veya üzeri uzunluktaysa ışıma gücü yavaşça artan ve sonra osilasyon yapan bir işleve sahiptir. Antenin genellikle λ/2 uzunlukta seçilmesinin bir sebebi budur. Diğer bir sebebi de anten bu uzunlukta iken, anten empedansı sanal bileşen bulundurmaz, ışıma deseni tek kulakçıklı ve geniştir.. 3.6. Elektromanyetik Ekranlama. Ekranlama işlemi birçok amaçla yapılabilir. Elektromanyetik ekranlama ise daha çok elektronik cihazların etrafındaki elektromanyetik dalgalardan etkilenmesini engellemek için yapılır. Bir ürünü istenmeyen elektromanyetik etkilerden korumak için kullanılan en genel yöntem ürünü iletkenliği yüksek duvarlardan oluşan bir kutu içerisine yerleştirmektir. Pratikte bir ürünü kutu içerisine tamamen kapatabilmek.

(33) 22. mümkün olmadığından ve iletken malzemenin iletkenliği sonsuz olmadığından, kutu içerisine düşük frekanslı manyetik alan sızması gerçekleşebilir (Kritikos ve Jaggard 1990). Elektromanyetik ekranlama işlemi metallerin yansıtıcı özelliğine bağlıdır. Metaller elektromanyetik spektrum (tayf) içerisinde çoğu frekans bölgesinde yüksek oranda yansıtıcı özelliğe sahiptir. Metaller, görünür ışıkta olduğu gibi radyo dalgalarını da yansıtır. Metaller görünür ışık frekanslarında farklı özelliklere sahip olmasına ve bu bantta iletken olmamalarına rağmen yine de eğer yüzey lekesiz ve parlak ise metaller gelen dalganın çoğunu yansıtır. Aynaya baktığımız zaman bunu anlarız. Ayna, arka tarafından metal film ile birleştirilmiş bir camdan ibarettir. Cam, metal filmin hem lekelenmesini engellemek hem de düzgün bir yüzeye yerleşmesi için kullanılır. Ayrıca cam, havadan daha yüksek dielektrik sabitine sahip olduğu için metalin yansıtıcılığını artırır. Radarların çalışması da yine metallerin yansıtıcı özelliği sayesinde sağlanmaktadır. Mikrodalga ışıma araba, uçak ya da benzeri hedeflerden geri döner. Ayrıca radyo dalgaları çoğu radyo bandında iletkenliği yeterli görülebilecek olan topraktan da yansır. İletken bir levha en basit elektromanyetik ekrandır. Bir ekranın nasıl çalıştığını anlayabilmek için öncelikle ekranın mükemmel iletken olduğunu varsayalım. Mükemmel bir iletkenin direnç değeri sıfırdır, bu yüzden mükemmel iletkenin içerisinde elektrik alan sıfırdır. Aksi takdirde akımın sonsuz olması gerekirdi. Mükemmel iletken içerisinde elektrik alan sıfır olduğundan elektromanyetik alan ilerleyemez. Elektromanyetik alan mükemmel bir iletkene uygulandığı zaman dalga enerjisinin tamamı geri yansır. Çünkü iletken içerisine enerji giremez. İki farklı ortamın sınırında elektromanyetik dalganın yansıması gerçekleşir. Bu durum iletim hatlarındaki yük empedansının, hattın karakteristik empedansına eşit olmaması durumunda oluşan dalganın yansıma olayına benzer. Yansıyan dalgalar için elektrik ve manyetik alanlara ait yansıma katsayıları aşağıdaki formüllerle hesaplanabilir..

(34) 23. E .  2  1  2  1. (3.32a). H . 1   2 1   2. (3.32b). η1 birinci ortamın, η2 ise ikinci ortamın karakteristik empedansıdır. İletim hatlarında gerilim, elektrik alan ile akım ise manyetik alan ile benzerlik gösterir. Hava için karakteristik empedansı yaklaşık olarak boşluğunkine eşittir.. 0  377  0. 0 . (3.33). Herhangi bir iletkene ait karakteristik empedans,. . . (3.34).  j 2f. şeklinde hesaplanabilir. Bakır için karakteristik empedansın frekansla değişimi Şekil 3.8’de verilmiştir. Boşlukta hareket eden elektromanyetik dalga, bir bakır tabakasına geldiğinde yansıma meydana gelir. Yansıma katsayısı karmaşık sayıdır, yani yansıyan dalgada faz kayması meydana gelir. İletken. malzemelerin. tamamında. deri. etkisi. olayı. ile. karşılaşılır.. Elektromanyetik dalga 5δ derinlikte iletkenin yüzeyindeki değerinin yaklaşık olarak %0.7’sine zayıflar. İyi iletkenler için oluşturulan Denklem (3.19)’a bakılırsa deri kalınlığının iletkenlik ve frekans ile ters orantılı olduğu görülebilir. Dolayısıyla elektromanyetik dalganın frekansı arttıkça iletken malzeme mevcut iletkenliğinden daha iyi bir iletken gibi davranmaktadır, yani elektromanyetik dalga iletkenin içerisine daha az nüfuz edebilmektedir. Şekil 3.9’de bakır için deri kalınlığının frekansla değişimi verilmiştir..

(35) 24. Karakteristik empedans (Ω). Frekans (Hz). Şekil 3.8 Bakıra ait karakteristik empedansın frekans ile değişimi.. Deri kalınlığı (m). Şekil 3.9 Bakırın deri kalınlığının frekansla değişimi.. Frekans (Hz).

(36) 25. Ekranlama. yapmanın. amacı. elektromanyetik. enerjinin. ilerlemesini. engellemektir. İletken malzemeler ekranlama için iki mekanizmaya sahiptir. Birincisi düşük frekanslar için çok önemli olan yansıma, ikincisi ise deri etkisi sebebiyle oluşan yutma etkisidir. Yutma, özellikle yüksek frekanslarda gerçekleşir. Tüm frekanslarda elektromanyetik enerjinin çoğu iletkenin yansıtma özelliğinden dolayı ekranlanır. Fakat yüksek frekanslarda deri etkisi sebebiyle oluşan yutma oldukça etkilidir. Şekil 3.10’da 0.01 inch kalınlıkta bakır için elektromanyetik enerjinin iletilen, yansıtılan ve yutulan gücün frekans ile değişimi görülmektedir. Şekilde dB olarak verilen sayılar gücün bakır ekrana gelen sinyal gücüne oranının logaritması alınarak elde edilmiştir. 0dB’e karşılık gelen güç bakır ekrana gelen güç miktarına eşittir. Yansıyan güç 0dB’e çok yakın olsa da asla tam olarak sıfır değildir.. Sinyal gücü (dB). Yansıtılan güç Yutulan güç İletilen güç. Frekans (Hz). Şekil 3.10 0.01 inch kalınlıkta bakırda iletilen, yansıtılan ve yutulan gücün frekans ile değişimi..

(37) 26. Şekil 3.11’de bakırın uzak alan için ekranlama etkinliği yansıma ve yutmaya bağlı olarak belirtilmiştir. Ekranlama etkinliği, ekranın ne kadar iyi çalıştığını görebilmek için genellikle elektromanyetik uyumluluk konusunda kullanılır. Ekranlama etkinliği gelen gücün iletilen güce oranının logaritması alınarak hesaplanır.. Ekranlama etkinliği(dB) Toplam Yutma Yansıtma. Frekans (Hz). Şekil 3.11 0.01 inch kalınlıkta bakırın ekranlama etkinliğinin frekans ile değişimi.. Eğer ekran üzerinde bir delik (aralık) varsa ekrana gelen ışımanın bir kısmı ekrandan geçebilir. Ekrandaki delikten geçen elektromanyetik enerjinin miktarı büyük bir oranda deliğin elektriksel büyüklüğüne bağlıdır. Eğer deliğin boyutu yarım dalgaboyundan büyükse, ışımanın tamamı ekrandan geçebilir. Optik frekansında saydam olmayan bir ekran üzerinde 1 inch’lik bir delik olduğu düşünülürse ışık bu ekrandan zayıflamaya uğramadan geçebilecektir. Ekran üzerindeki deliğin boyutu yarım dalgaboyundan büyük olduğunda aynı etki radyo frekansları için de geçerli olacaktır. Başka bir deyişle üzerinde delik olan bir ekrandan geçen ışıma miktarı.

(38) 27. deliğin boyutu ile doğru orantılıdır. Deliğin boyutu yarım dalgaboyundan küçük olduğu zaman oluşan kırınımlardan ötürü gelen ışıma delikte iyice zayıflatılacaktır. Bu durumda delikten geçen ışıma miktarı sadece deliğin boyutu ile orantılı olmayacaktır. Dairesel bir delik için ekrandan geçen ışıma miktarı deliğin çapına, rasgele bir delik için ise en büyük açıklık boyutuna bağlıdır. Yani ekranlama yapabilmek için ekran üzerindeki deliklerin en büyük açıklık miktarı yarım dalgaboyundan daha küçük olmalıdır. Açıklık miktarının λ/10’dan daha küçük olması durumunda iletilen enerji. A  a   ile orantılı olarak değişir (a aralığın 4. yarıçapı, A açıklığın alanıdır). Başka bir deyişle iletilen enerji, elektriksel aralık boyunun dördüncü kuvveti ile orantılı olarak zayıflar. Ekran üzerindeki küçük deliklerin gelen ışımayı zayıflatabilmesinden dolayı ekranlar ızgara ya da kafes şeklinde olabilirler. Bu durumu zorunlu kılan uygulamalar olabilmektedir. Örneğin, bir ürünün fanı için hava girişi gerekli ise tamamen kapalı bir metal kullanmak uygun olmaz. Tabii ki bu durumda ızgaranın delik açıklığı yarım dalgaboyundan oldukça küçük olmalıdır. Eğer ızgara delikleri sinyalin dalgaboyundan daha büyük olursa, ızgara ekran görevi görmeyecektir. Kullanılacak ekranın maliyetinin ve ağırlığının düşük olması açısından ızgara şeklinde yapılması daha uygun olmaktadır. Ayrıca mikrodalga fırınlarda olduğu gibi ekranın şeffaf yani arka tarafının görünür halde olmasının tercih edilebileceği durumlar için ızgara en uygun seçim olacaktır. Mikrodalga fırınların pencereleri genellikle a=0.5mm (elektriksel uzunluk 1/100’den daha küçüktür) yarıçaplı aralıklardan oluşan ekran ile kaplıdır. Ekranın bakırdan yapıldığı kalınlığının 0.02inch olduğu ve cm2’de N=50 tane delik olduğu düşünülsün. Delikler olmadan bu ekranın iletim gücü -3000dB civarınadır ve oldukça idealdir. Delikli halde iletilen güç. 4  a  T  10 log 10  Adelikler         . ifadesinden. hesaplanır.. göstermektedir ve. Burada. (3.35). Adelikler delik alanının tüm alana oranını.

(39) 28. Adelikler  N    a 2  0.4. (3.36). olarak bulunur. Başka bir deyişle ekranın yaklaşık 40%’ı deliklerden kalan 60%’ı ise metalden oluşmaktadır. İkinci formülü birincide yerine koyarsak,. 4  a  2 T  10 log 10  N    a      100dB     . (3.37). ızgaralar ile ekranlama durumunda iletim gücü yaklaşık olarak -100dB olur. Izgara ekranlar için önemli bir sınırlayıcı faktör iletkenin kalınlığıdır. Frekans çok yüksek(yani deri kalınlığı küçük) olmasına rağmen. iletken ekrana gerekli. derinliği sağlayamayabilir. Diğer bir sınırlama ise ekranlama yapılması gereken çoğu yerde kaynağa yakınlık söz konusudur, yani uzak alan yaklaşımları kullanılamaz. Böyle bir durum için genelde kullanılan bir yaklaşım (Ott 1988),.   l 2  T  10 log 10 4         . (3.38). şeklindedir. Burada l ekrandaki en büyük açıklığı göstermektedir. Bir ekranın çalışabilmesi için topraklanması gerekmez. Aslında ekranın topraklanması, ekranlama etkinliğini artırıp azaltmaz. Eğer elektronik cihaz tamamen kapatılmış ise ve dışarıya kablo çıkmıyorsa ekranın topraklanması gerekmez. Fakat eğer kutudan dışarıya kablo çıkıyor ise topraklanmamış bir ekran kapasitif bir etki yapabilir. Başka bir deyişle topraklanmamış bir ekran, kutu içerisindeki farklı devreler arasındaki sinyalleri birleştirmeye sebep olur. Bu durum ekranlama etkinliğini düşürmez fakat ürünün kendi içerisinde hatalı çalışmasına sebep olabilir. Bu durumdaki ekranlar genellikle topraklanmalıdır. Şekil 3.12 bu durumu izah etmektedir. Ayrıca kullanıcı güvenliği bakımından üründe oluşabilecek kaçak akımlardan korunmak için ekranın topraklanması uygun olacaktır (Schmitt 2002)..

(40) 29. Giriş1. Çıkış1. Giriş2. Çıkış2. Giriş1. Çıkış1. Giriş2. Çıkış2. Giriş1. Çıkış1. Topraklama. Giriş2. Çıkış2. Giriş1. Çıkış1. Giriş2. Çıkış2. Şekil 3.12 Topraklanmış ve topraklanmamış ekranların karşılaştırılması. (a) topraklanmamış bir ekran içindeki devre (b) a’daki durum için eşdeğer devre (c) topraklanmış bir ekran içindeki devre (d) c’deki durum için eşdeğer devre..

(41) 30. 3.7. Antenler. Pratikte devreler genellikle sinyal akımının yönüne ters akan bir dönüş akımı içerir. Örneğin iki telli iletim hattında, teller birbirine paraleldir ve sinyal akımı ile dönen akım birbirine ters yönde ilerlerler. Tellerin yakın civarında bir alan oluşur fakat tellerden uzaklaştıkça teller birbirinin oluşturduğu alanları iptal ettirecek bir etki oluştururlar. Sonuç olarak böyle bir durumda çok zayıf bir ışıma söz konusu olur. Bir iletim hattından ışıma oluşturabilmenin iki temel yolu vardır. Bunlar elektrik dipol ve manyetik dipoldür. Yarım dalgaboylu dipol oluşturabilmek için Şekil 3.13’de görüldüğü gibi λ/4 uzunluğunda iletim hattı açık devre edilmelidir. İletim hattına uygulanan gerilim ile hat üzerinde duran dalgalar oluşacaktır ve giriş empedansı (ideal olarak) kısa devre gibi görünecektir. Bu geometri ile çok az bir ışıma oluşturulabilecektir. Şimdi iletim hatlarının sonunda telleri birbirinden 90° açalım. Yine iletim hattı üzerinde duran dalgalar oluşacaktır ve uçlarda akım sıfıra gidecektir. Fakat şimdi tellerdeki akım aynı yönde akmaktadır ve verimli bir ışıma gerçekleştiren λ/2 dipolü oluşmuştur. İletim hattına uygulanan güç anten üzerinden sürekli olarak yayıldığından, artık antenin giriş empedansı sıfır değildir. Şimdi anten (ideal olarak) 73Ω’luk bir giriş direncine sahiptir. Anten üzerinden yayılan güç,. P  V  I  I 2  R giriş. (3.39). şeklinde hesaplanabilir. Anten açık devre (yüksek empedans) şeklinde olduğu için yakın alanda elektrik alan baskın haldedir..

(42) 31. Şekil 3.13 Dipol antenin oluşturulması. Oklar akımın yönünü, kesikli çizgiler akım büyüklüğünü göstermektedir.. Monopol bir anten dipol antenin yarısıdır. Bir monopol anten bir iletkenin (örneğin yer düzlemi) üzerinde dikey olarak konumlandırılmışsa iletken bir yansıtıcı gibi davranır ve dipolün diğer yarısının etkisini oluşturur. Bir monopolün verimli bir şekilde çalışmasını sağlamak için devrenin toprağı yansıma için kullanılan iletkene bağlanmalıdır. Toprak üzerindeki monopolün ışıma deseni dikey dipolün ışıma deseninin üst yarısı ile aynı şekle sahiptir. Ayrıca monopolün ışıma direnci dipolün sahip olduğunun tam olarak yarısına eşittir. Örneğin λ/4 monopol antenin ışıma direnci λ/2 dipol antenin ışıma direncinin yarısına eşit olur,. R / 4 monopol  0.5  R / 2 dipol  73 / 2  36.5ohm. (3.40). Manyetik dipol, elektrik dipolün ikizidir. Tam dalgaboylu manyetik dipol oluşturabilmek için ilk olarak λ/2 uzunluğunda iletim hattı kısa-devre edilir. İletim hattına gerilim uygulanması ile hat üzerinde duran dalgalar oluşur ve giriş empedansı (ideal olarak) bir açık devre gibi görünür. Daha sonra teller Şekil 3.14’deki gibi maksimum alan oluşturacak şekilde biçimlendirilirler. Kare biçimli olanlar da iyi.

(43) 32. ışıma yapmasına rağmen en büyük alan dairesel biçimli halidir. Teldeki akımlar birbirini iptal etmezler. Anten şekli kısa devre gibi olduğundan yakın alanda manyetik alan baskındır. Manyetik dipol genellikle halka anten olarak isimlendirilir. Tam dalgaboylu antenin ışıma direnci (ideal olarak) 100Ω civarındadır.. Şekil 3.14 Halka antenin oluşturulması. Oklar akım yönlerini, kesikli çizgiler akım büyüklüğünü göstermektedir.. Antenlerin önemli bir özelliği karşılıklılık kuralıdır. Karşılıklılık kuralı bir antenin alıcı ve verici özelliklerinin aynı olduğunu ifade eder. Bir anten verici olarak iyi çalışıyorsa alıcı olarak da iyi çalışır, bunun tersi de doğrudur. Anten ışıma deseni ve anten besleme empedansı gibi anten karakteristik özellikleri, antenin alıcı veya verici olarak kullanılmasına bağlı değildir. Bu kural dolayısıyla cep telefonları gibi ürünlerde aynı anten hem alıcı hem de verici olarak kullanılır. Bir antenin yaydığı güç miktarı antenin elektriksel uzunluğuna bağlı olarak değişir. 1MHz’lik 150m bir elektrik dipol anten (AM radyo), 100MHz’lik1.5m bir elektrik dipol anten (FM radyo) ile aynı gücü yayar. Çünkü iki antenin de elektriksel uzunluğu (λ/2) birbirine eşittir. Bir antenin ışıma verimi genellikle ışıma direnci diye adlandırılan parametre ile ifade edilir. Bir antenden yayılan güç miktarını hesaplamak için anten ışıma direnci ile antene gelen ortalama akım çarpılır.. P  I anten  Rışıma. (3.41).

(44) 33. Antenler hakkında önemli bir bilgi de antenin her noktasında akım değerinin farklı oluşudur. Elektriksel olarak küçük antenlerin ışıma direnci antenin elektriksel uzunluğunun karesi ile orantılıdır. Şekil 3.15, elektrik dipolün ışıma direncinin antenin elektriksel uzunluğuna bağlı olarak nasıl değiştiğini göstermektedir.. Anten ışıma direnci (Ω). Elektrik dipol. Anten uzunluğu (xλ). Şekil 3.15 Elektrik dipolün ışıma direncinin antenin elektriksel uzunluğu ile değişimi.. Antenler tüm yönlere aynı ışımayı yapmazlar. Antenin yönlü bağımlılığı, anten ışıma deseni ile gösterilir. λ/2 uzunlukta antenin sahip olduğu ışıma deseni oldukça basit bir yapıdadır. Böyle bir antene gelen gücün çoğu anten uzunluğuna dik biçimde yayılır ve anten üzerinde yüklerin hareket ettiği doğrultuda ışıma gerçekleşmez. Yatay ve dikey dipol anten için ışıma desenleri Şekil 3.16’de verilmiştir..

(45) 34. Şekil 3.16 λ/2 dipol antenin 3 boyutlu ışıma deseni.. Elektromanyetik dalga boşlukta hareket ederken elektrik alan, manyetik alan bileşenleri. ve. hareket. yönü. birbirine. diktir.. Bu. sınırlamalar. içerisinde. elektromanyetik alan bileşenleri 360° lik bir alanda herhangi bir yönde olabilir. Bunu antenin yönü belirler. Bir elektrik dipol için elektrik alan, dipol telinin yönünde polarize edilir. Manyetik alan da elektrik alana dik olacak şekilde meydana gelir. Manyetik dipol antenlerde manyetik alan simetri ekseni doğrultusunda meydana gelir. Anten polarizasyonu genellikle yer yüzeyi referans alınarak dikey veya yatay olarak ifade edilir. Örneğin bir arabadaki monopol radyo anteni dikey polarizasyona sahiptir. İyi bir sinyal iletimi için alıcı anten ile verici anten aynı polarizasyonda bulunmalıdır. Eğer alıcı ve verici antenler farklı polarizasyonlarda yerleştirilmişler ise sinyal gücü yaklaşık 3dB zayıflayacaktır. Dalgaboyu büyük olduğu için AM radyo antenleri oldukça uzun olacaktır. Bu yüzden dikey polarizasyonlu olarak yerleştirilmeleri daha uygundur. FM radyo ve TV antenleri dikey, yatay veya dairesel polarizasyonlu seçilebilir. Dairesel polarizasyonlu bir anten eşit miktarda hem yatay hem dikey polarizasyonlu dalgaları içerir. Dairesel polarizasyon isminin verilmesinin sebebi dalga hareket ettikçe polarizasyonun dönmesidir. Dairesel polarizasyonlu.

(46) 35. dalgalar yatay ve dikey polarizasyonlu alıcı antenler tarafından eşit şekilde algılanır (Schmitt 2002).. 3.7.1 Cep telefonlarında kullanılan antenler. Bir anten tasarlanırken dikkate alınması gereken parametreler mevcuttur. Bunlar.  Giriş empedansı  Band genişliği  Kazanç ve ışıma deseni  Çalışma frekansıdır.. Kablosuz sistemlerde kullanılan bir çok anten çeşidi vardır. Bunların en yaygın kullanılanları (Fugimoto ve James 1994);.  Monopol anten  Halka anten  Sarmal anten  PIFA (Planar inverted-F antenna). şeklinde sıralanabilir. Şekil 3.17’de görülen monopol antenler Şekil 3.18’de görülebileceği gibi 360˚ lik bir alana eşit ışıma yapabildikleri için cep telefonu uygulamalarında en çok tercih edilen antenler arasındadır. Bu antenler çoğunlukla dikey polarizasyonlu olarak kullanılırlar. İdeal toprak düzlem üzerine yerleştirilmiş tipik ince silindirik bir monopol antenin rezonans frekansındaki giriş rezistansı yaklaşık olarak 36.5 ohm’dur. Monopol antenler Şekil 3.19 ve Şekil 3.20’de görülebileceği gibi indüktif ve kapasitif yüklenebilirler bu sayede istenilen ışıma daha kısa boylu antenle elde edilebilmektedir..

(47) 36. (a). (b). (c). Şekil 3.17 (a) Tel monopol (b) Şerit monopol (c) boyu ayarlanabilir monopol.. y. x. Şekil 3.18 Bir monopol antenin yatay düzlemdeki ışıma deseni.. Şekil 3.19 Monopol antenin kapasitif olarak yüklenmesi.. Şekil 3.20 Monopol antenin indüktif olarak yüklenmesi..

(48) 37. Şekil 3.21’de görülen dikdörtgen halka antenlerin ışıma desenleri Şekil 3.22’deki gibidir. Ayrıca bu antenler bağlandıkları cihazın içine de yerleştirilebilirler. Yüksek frekanslarda antenin boyutları daha da küçüleceğinden içeri yerleştirme kolaylaşacaktır. Halka antenlerin ışıma direnci halkanın elektriksel boyutuna bağlı olarak çok küçük değerlerden 100 ohm’a kadar değişebilmektedir. Küçük tek halkadan oluşan antenin ışıma verimi düşüktür, fakat çoklu halka kullanılarak ve/veya ferrit çekirdek kullanılarak verim iyileştirilebilir.. Şekil 3.21 Anten yapıları (a) Tepe yerleşimli (b) Kenar yerleşimli (c) Kenar yerleşimli çoklu halka.. y. y. x. (a). x. (b). Şekil 3.22 (a) Tepe yerleşimli dikdörtgen halkanın yataydaki ışıma deseni (b) Kenar yerleşimli dikdörtgen halkanın yataydaki ışıma deseni.. Şekil 3.23’de görüldüğü gibi sarmal anten düzgün silindirik sargılardan oluşmaktadır. Bu anten de monopol antenin ışıma desenine sahiptir ve dikey polarizasyonlu olarak kullanılır. Sarmal antenler, rezonans frekansında kullanılan boyları λ/4 monopolden daha kısa olduğundan kullanışlıdır..