www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Faz Dizi Antenler

Resim 1: Solda aynı fazda beslenen iki anten elemanı, sağda ise farklı fazlarda beslenen iki anten elemanı görülüyor

Resimde yanyana yerleştirilmiş, eş fazda ışıma yapan iki elemanın anten çizgesinde ki girişme görülüyor. Ana ışıma merkez ekseni yönündedir. Resimde yanyana yerleştirilmiş, farklı fazda ışıma yapan iki elemanın anten çizgesinde ki girişme görülüyor. Ana ışıma keza hafifçe yukarıya doğru kaymıştır.

Resim 1: Solda aynı fazda beslenen iki anten elemanı, sağda ise farklı fazlarda beslenen iki anten elemanı görülüyor

Faz dizi antenler, her bir ışıma elemanı farklı faz açılarıyla beslenebilen bir anten grubudur. Böylece elektronik olarak kumanda edilebilen bir anten ışıma çizgesi meydana gelir. Bu antenlerde ki önemli ilke girişimdir (interference); yani iki (veya çoğu kez daha fazla) sinyalin fazına bağlı olarak birbiriyle girişmesidir. 1.nolu resimde aynı renge sahip, yani aynı fazdaki sinyallerin birbirine eklenerek kuvvetlendiğine ve farklı renkteki, yani zıt faza sahip sinyallerin ise birbirini yok ettiğine dikkat ediniz. İki beslemeden (horn feeder) eşzamanlı iki darbe gönderildiğinde bir girişim meydana gelir; sinyal ana yönde kuvvetlenirken, yan yönlerde zayıflar. Burada her iki besleyiciden yayınlanan sinyaller aynı fazdan beslenmektedir. Sinyal bu durumda ana yönde kuvvetlenir.

Resmin sağında yer alan ikinci grafikte ise beslemeden çıkan sinyal, üstteki beslemeye göre yaklaşık 22° farklı fazda (yani daha erken) gönderilmektedir. Bu nedenle toplam ışıma sinyalinin ana yönü yukarıya doğru kaymış bulunuyor.

(Grafikte ki besleme boynuzlarında yansıtıcı kullanılmamıştır. Bu nedenle anten ışıma çizgesindeki (anten radiation diagram) topuz (lobe), ana topuzla aynı büyüklükte görülmektedir.)


Resim 2: Anten ışımasının elektronik olarak saptırılması,
Sol taraf: Işıma anten cephesi yönünde, Sağ taraf: Saptırılmış ışıma

Elektronik saptırmanın canlandırılması
(Büyütmek için tıklayınız: 591·723 piksel = 468 kByte)
Resim 2: Anten demetlerinin elektronik saptırılmasını gösteren bir canlandırma

Işıma sinyalleri bir faz kaydırma devresi ile kumanda edildiğinden, yayılma yönlerinin de elektronik olarak kontrol edilmesi mümkün olur. Bu anten düzeninin verimi, anten düzlemine dik olan, ana yayılma yönünde en büyük olması nedeniyle sınırsız değildir. Bir faz dizi antenin görüş alanının (FOV, Field of View) en büyük değeri 120° dir (60° sola ve 60° sağa). Diğer taraftan, ana yöndeki aşırı salınımlarla istenmeyen yan lobların sayısı ve kuvveti artarken, eşzamanlı olarak etken anten yüzeyi de küçülür. Sinüs bağıntısı ile gerekli faz açısı kayma miktarı hesaplanabilir. Ana demet daima faz kayma artışının olduğu yöne doğru kayar.

Bir anten alanında herhangi bir anten yapısı ışıma elemanı olarak kullanılabilir. Bir faz dizi antenin en öne çıkan özelliği; her bir yayın elemanı için faz kayma miktarının ayarlanabilmesi ve bunun sonucu olarak ışıma ana yönünün değiştirilebilmesidir. Hem yatay ve hem de düşey düzlemde ışıma demeti elde edebilmek için bir anten düzleminde çok sayıda ışıma elemanı kullanmak gerekir. Örneğin, RRP-117 radar anteninde bu ışıma elemanlarından 1548 adet bulunmaktadır.


ÜstünlükleriKusurları
  • eşzamanlı kuvvetli bir yan topuz bastırma ve daha yüksek bir anten kazancı
  • demet yönünü çok hızlı değiştirebilme (µs mertebesinde) ve böylece bir başka hedefi yakalama imkanı
  • çizge biçiminin çok hızlı şekillenmesi ve –yeniden değiştirilebilmesi (demet ataklığı (beam agility))
  • rasgele gözetim ve izleme
  • hedefi aydınlatma süresini (dwell time) seçme olanağı
  • aynı anda birden fazla demet üreterek çok işlevli çalışma imkanı
  • bir elemanın arızalanması durumunda sistemin çökmemesi (bu durumda bir miktar kapasite kaybı ve demet keskinliği kaybı söz konusu)
  • yatayda ve düşeyde sınırlı tarama bölgesi (yatayda en fazla 120°)
  • demetlerin saptırılması sırasında demetlerde oluşan şekil bozulması
  • ışıma çizgelerinin frekansa olan bağımlılığı (düşük frekans ataklığı (low frequency agility))
  • karmaşık işlemci ve faz kaydırıcı devrelerin kullanılması
  • yüksek maliyetler (bu durum devam etmekte)
Düzenleme biçimleri

Resim 3: Doğrusal dizi

Resimde üç boyutlu bir doğrusal faz dizi anten düzlemi görülmektedir. Çok sayıda, yatay anten grubu kendileri ait güç yükselteçleri ile birlikte birbirleri üzerine yerleştirilmişlerdir. Her bir anten grubu için faz kaydırıcı gerekmektedir

Resim 3: Doğrusal dizi

Doğrusal Diziler

Faz Dizi Antenler, ortak bir faz-kaydırıcı tarafından kumanda edilen ışıma elemanları satırlarından meydana gelmektedir. (Her bir satır için bir faz kaydırıcı devre gerekir.) Çok sayıda, birbiri üzerine düşey istikamette konulmuş doğrusal antenler bir anten düzlemi teşkil ederler.

Bu tür antenler çoğunlukla yalnızca bir düzlemde tarama yapılması gereken yerlerde kullanılırlar; çünkü RRP-117 radarı örneğinde olduğu gibi anten zaten yatayda dönmektedir.

Resim 4: Düzlemsel dizi

Resimde üç boyutlu bir doğrusal faz dizi anten düzlemi görülmektedir. Çok sayıda, yatay anten grubu kendileri ait güç yükselteçleri ile birlikte birbirleri üzerine yerleştirilmişlerdir. Her bir anten elemanı için kendine ait bir faz kaydırıcı gerekir

Resim 4: Düzlemsel dizi

Düzlemsel Diziler

Bu faz dizi antenler, her birisi kendisine ait faz kaydırıcısına sahip tekli elemanlardan oluşur. (Her bir ışıma elemanı için bir faz kaydırıcı devre gerekir.) Elemanlar bir matriste dizildiği gibi dizilmiş olup, elemanların düzlemsel yerleşimi toplam anteni meydana getirir.


Resim 5: Frekans taramalı dizi

Grafikte ST-68U antenine ait elemanların besleme hattı yapısı görülmektedir: Bu kıvrımlı hat 127 elemanı beslemektedir. Anten ışıma diyagramı frekansın değerine bağlı olarak yukarı kayar.
Resim 5: Frekans taramalı dizi

Frekansa bağımlı demet kumandası

Frekansa bağımlı demet kumandası (yani saptırılması); kumandanın hiç bir faz kaydırıcı devre kullanılmaksızın, besleme elemanının gönderim frekansı ile kumanda edildiği faz dizi antenlerin bir özel durumudur. Demetlerin saptırılması frekansın bir fonksiyonudur. Bu tür faz dizi antenler daha ziyade eski radarlarda kullanıldı.

Bir düşey anten grubu seri olarak bir dalga kılavuzu üzerinden beslenir. F1 temel frekansında tüm yayın elemanları, n · 360° faz kayması meydana gelecek şekilde, yapıcı (constructive), eşit uzunlukta dolanan hatlar üzerinden aynı fazda beslenirler. Tüm ışıma elemanları eşzamanlı ve eş fazlı olarak çalışırlar. Oluşan ışıma anten düzlemine dik yöndedir.

Gönderim frekansı çok az bir miktar arttırıldığında dolanan hatların belirlenmiş yapıcı uzunluğu artık geçerli olamayacaktır. Dolanan hat uzunluğu şimdi bir miktar daha uzundur. Yayın elemanından yayın elemanına bir faz kayması meydana gelir. İlk yayın elemanında ki yayın, bir sonrakine göre biraz daha az olacaktır ve benzeri şekilde devam eder. F2 frekansında oluşan ışıma diyagramı, Θs açısı kadar yine yukarı yöne kayacaktır.

Bu tür demet kumandası biçimi basitçe tesis edilebilir, ancak sınırlı sayıda sabit gönderim frekanslarıyla çalışırlar. Yüksek gürültü içeriği yanında başka kısıtlamaları da vardır; örneğin, bu radarlar darbe sıkıştırma tekniğini kullanamaz.

recommendation Sistemleri Besleme

Faz kaydırma hesabı

Belirli bir yayın açısını elde etmek için bir elemandan diğerine faz kaydırma miktarı x= Δφ ne olmalıdır?

Burada yönbağımsız (her yönde eşit yayın yapan, İng: isotropic) bireysel elemanların doğrusal biçimini ele alacağız.

Elemanlar arasında ve bir elemana gelen (ya da giden) yayın hattı arasında meydana gelen dik üçgenin kısa kenarı, ardışık iki elemana gelen yayının kat ettiği mesafeler arasındaki farktır. Çünkü bir elemana göre diğer elemana varış arasında bir zaman farkı vardır. Üçgenin hipotenüsü iki ışıma elemanı arasındaki aralık olup, üçgenin uzun kenarı bir sonraki elemandan bir önceki elemana gelen yayın hattına çizilen dik bir yardımcı çizgidir.

Grafikte her biri kendine özgü faz farkıyla ışıma yapan birden fazla sayıda ışıma elemanı ve faz kayma olayının geometrisi görülmekte.

Resim 6: Faz kaymasının oluşumu

x = d · sin Θs (1)
 

 
360° = λ Δφ = Ardışık iki ışıma elemanı
    arasında ki faz açısı farkı
d = Işıma elemanları aralığı
Θs = Işıma açısı
(2)


Δφ x

 
Δφ = 360° · d · sin Θs (3)

λ

Verilen:

  • λ=10 cm dalga boyunda çalışan bir radar.
  • Eleman aralığı: 15 cm.
  • Elemanlar arasındaki besleme zaman farkları ihmal edilebilir olsun.
  • Işıma açısı Θs= 40° olsun.
İstenen:
  • 8 nolu faz kaydırıcının bu ışıma açısını sağlayabilmesi için açısı ne olmalıdır?

Önce elemandan elemana faz kayma miktarı x i bulmalıyız.
Bu iş için bir hesap makinesine ihtiyacımız olacaktır:
Δφ =(360°·15 cm/10 cm)·sin(40°) = 347,1°.

Buradan 8. yayın elemanının faz kayma miktarı, önceki 7 adet aralık için 7 ile çarpılarak φ = 7 · 347,1 = 2429,7° olarak hesaplanır.

Sinüs fonksiyonları periyodik olarak tekrar ettiğinden, 360° nin katlarının sinüs değeri birbirinin aynıdır. Bu nedenle 2429,7° den 360° dereceyi art arda çıkarırsak
φ = 269,7° buluruz. Bu değer 8. elemanın sahip olması gereken faz kayma açısıdır.