www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Faz Dizi Antenler

Resim 1: Solda, eş fazlı beslenen iki anten ışıyıcısı, sağda ise farklı fazlarda beslenen iki anten ışıyıcısı 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, eş fazlı beslenen iki anten ışıyıcısı, sağda ise farklı fazlarda beslenen iki anten ışıyıcısı görülüyor
(büyütme linki bir etkileşimli grafiği açıyor)

Faz Dizi Antenler nedir?

Faz Dizi Antenler

Faz Dizi Antenler, her bireysel ışıyıcısının (radiator) farklı faz açılarıyla beslenebildiği bir anten grubudur. Böylece elektronik olarak kumanda edilebilen bir anten ışıma çizgesi meydana gelir. Sonuçta tüm anten çizgesi elektronik saptırılabilir. Elektronik saptırma, antenin mekanik saptırılmasına göre çok daha esnektir ve daha az bakım gerektirir.

Çalışma şekli

Bu antenin prensibinde önemli olan girişim (interference) etkisidir; yani, iki ya da genellikle daha fazla sayıdaki ışıma kaynağının faz açısına bağlı olarak binişmesidir (overlapping). 1 nolu resimdeki grafikte aynı renge sahip eş fazlı işaretlerin kuvvetlendiğine ve zıt fazlı işaretlerin ise birbirini yok ettiğine dikkat ediniz. İki ışıyıcıdan eşzamanlı iki darbe gönderildiğinde bir girişim meydana gelir; işaret ana yönde kuvvetlenirken, yan yönlerde zayıflar. Resimdeki grafikte solda yer alan ışıyıcı grubundaki her iki ışıyıcı da eş fazlı beslenmektedir. İşaret bu durumda ana yönde kuvvetlenir.

İkinci grafikte, üstteki ışıyıcıdan yayınlanan işaret alttaki ışıyıcıya göre yaklaşık 22° lik bir faz farkıyla (yani bir miktar gecikmeli) gönderilmektedir. Bu nedenle toplam ışıyan işaretinin ana yönü hafifçe yukarıya doğru kaymış bulunuyor.

Grafikte ışıyıcılar, yansıtıcı olmaksızın gösterilmiştir. Bu nedenle anten ışıma çizgesinin (antenna radiation diagram) geri topuzunun (back lobe) büyüklüğü ana topuzla aynıdır. Geri topuzun yönü de yine yukarıya doğrudur. İpucu: Resme büyütülmüş durumda bakınız ve faz kaydırıcı anahtarını çevirerek alttaki ışıyıcının ışıma karakteristiğinin değiştiğini gözlemleyiniz.


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

Yayınlanan işaret şimdi bir faz kontrol devresinden geçirilirse, yayının yönü elektronik olarak kontrol edilebilir. Ancak bu sınırsız değildir, çünkü bu anten düzeninin verimi anten düzlemine dik ana yayın yönünde en büyük değere ulaşırken, ana yayın yönündeki bir aşırı sapma, istenmeyen yan topuzların sayısını ve büyüklüğünü arttırır ve etken anten yüzeyini azaltır. Gerekli faz kayma miktarının hesaplanmasında sinüs kuralı kullanılabilir.

Bir anten alanında herhangi bir anten yapısı ışıyıcı olarak kullanılabilir. Bir Faz Dizi Antenin en öne çıkan özelliği; her bir ışıyıcının faz kayma miktarının ayarlanabilmesi ve bunun sonucu olarak ışıma demetinin ana yönünün değiştirilebilmesidir. Bir anten düzleminde hem yatay ve hem de düşey ışıma demeti elde edebilmek için çok sayıda ışıyıcı kullanılır. Örneğin, AN/FPS-117 radar anteninde, alım işaretinin antenin anten çizgesine halâ benzer biçimde bağlı olduğu bu bireysel ışıyıcılardan 1548 adet bulunmaktadır. Buna karşılık modern çok işlevli radar aygıtları alım yolunda anten çizgesinin sayısal biçimleme tekniğini kullanılır.

Üstünlükleri
  • yan topuzlar kuvvetle bastırılırken, bir eşzamanlı daha yüksek anten kazancı
  • demet yönünü çok hızlı değiştirebilme (µs bölgesinde)
  • çizge biçiminin çok hızlı şekillenmesi ve –yeniden değiştirilebilmesi (demet ataklığı (beam agility))
  • rasgele tarama
  • hedefi aydınlatma süresini (dwell time) seçme olanağı
  • aynı anda birden daha fazla sayıda demet oluşturarak çok işlevli çalışma imkânı
  • bir ışıyıcının arızalanması durumunda sistemin çökmemesi
Kusurları
  • yatayda ve düşeyde sınırlı tarama bölgesi (yatayda en fazla 120°)[1]
  • demetlerin saptırılması sırasında demetlerde meydana gelen şekil bozulması
  • ışıma çizgelerinin frekansa olan bağımlılığı (düşük frekans ataklığı (low frequency agility))
  • çok karmaşık yapı (işlemci ve faz kaydırıcılar)
  • yüksek maliyetler (bu durum devam etmekte)

Olası düzenleme biçimleri

Resim 3: Doğrusal Faz Dizi Anten alanı

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 Faz Dizi Anten alanı

Düzlemsel diziler

Bu tür Faz Dizi Antenler bir faz-kaydırıcı tarafından ortak kumanda edilen ışıyıcı satırlarından meydana gelir. (Bu nedenle her bir anten satırı için yalnızca bir adet faz kaydırıcı devre gerekir.) Üst üste dikey olarak yerleştirilmiş çok sayıda doğrusal dizi bir düzlemsel anten oluşturur.

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 Faz Dizi Anten alanı

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 Faz Dizi Anten alanı

Düzlemsel Diziler

Bu Faz Dizi Antenler, tamamı, her biri kendisine ait bir faz kaydırıcıya sahip tekli ışıyıcılardan oluşur. (Her bir ışıyıcının kendine ait bir faz değiştiricisi olmalıdır!) Işıyıcılar bir matriste dizildiği gibi dizilmiş olup, ışıyıcıların 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 saptırma, Faz Dizi Antenlerin hiç bir faz kaydırıcı devre kullanmaksızın besleme ışıyıcısının gönderim frekansı ile kumanda edildiği bir özel durumudur. Demetlerin saptırılması frekansın bir işlevidir. Bu tür Faz Dizi Antenler eski radarlarda sıkça kullanıldı.

Bir düşey anten grubu seri beslenir. Tüm ışıyıcılar, F1 temel frekansında n · 360° lik bir faz kayması meydana gelecek şekilde, eşit uzunlukta ayarlanmış dolanan hatlar üzerinden aynı faz açısıyla beslenirler. Tüm ışıyıcılar aynı anda ve aynı fazda yayın yaparlar. Sonuçta anten düzlemine dik yönde bir demet meydana gelir.

Gönderim frekansı yüzde birkaç arttırıldığında dolambaçlı hatların yapısal olarak belirlenmiş uzunluğu artık geçerli olamayacaktır. Dolambaçlı hattın uzunluğu şimdi bir miktar daha uzundur. Işıyıcıdan ışıyıcıya bir faz kayması meydana gelir. İlk ışıyıcı, bir sonraki ışıyıcıya göre bu yüzde miktarı kadar daha erken bir ışıma yapar, bu süreç takip eden ışıyıcılarda aynen devam eder. F2 frekansında oluşan ışıma çizgesi Θs açısı kadar yine yukarı yöne doğru kaymıştır.

Demetin bu şekilde saptırılması çok basit olsa da, bu yöntemde kullanılan kurulu sabit gönderim frekanslarının sayısı sınırlıdır. Gürültü duygunluğu (noise susceptibility) yanında başka kısıtlamaları da vardır; örneğin, bu radar aygıtları bant genişliklerinin az olması nedeniyle darbe sıkıştırma tekniğini kullanamazlar.

recommendation Besleme Sistemleri

Faz kayma açısının hesaplanması

Belirli bir ışıma açısını elde etmek için bir ışıyıcıdan diğerine faz kayma miktarı x= Δφ ne olmalıdır?

Burada yönbağımsız (isotropic) bireysel ışıyıcıların bir doğrusal dizilimi ele alınacaktır.

Işıyıcılar arasında, faz kayması uygulanmış demet açısının ilgili demeti arasında, x kısa kenarı ışıma hattı üzerinde bulunan bir dik açılı üçgen çizilebilir. Üçgenin hipotenüsü iki ışıyıcı arasındaki d açıklığıdır. Üçgenin üçüncü kenarı ise bir önceki ışıma yönüne dik olarak çizilen 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 kayma oluşumunun grafiksel gösterimi

x = d · sin ΘS

(1)

Işık hızıyla yayılan bir elektromanyetik dalgada 360° lik bir faz açısı λ dalga boyuna karşılık gelir. x açıklığına karşılık gelen faz farkı Δφ aşağıdaki orantı ile hesaplanabilir:

(2)

  • Δφ = Ardışık iki ışıyıcı arasındaki faz açısı farkı
  • d = Işıyıcılar arasındaki açıklık
  • Θs = Işıma açısı

Bu iki eşitliğin ortak çözümünden Δφ bulunur:

Formül (3): Sinüs bağıntısı ve üçlü kural ile faz kayma miktarını hesaplama formülü.

(3)

Örnek:

  • Radar aygıtı λ=10 cm dalga boyunda çalışmaktadır.
  • Işıyıcılar arası açıklık: 15 cm dir.
  • Besleme hatlarının uzunluğundan kaynaklanan besleme zaman farkları ihmal edilebilir olsun.
  • Işıma açısı Θs= 40° olsun.
İstenen:
  • Bu ışıma açısının sağlanabilmesi için en soldaki 8. faz kaydırıcının φ faz kayma açısı ne olmalıdır?

Önce ışıyıcıdan ışıyıcıya faz kayma miktarını bulmalıyız.
Buradaki trigonometrik işlem için bir hesap makinesine ihtiyacımız olacaktır:
Δφ =(360°·15 cm/10 cm)·sin(40°) = 347,1°.

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

Sinüs işlevi periyodik olarak tekrar ettiğinden, bir açının 360° nin katlarındaki sinüs değeri aynıdır, yani fark sıfır olur. Bu nedenle 2429,7° den 360° dereceyi, 0° ila 360° arasında bir değer bulana kadar art arda çıkarırsak dış en soldaki 8. ışıyıcı için φ = 269,7° buluruz. Bu değer 8. ışıyıcının sahip olmasıgereken faz kayma açısıdır. Ancak, hiç bir faz kaydırıcı bunu tam olarak yapamaz. 4-bitlik faz değiştirici ile faz kayması 11,25° 'lik adımlarla yapılabilir. Böylece, pratikte, φ = 270° faz açısı kullanılır.

Bu arada, Resim 6 da bir Faz Dizi Antenin daha büyük bir saptırma açısında neden daha kötü odakladığı görülmektedir. Ana ışıma yönünde, sapma açısı kadar bir açı farkıyla bitişik ışıyıcıya çizilen dik yardımcı çizgi ışıyıcılar arası d açıklığından daima daha küçüktür. Bununla birlikte, bu yardımcı çizgi, ışıyıcılar arası açıklığın bu sapma açısından „görülen” izdüşümüdür. Eğer, bu sapma yönünden „görülen” ışıyıcılar arası açıklık, en uygun ışıyıcılar arası açıklıktan daha küçükse, o zaman anten kazancı kötüleşir ve bunun sonucu olarak anten çizgesinin genişliği artar.