Monopol Anten Nedir? Nasıl Yapılır?
Bu makalede monopol antenin temel çalışma prensibini, bir monopol antenin imal edilme sürecini ve bir çift lora modülü ile gerçekleştirdiğimiz açık alan mesafe testini sunuyoruz.
Bir aynanın karşısına herhangi bir nesne yerleştirildiğinde aynanın içinde o nesnenin simetrik bir görüntüsü oluşur. Durgun bir su yakınındaki ağacın su yüzeyinde görüntüsünün aksetmesi de aynı mantıkta gerçekleşir. Elektromanyetik dünyasında da benzer bir durum söz konusudur. Topraklanmış iyi iletken bir levha yakınına bir yük yerleştirilirse, levhanın diğer tarafında eşit uzaklıkta bir yük oluştuğu kabul edilebilir. Ayna metaforundan farklı olarak, burada oluşan görüntünün yük değeri zıt işaretli olacaktır. Böylece oluşan elektrik alan, zıt işaretli ama eşit değere sahip iki yükün arasında oluşan alan gibi olacaktır. Hatta görüntü yöntemi denilen bu kabulle elektrik alanın yanı sıra elektriksel potansiyel ve levha yüzeyindeki yük dağılımı hesaplamaları da gerçekleştirilebilir. İki zıt yük için oluşan bir başka enteresan durum yükün hareketi ile oluşacak akım için söz konusudur. Örneğimizdeki pozitif yükler iletken plakadan uzaklaşırsa pozitif yükle aynı yönde bir akımın varlığı kabul edilmelidir. Bu durumda görüntü olarak kabul ettiğimiz yük de doğal olarak iletken plakadan uzaklaşacaktır. Ancak yük değeri zıt işaretli, yani negatif olduğu için, elde edilen akım pozitif yük ile aynı yönde olacaktır. Bu olay dipol antenin çift kutuplu yapısına çok benzerdir. Ne var ki bu sistemde gerçekte tek bir kutup vardır ve diğer kutup aslında görüntüden ibarettir. Bu yönüyle bir monopol anteni bir dipol antenin yarısı gibi düşünebiliriz.
Klasik bir monopol anten imalatı için çeyrek dalga boyu uzunluğunda bir parça tel, dişi bir SMA konektör ve tek yüzeyli bir baskı devre kartı yeterli olacaktır. Konektörün bacakları açılan deliklerden geçirilerek iletken toprak yüzeye lehimlenir. Ardından tel SMA konektörün sinyal ucuna lehimlenir. Bu haliyle bir monopol anten elde etmiş oluruz. Ancak bu anten dış etkenlerden kolayca etkilenebilecek bir yapıdadır. Bu çalışmada, klasik monopol yerine daha ergonomik ve sağlam bir yöntemi tercih edeceğiz. Çift taraflı bir baskı devre kartını kullanarak mikroşerit monopol bir anten üreteceğiz.
Şimdi 868 MHz merkez frekansına sahip bir baskı devre monopol antenin nasıl yapılabileceğini birlikte görelim. Öncelikle dalga boyunu hesaplamamız gerekiyor. Dalga boyunu hesaplamak için c=λ*f formülünü kullanabiliriz. Burada c ışık hızını, λ dalga boyunu ve f de ilgilendiğimiz frekansı temsil etmektedir. Böylece dalga boyunu yaklaşık 34 buçuk cm olarak elde ederiz. Monopol antenimizin tel uzunluğu çeyrek dalga boyu olacağı için yaklaşık 8.6 cm’lik iletken bir tele ihtiyacımız var. Pratikte bu uzunluk 8.4 cm olacaktır, yani çeyrek dalga boyundan birazcık daha kısa.
Üreteceğimiz baskı devre mikroşerit monopol antene ait ölçüler aşağıdaki şekilde olduğu gibidir. Devre kartı olarak 1.6 mm kalınlığında çift taraflı bir FR-4 kullandık.
Baskı devre için kullanılabilecek PDF dosyasını bu linkten indirebilirsiniz.
Monopol anten üretiminin ilk aşamasında çift taraflı FR-4 devre kartı üzerinde ölçüleri işaretledik. Bu ölçülere dikkat ederek kartı kestik. İzopropil alkol ile kart yüzeyini temizledik. Şerit üst tarafa toprak yüzey alta gelecek şekilde bir müsvedde kağıt üzerinde planlama yaptık. Ancak esas baskıyı daha az emici olan bir dergi sayfasına lazer yazıcı ile çıktı alarak gerçekleştirdik. Kağıt üzerindeki tonerin devre kartına geçişi için ısı transfer cihazını kullandık. Kartı cihazın içerisinde 180 derecede 1 dakika beklettik. Yeterince soğuttuğumuz karttan kağıdı ayrıştırmak için suyun içerisinde beş dakika kadar beklettik. Demir 3 klorür ile boyalı olmayan kısımların bakırlarını çözdük. Dişi SMA konektörü sinyal ucu şeride, bacakları toprak yüzeye gelecek şekilde karta lehimledik. Antenimiz kullanıma hazır.
Mini vektör ağ analizörü ile antenimizin S11 saçılma parametresini inceledik. -10 dB’nin altında kalan bölgenin bant genişliğinin 77 MHz olduğunu gördük. 868 MHz rezonans frekansındaki değerini ise –18dB olarak ölçtük.
Mesafe ölçümü için iki eş monopol anten kullandık. Verici olarak sabitlediğimiz anteni E22-900T22D Lora ve Arduino Nano birimlerinden oluşan bir modüle bağladık. Modülü USB arabirim yardımı ile bir lityum iyon güç kaynağı ile besledik. Verici modülü, 3 adet tam sayı değerini kablosuz olarak gönderebilecek şekilde programladık. Alıcı modül aynı konfigürasyona sahipti ancak bir bilgisayara USB portundan bağlıydı. Gelen verileri ekranda görebileceğimiz şekilde seri monitörü hazır bulundurduk.
Mesafe ölçümü için sahaya çıktığımızda verici düzeneği yüksek bir tepedeki bir ağaç dalına astık. Gözlem hattını koruyacak şekilde vericiden uzaklaşmaya başladık. Sırasıyla 6 km, 8 km, 16 km, 20 km, 22 km, 25 km, 28 km ve 30 km uzaklıkta verileri almayı başardık. 30 km’den daha ileri bir bölgede gözlem hattı içerisinde bir alan bulamadığımız için ölçüme devam etmedik. Böylece ürettiğimiz monopol antenin oldukça uzak mesafelerle başarı ile haberleşebildiğini görmüş olduk.