Faz Farkı

Yüksek Frekans, SAW Filtre, Faz Cevabı…

Merhaba arkadaşlar, “yazı yazmadan önce düzenleme, düşünce akışını kurma” maddesini ihlal ederek bodoslama giriş yapmış bulunmaktayım. İnternet aleminin izleyicilerinin zihinlerini yazıdaki konuyu -varsa- anlamadan önce bir “preproses” e zorlamanın rahatsızlığını, sitenin bir blog sitesi olduğunu hatırlayıp duymazdan gelerek klavyemin tuşlarına dokunmaya devam ediyorum.

Bir iletim hattına yüksek frekanslı bir gerilim kaynağı bağlandığında oluşan akım nelere bağlıdır veya epey uzunca bir tele DC 10V verildiğinde ilk akım ne kadar olur? Çok iyi iletken bir hattın uçlarına 10 km ileride 10 ohm bağlandığını varsayalım, çıkış akımı 1 A mi olur? Eğer 1 A ise kaynak 10 km ilerdeki 10 ohm u ilk anda bilebilir mi? Gerek DC uyarmada gerekse yüksek frekanslı AC uyarmada bir yönde ilerleyen enerjide akım ile gerilim arasındaki oran iletim hattının fiziksel özellikleri tarafından belirlenir. Kablo boyu kısa da olsa uzun da olsa akim-gerilim bir dalga gibi hatta ilerler, yola çıktığında gerilim/akim orani hattın fiziksel özelliklerine dayanan karakteristik empendans(Zo) tarafından belirlenir. Dolayısıyla yukarıda sorulan 10km sorusunda ilk çıkış akımı 10V/Z0 olacaktır.
DC uyarmada; gerilim-akim, hat mesafesini kısa sürede kat eder(v<c), yükü görür, bir miktarı yutulur/ bir miktarı yansır hatta geri döner kaynaktan da yansır hatta tekrar döner … bu yansımlar hep söndürücü  olur(R<1) ve akım gerilim oranı yükün dayattığı orana gelir. Kaynak DC 10V ve yük 100 ohm olsun, kaynak devreye bağlandıktan sonra cereyan eden yansıma olayları esnasında kaynağımız 10V bile olsa yükte  veya hat üzerinde 10V tan yüksek gerilimler görülebilir ancak sonunda tüm hat 10V ve akım 10V/100hm=0.1A olur. Biz multimetremizi getirene kadar bunlar çoktan olmuştur. Bunlar çok kolay anlatılan şeyler değil, (bildiğim anlamı çıkarılmayabilir), simülasyonla herkes oturup öğrenebilir, örnek PSpice proje dosyası ekleyeceğim. Hostumda “Safe mode restriction…” problemi yaşıyorum.

AC uyarmada da hat boyunca akım-gerilim bir dalga gibi ilerler, gerilimin bir dalga gibi ilerlediğini(gerek DC de gerekse AC de) hattın fiziğinden görebiliyoruz, hat içerisindeki dahili indüktans ve kapasitelerden kurduğumuz model bizi dalga denklemine çıkarıyor.
Frekans yükseldikçe iletim hatlarında dalga hareketi daha belirgin hale gelir, yükler kaynaktan lambda/10, lambda/8, çevrek dalga, yarım dalga boyu kadar uzaklaştığında kaynaktan farklı görünmeye başlıyor. İndüktif yükler kapsitif gibi veya tam tersi görülmeye başlıyor. Empedans formülünü hemen yazalım:

Zin=Zo*(Zyuk+i*Zo*tan beta*l)/(Z0+i*Zyuk*tan beta*l ) , beta=2*pi/lambda

Smith chart kolayliktir, anlasilmasi zor değildir, amanogawa.com daki uygulamalar çok faydalıdır, notunu düşelim.

l kısa ise… mesela lambda/10 olsun görülen empedansın Zload den pek de farklı olmadığını görebiliyoruz ama lambda/4 yazalım… empedans  ne oldu!
Bir dalga gibi ilerleyen akim gerilim orani hattin karakteristik empedansı tarafından belirlenir demiştik. Toplam akım ve gerilimde yükün tabii ki etkisi var ancak giden ve dönen dalgada V/I oranı hattın karakteristik empedansıdır. Toplam akım ve gerilim giden+dönen olacaktır tabii ki.
RF çalışmalarda bu empedans standart 50 ohm (TV 75) seçilmiş, bu seçimin dayandığı sebepler var mıdır yok mudur(microwave101).. ama kablo yapıyorsak karakteristik empedansı 50 ohm olsun, yükselteç, zayıflatıcı, mixer vs… standardımız olsun ki kabloda akan enerji yansımadan yoluna devam edebilsin. Bu 50 ohm rezistif bir 50 ohm değil ama hattın fiziksel özelliklerinden ortaya çıkan ve gerilim/akım oranını belirleyen bir büyüklük! Gerilim/akım oranını hep ohm ile belirttiğimizden onun birimine de ohm diyoruz. Bir yönde ilerleyen bir dalga için hat üzerinde herhangi bir noktada akım ve gerilimi ölçebildiğimizi varsayalım, kayıpsız ve 50 ohm bir hatta akım/gerilim aynı fazdadır ve oran 50 dir. Bildiğimiz güç tanımına ters bir durum, V*I  Watt güç o noktada harcanıyor mu, hayır tabiki… Kullandığımız güç tanımının da nerede geçerli olup/olmadığını düşünelim. Peki o noktada canlı uç/toprak arasında 50 ohm direnç söz konusu mu? Hayır tabi ki, değil direnç bağlantı bile yok, dielektrik malzeme var. Kapasitif de değil, indüktif de değil, öyle bir olay işte, hattın doğası, karakteristik empedansı. Hat uzayınca enerji aktarımını görmek için multimetre, osiloskop ölçümleri işe yaramıyor. Çünkü bu cihazlar hatta bir noktadan örnek alabilirler, yüksek frekansta örneği alırken akışı bozduklarından ölçüm sonucu doğru olmaz. AC bir hattın sonunda, enerji yüke akabilir, geri yansıyıp hatta duran dalga oluşturabilir… bunlar multimetre ile ölçülemez(?)… Yük üzerinde oluşan voltaj değeri veya hat üzerinde beliren voltaj değerleri(duran dalga yoksa kaynak-yük=Z0 ise- Vrms gerilim hat boyunca kaynak RMS ile aynı büyüklükte olmalıdır) enerji aktarımı konusunda bilgi vermez demiyorum sadece doğru ölçülemez diyorum çünkü prob bağlantısı yaptığımızda empedansı bozar, akışı değiştiririz.  Bu yüzden yüksek frekans enerji geçişlerini ancak “directional coupler” gibi akışı bozmadan akıştan bir örnek sunabilen yapılarla ölçebiliyoruz. Network analizörleri bu yapılara dayanan ölçüm cihazlarıdır. s parametreleri, bu akışları söyler. Network analizörü 1. porttan belirlen(ebil)en güçte bir enerji gönderir ve bu enerjinin ne kadarının geri döndüğünü (s11) ve ne kadarının 2. porttan girip devam ettiğini(s21) ölçe(bili)r.

SAW filtreler, surface acoustic waves filtreler, RF çalışmalarda yüksek frekanslarda keskin filtreleme amaçlı kullanılabilirler. Bildiğmiz L, C elemanlarının davranışları frekans yükseldikçe değişir.  SAW filtreler ile örneğin 900MHz de 10 MHz bant genişlikli ve gayet keskin geçişti filtreler bulmak mümkündür. Bu filtrelerde enerji akışı ses dalgaları üzerinden olur, SAW filtredeki olay karşılıklı iki diyafram koyup birinden ses dalgası gönderip diğerinden bu dalgaları (bir mikrofon gibi) alma olayıdır aslında. Malzeme öyle malzeme ki 900 MHz de titreşiyor, 915 de titreşmiyor… piezoelektrik malzeme dünyası…
Bir network analizörü ölçümünde, ölçüm yapmadan önce ölçümde kullanacağımız kabloları cihaza tanıtmamız gerekir. Analizör, kabloların uzunluğunu ve kaybını kaydeder ve bağlayacağımız cihazın değerlerini bu değerleri hesaba katarak ölçer. Portlara A ve B kabloları bağlanarak yapılan kalibrasyon değerleri saklanır ve yeni kalibrasyon yapmadan bu kalibrasyon değerleriyle A B kabloları her zaman kullanılabilir.  Bir kalibrasyonun gerçekten A ve B kablolarıyla yapıldığına emin olmak için en güzel yol, kabloları birbirine bağlayıp (through) faz cevabına(s21 in açısına) bakmaktır. Belirli bir frekans aralığında bir faz cevabı ancak kalibrasyonla düz olabilir.  Kalibre edilmiş bir analizörde 30 cm lik bir kablonun  500 MHz de 180 dercelik faz kayma bekledim… çok bekledim. Kablo dilektrik malzemesi er si 1 den farklı olduğundan hız düşmüştü…

RF devrelerimizde özellikle alıcı devrelerde ekranlama yapmazsak yükseltici girişlerindeki yollara kuple olan gürültüleri yükseltici çıkışında görürüz. Yolları kısa da tutsak az veya çok bu kaçınılmaz bir olaydır. Çizimi yapabildiğimiz kadar iyi yapar sonra tüm devreyi veya sadece ilgili yeri kutularız. İlginçtir bir devremiz kutusuz normal fonksiyonu çalışırken kutulandıktan sonra garipleşti, kutu içerisindeki yansımalar bozulmaya sebep oldu. Kutunun bir çeperine ismini bilmediğim ama “absorber”-yutucu diyebileceğim süngersi malzemeden koyunca problem çözüldü…. Aslında problemin asıl nedeni layout a tam uymayan bir eleman, bu elemanın iyi lehimlenmemesi sonucu ortaya enteresan bir sonuç çıktı: kutu kapanınca çalışmama, yutucu ile sorun çözülse de doğru çözüm doğru kılıflı eleman kullanma, nitekim doğru kılıfı taktığımızda kutunun kapanması hiçbir şeyi bozmadı… Notlar böyle.