www.radartutorial.eu Principiile Radiolocaţiei

Comutatorul de antenă cu ramificaţii

caracteristica de curent
caracteristica de tensiune
caracteristica de impedanţă

Figura 1: Caracteristicile de tensiune şi de curent într-o linie de transmisie

caracteristica de curent
caracteristica de tensiune
caracteristica de impedanţă

Figura 1: Caracteristicile de tensiune şi de curent într-o linie de transmisie

Emiţător
Receptor
Tub ATR
Tub TR

Figura 2: Comutator de antenă cu ramificaţii, pe cablu coaxial

Emiţător
Receptor
Tub ATR
Tub TR

Figura 2: Comutator de antenă cu ramificaţii, pe cablu coaxial

Comutatorul de antenă cu ramificaţii este realizat cu ajutorul unor segmente de linii de transmisie. Aceste segmente sunt scurtcircuitate cu ajutorul tuburilor descărcătoare sau al diodelor PIN, astfel încât energia electromagnetică este dirijată către dispozitivul corespunzător al radarului.

Condiţii de funcţionare

O proprietate importantă a segmentelor de linie de lungime λ/4 o reprezintă aceea de transformare de impedanţă. Luând în considerare tensiunea şi curentul dintr-o linie de transmisie se pot observa următoarele:

O valoare maximă a curentului se obţine pentru o linie în scurtcircuit. În punctul de scurtcircuit tensiunea are valoarea minimă, zero. Valoarea maximă a tensiunii se obţine când curentul este zero, adică linia este în gol.

La frecvenţe foarte înalte maximele şi minimele alternează sinusoidal cu frecvenţa semnalului. Caracteristica de tensiune este defazată de cea de curent cu 90° (echivalent cu un sfert de lungime de undă λ). Astfel, pe linia de transmisie va exista o distanţă de λ/4 între maximele de tensiune şi cele de curent. Dacă luăm în considerare impedanţa, conform formulei R = U / I în punctele de tensiune maximă (echivalente cu minime de curent) există o impedanţă foarte mare (infinită). În punctele de minim de tensiune (şi implicit de maxim de curent) impedanţa are valoarea zero. Datorită periodicităţii funcţiei sinus rezultă că un scurtcircuit (impedanţă zero) va fi transformat la o distanţă de λ/4 în impedanţă infinită, similar cu o linie în gol. La o distanţă de încă λ/4 va exista un scurtcircuit, şi aşa mai departe.

Principiul de funcţionare

În figura 1 este prezentat un comutator pe cablu coaxial, cu două ramificaţii derivaţie de lungime λ/2, prima terminată în scurtcircuit, iar a doua conectată la intrarea receptorului. În fiecare ramificaţie, la distanţa λ/4 de linia principală este montat câte un descărcător.

Pe timpul emisiei, puterea mare a impulsului de sondaj ionizează ambele descărcătoare. Rezistenţa lor devine foarte mică, practic zero, astfel că cele două ramificaţii devin linii λ/4 terminate în scurtcircuit (punctele C şi D). Impedanţa zero devine impedanţă infinită la distanţa λ/4, în punctele A şi B. Semnalul de sondaj nu poate pătrunde în niciuna din ramificaţii. Astfel, întreaga energie de la emiţător este transmisă către antenă.

Principalele dezavantaje ale acestui tip de comutator sunt:

Rezistenţa unui descărcător amorsat nu este totuşi nulă. Folosirea unui singur descărcător în ramificaţie oferă o izolaţie de circa 30 dB. De aceea sunt utilizate mai multe descărcătoare în ramificaţia dinspre receptor, dispuse la distanţa de λ/2 unele de altele.

Pe timpul recepţiei, puterea semnalelor ecou nu este suficient de mare pentru a amorsa descărcătoarele. Ambele descărcătoare vor avea o rezistenţă infinită. În aceste condiţii, prima ramificaţie, numită „circuit de blocare a emiţătorului”, devine o linie λ/2 terminată în scurtcircuit. Impedanţa zero a capătului ramificaţiei este transmisă tot ca scurtcircuit în linia principală (punctul A), respectiv ca impedanţă infinită la intrarea către receptor (punctul B). Semnalul ecou va pătrunde către receptor. Eventualele scurgeri ale semnalului ecou ce vor pătrunde către emiţător vor fi reflectate în punctul A, întorcându-se în punctul B în fază cu semnalele ce intră spre receptor. În acest fel întreaga energie a semnalelor ecou este dirijată către receptor, nivelul pierderilor fiind redus la minimum.

Descărcătoare
Descărcător cilindric, cu electrod de preionizare
electrod de preionizare
spaţiu dintre electrozi
masă

Figura 3: Descărcător cilindric, cu electrod de preionizare

Descărcătoarele, numite şi eclatoare, sunt tuburi cu descărcare în gaze, formate din doi electrozi dispuşi într-un balon de sticlă, după cum se observă în figura 2. La aplicarea unui semnal de putere mare, gazul din descărcător se ionizează, iar între electrozi apare o descărcare sub formă de plasmă. Rezistenţa între electrozi devine foarte mică, de câţiva ohmi. Fenomenul poartă numele de amorsarea descărcătorului.

Nivelul de putere necesar ionizării descărcătorului poate fi coborât prin reducerea presiunii gazului din interior. De asemenea, timpul de revenire al descărcătorului (timpul de dezamorsare) poate fi redus prin introducerea de vapori de apă în descărcător. De exemplu, un descărcător ce conţine vapori de apă la o presiune de 1 milimetru coloană de mercur are un timp de revenire de 0,5 microsecunde. Timpul de revenire este un factor determinant pentru distanţa minimă de descoperire a radarului. Astfel, semnalele reflectate de la ţintele aflate în apropierea radarului sosite înainte de dezamorsarea descărcătorului nu vor putea intra în receptor, iar ţintele vor fi pierdute.

Timpul de amorsare al descărcătoarelor trebuie să fie la rândul lui foarte mic, pentru a împiedica pătrunderea în receptor a semnalului puternic de sondaj (timpul de front al impulsului de sondaj este de aproximativ 100 ns). Reducerea acestuia poate fi realizată prin aplicarea pe electrozi a unei tensiuni de preionizare („keep-alive voltage”), cuprinsă între 100 V şi 1000 V. Prezenţa acestei tensiuni are ca efect ionizarea rapidă a gazului la sosirea impulsului de sondaj.

Descărcătoare dreptunghiulare
fereastră
spaţiu de descărcare
diafragmă

Figura 4: Descărcător dreptunghiular

Descărcătoarele dreptunghiulare sunt construite pe segmente de ghid de undă, de obicei de lungime λ/4. Capetele segmentului de ghid sunt prevăzute cu diafragme şi închise cu sticlă sau cuarţ. Diafragmele au rol de adaptare de impedanţă, dar şi de circuite oscilante selective. Pe timpul emisiei gazul din descărcător se ionizează şi blochează pătrunderea semnalului puternic de sondaj în receptor. Pe timpul recepţiei, descărcătorul este dezamorsat şi se comportă ca un filtru trece bandă. Descărcătoarele dreptunghiulare pot conţine în interior electrozi sub formă de conuri, precum şi un electrod de preionizare.

Figura 5: Ex.: Descărcător tip MD 80 S 2 produs de „Raytheon”

Descărcătorul prezentat în figură face parte din traseul ghid de undă al radarului ASR–910. El este umplut cu argon. Warning

După cum se observă pe etichetă, acest descărcător conţine material radioactiv, mai precis H3 (Tritiu). Introducerea de material radioactiv în descărcător duce la scăderea timpilor de amorsare/dezamorsare. Prezenţa substanţei radioactive necesită manipularea cu atenţie a acestor descărcătoare, existând pericolul de contaminare cu radiaţii β în caz de spargere (0,6 la 1,3 Giga-Becquereli).

Descărcătoare ATR

Descărcătoarele de blocare a emiţătorului ATR sunt mai simple constructiv decât cele folosite pentru protecţia receptorului. Aceste descărcătoare conţin doar gaz simplu, de obicei argon, deoarece timpul de revenire nu este un parametru foarte important în cazul lor. De asemenea, nu necesită aplicarea unei tensiuni de preionizare. Din aceste motive, aceste tuburi au o durată de viaţă mult mai mare decât cele de protecţie a receptorului.

După cum se observă, din punct de vedere funcţional există două tipuri de descărcătoare: unele pentru blocarea căii către emiţător pe timpul recepţiei, iar celelalte pentru protecţia receptorului, în special pe timpul emisiei. În literatura occidentală primele sunt întâlnite sub denumirea de tuburi ATR(ATR tube – Anti-Transmit-Receive tube), iar celelalte ca tuburi TR(TR tube: Transmit-Receive tube).