Elektromanyetik Dalga Ortamları - İletim Hatları ve Dalga Klavuzları

İletim Hatları

Dalga klavuzları üniversite elektromanyetik derslerinde sıklıkla karşılaşılan ama bir türlü tam olarak tahayyül edilemeyen ya da dersin yoruculuğundan tahayyül edilmek istenmeyen bir konudur. Dalga klavuzunun tam olarak ne işe yaradığını anlamak için önce iletim hatlarından biraz bahsedelim.

İletim hatlarını PCB üzerindeki akım yolları veya elektrik sinyali taşıyan bir diğer ortam olan kablolar olarak düşünebilir. Bunlar birer iletim hattıdır. İletim hatları zayıf cross-talk , düşük EMI gürültüsü, daha az kayıp gibi avantajlara sahip olan hatlardır. Dezavantajları arasında daha fazla güç gerektirdiklerini sayabiliriz. 

Örnek verirsek, USB kabloları, coaxiel kablolar vs. birer iletim hattıdır.

İletim hatlarında EMI gürültüsünün daha düşük seviyede olması, akım döngüleri denen tehlikeli ve istenmeyen gürültü kaynağı durumlar için ortamın ufak olması ve bu durumun oluşmasına pek fırsat vermemes, akımın dönüş yolunun sinyla yoluna yakın olması sayesindedir. Bu durumun temel dayanağı da sinyal gidiş ve dönüş yönlerinin birbirine yakın olmasından ötürü manyetik alan bileşenlerinin birbirlerini sönümlemesindendir. 

Dalga Klavuzları

Dalga klavuzları aslında iletim hatlarının etkisini yitirdiği noktada kullanılmaya başlarlar. 3GHz'in üsüt frekanslarda iletim hatlarından taşınan elektromanyetik enerjinin iletimi olayı zorlaşır. Bunun sebebi de iletkenin kendisi ve iletkeni destekleyen katı dielektrik malzemedeki kayıpların artmasıdır. Bahsi geçen bu üst banttaki frekans değerlerinde bir metalik tüp, tünel yapısı elektromanyetik dalganın daha düzgün iletilmesine yardımcı olur. Aslında dalga klavuzlarının mantıgı da gayet basittir. Klavuz içerisinde yollanan dalga, klavuzun duvarları arasında kayıpsız ya da minimum kayıpla yansıyarak ilerler.  Ayrıca dalgaklavuzları basit üretim yapıları, daha ufak boyutlara sahip olması  ve daha büyük güç taşıma kapasiteleri gibi  iletim hatlarına kıyasla çeşitli avantajlara da sahiptirler.  Bunların yanında düşük verimli olmaları ve düşük frekanslarda tercih edilebilir olmamaları da dezavantajlarından bazılarıdır. 

Dalga klavuzları iletim hatlarının en ilkel halleridir ve birçok uygulamada kulanılmaktadır aslında. 1GHz ve 220GHz (325GHz e kadar çıkar dalgaklavuzu frekansları) arası dalga klavuzlarını referans aldığımızda yani standart dalgaklavuzu bantlarında izolatörler, detektörler, zayıflatıcılar, kuplörler slotlanmış hatlar gibi birçok komponente sahiptirler. 

Dalgaklavuzları TM ve TE modu denen iki adet modu da desteklemektedirler. Bu modlara kısa bakış atmak gerekirse,

Elektromanyetik dalganın klavuz içinde ilerleme doğrultusu z yönü olarak düşünülür genelde. TE modda, dalgaklavuzunda elektromanyetik dalganın Manyetik alan bileşeni dikey oryantasyondayken elektrik alan bileşeni z yönünde hareket etmektedir,  TM  modda ise tam tersi şekilde Elektrik alan bileşeni dikey oryantasyondayken manyetik alan bileşeni z yönünde ilerlemekteedir. Dolayısıyla TM ve TE modlarda birer bileşen 0 değerindedir ve dalgaklavuzu çözüm denklemlerinde de buna göre referans alınarak denklemler çözülmektedir.  TE modda Ez=0, TM modda Hz=0 olarak denklemler çözülür.

Bunların bir diğer üçüncü modunda ise TEM modu vardır. TEM modunda dalgaklavuzu yönünde ilerleyen bir bileşen yoktur. Ayrıca TEM modunun oluşabilmesii için bir değil en az iki adet iletken gereklidir. Bu yüzden dalgaklavuzları tek iletkene sahip olduklarından TEM modunu desteklemezler pek. 

İletim Hatları vs Dalgaklavuzları

İletim Hatları :

2 veya daha fazla iletkenden oluştukları için TEM modunu desteklerler. 

İletim hatlarında elektromanyetik dalganın boyuna alan bileşeni yoktur 

Yüksek güç tutabilme kapasiteleri, düşük kayıpları vardır. Hantal ve daha pahalıdırlar.

Dalga Klavuzları:

Tek bir iletken içerirler ve TE ya da TM mod desteklerler.

İçinde elektromanyetik dalganın boyuna manyetik veya elektrik alan bileşeni bulunabilir

Yüksek bantgenişliği, test uygulamarı için uygun yapıları vardır ve karmaşık mikrodalga komponentleri üretmek için zor ortamdırlar.