www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Kosekant-kare Işıma Çizgeli Anten

Kosekant-kare çizge
praktikte
oluşan
ideali

Resim 1: Kosekant-kare karakteristikli bir düşey anten ışıma çizgesi

Kosekant-kare çizge
praktikte
oluşan
ideali

Resim 1: Kosekant-kare karakteristikli bir düşey anten ışıma çizgesi

Parabolik antenlerin bazı değiştirilmiş biçimleri olan kosekant-kare antenler özellikle uçuş güvenlik- ve hava savunma gözetim radarları için çok uygun düşmektedir. Bu antenlerle konuma uygun bir ışıma deseni (radiation pattern) elde edilebilmekte ve ideal bir hava sahası taraması (scanning) yapılabilmektedir. İdeal koşullarda, bir kosekant-kare karakteristikli anten ile sabit bir yükseklikte, antene yaklaşan yada antenden uzaklaşan bir uçan hedefin alıcı aygıt girişinde sabit genlikli bir yansımasını elde etmek mümkün olmaktadır.

Pratikte bir kosekant-kare karakteristikli yansıtıcı (reflector) birkaç yöntemle gerçekleştirilebilinir:

Resim 2: Bükülerek bir dudak biçimi verilmiş yansıtıcı
a) „üst dudaklı”
b) „alt dudaklı”

Bükülerek bir dudak biçimi verilmiş yansıtıcı

Resim 2: Bükülerek bir dudak biçimi verilmiş yansıtıcı
a) „üst dudaklı”
b) „alt dudaklı”

Odak noktasında bir besleme boynuzu bulunan ideal bir parabolik yansıtıcıdan ışınlar nispeten keskin paralel bir demet halinde yayılırlar. Kosekant-kare bir karakteristik elde etmek için ışınların bir bölümünün yukarıya doğru yönlendirilmesi gerekir. Bu, yansıtıcının üst bölümü (diğer bir deyişle „üst dudağı”) hafifçe geriye doğru bükülerek yapılır. Şimdi üstteki hafifçe kıvrık bölüme boynuz ışıma elemanından gelen ışınlar burada yukarıya doğru yansıtılacaktır. Benzeri bir yöntemle yansıtıcının alt bölümü („alt dudakları”) bu kez içe doğru kuvvetlice bükülür.

Boynuz ışıma elemanı kendisine özgü topuzlardan (lobs) oluşan homojen olmayan bir yayın desenine sahiptir. Boynuz elemanın çeperinden yayınlanan ışınların kuvveti merkez kısımlardan yayılanlara göre daha zayıftır. Üst bölümden yansıtılan ışınların güç yoğunluğu bu nedenle fazla olmaz ve sonuçta demetin üst katmanlarının ulaştığı menziller sınırlı kalır. Bu özellik antene yakın menzillerde, ancak yüksekten uçan hedeflerin algılanması için uygun düşmektedir.

Bir „alt dudaklı” yansıtıcı, aynı özelliklere sahip bir yansıtıcıya göre daha kompakt bir yapıya sahiptir. Buna karşılık, „üst dudaklı” benzeri bir büyüklükteki yansıtıcıda daha keskin demet yaratabilen bir boynuz ışıma elemanı kullanmak gerekir. Ancak, „alt dudaklı” yansıtıcılarda kosekant-kare çizgesinin alt kenarının düzgünlüğü, boynuz ışıma elemanının çeperine yakın kısımlarından yayınlanan daha zayıf ışınlarla aydınlatılan yansıtıcı alt kısımlarından ışınların yukarıya doğru saptırılması sonucu kötüleşir. „Üst dudaklı” yansıtıcıda ise, çizgenin alt kenarının düzgünlüğü, besleme boynuzunun merkez kısmından çıkan kuvvetli ışınların yansıtıcıdan yatay yönde saptırılmasıyla sağlanır.

Resim 3: Bir „alt dudağı” bulunan anten yansıtıcısı

Resim 3: Bir „alt dudağı” bulunan anten yansıtıcısı

Ofset anten prensibiyle bağlantılı olarak yansıtıcı antenler genellikle bir „alt dudak” kullanırlar. Bu antenlerde boynuz ışıma elemanının daha yukarısında kalan yansıtıcı bölümlerinin ideal bir parabolik biçimde olmasına karşılık, altta kalan bölümler daha ziyade bir dairesel kesit gibidir. Resimde ideal bir parabolik yansıtıcının mavi renkli çizgesi ile „alt dudak” etkisinin işlendiği kırmızı renkli kosekant-kare çizge birlikte görülmektedir. İdeal bir parabolik yansıtıcıda yatay ve düşey çizgeler birbirinin aynıdır. Çok keskin bir ana loba daha zayıf yan loblar uzaktan eşlik ederler. Dönel paraboloit biçiminden farklılaşmış yansıtıcı biçimleriyle, parabolik yansıtıcının ince ana lobuna göre ana lobu daha geniş bir kosekant-kare çizgesi elde edilir.

Alçaktan uçan uçakların algılanması için önemli olan anten çizgesinin alt kenarı, boynuz ışıyıcılar ekseninde merkeze daha yakın yerde bulunan boynuz ışıma elemanından yayılan enerji ile oluşur. Bu nedenle burada ki enerji daha kuvvetlidir ve alt kenar oldukça belirgindir.

Demet yığınlı kosekant-kare antenler

Resim 4: Üst üste demetlerden oluşan (demet yığınlı) kosekant-kare anten çizgesi

Resim 4: Üst üste demetlerden oluşan (demet yığınlı) kosekant-kare anten çizgesi

Demet yığınlı kosekant-kare karakteristikli bir antende ışıma deseni üst üste yerleştirilmiş ışıma elemanlarınca aydınlatılan bir yansıtıcı ile sağlanır.

Her bir ışıyıcı belirli bir yönde yayın yapar. Eğer gönderim gücü bu ışıma elemanlarında eşit olmayacak biçimde dağıtılırsa kosekant-kare karakteristiğe benzeyen bir anten yayın deseni meydana gelir. Yansıtıcının bir ayna gibi çalışması nedeniyle demetler ait olduğu ışıma elemanına göre ters sırada dizilir. En büyük gönderim gücüne sahip olması gereken en alttaki demet en üstte yer alan ışıma elemanınca yaratılır.

Resim 5: ASR 910 radarı anteninde bulunan 12 adet boynuz ışıma elemanının yayınladığı kademeli demetler (stacked beams) bir kosekant-kare anten çizgesi meydana getiriyor

Resim 5: ASR 910 radarı anteninde bulunan 12 adet boynuz ışıma elemanının yayınladığı kademeli demetler (stacked beams) bir kosekant-kare anten çizgesi meydana getiriyor

Birden fazla sayıda alıcı kanal kullanılması halinde farklı yüksekliklerde ki uçan hedefler için bağımsız kanal tahsis etmek kuramsal olarak mümkündür. Ancak bu durumda, örneğin 12 kanal için, en başında her bir ışıma elemanı için ayrı ayrı 12 adet besleme hattı olmak üzere benzeri ilave masraflarda ortaya çıkacaktır. Antene genellikle sadece bir adet yüksek frekanslı besleme hattı döşenir. Ayrıca antende her bir ışıma elemanı için güç dağılımı ayarı yapılması gerekir. Demetlerin, birbiriyle örtüştüğü (overlapped) bölgelerde, girişim (interference) sonucu karşılıklı olarak birbirini yok etmemesi için gönderim gücünün ışıma elemanlarından aynı fazda yayılması gerekir.

Kosekant-kare karakteristik, sadece parabolik antenlerle değil, başka anten türleri ile de elde edilebilir. Yagi-antenleri ile meydana getirilen bir antende, bu yayın biçimi, doğrudan (direct) dalgaların yeryüzünden yansıyan kısımlarının girişimiyle sağlanabilir. (1. Fresnel Zonu).

Kosekant-kare kavramı

„Kosekant-kare” kavramı sanki bir matematiksel açısal işlev (trigonometric function) gibi algılanır. Peki bu kavramın antenlerle olan ilişkisi nedir?

H yüksekliği ve R menzili, ε yükseklik açısını tayin eder.
Bu sayfada yukarıda ki bir cümleyi hatırlayalım:

„İdeal koşullarda, bir kosekant-kare karakteristikli anten ile sabit bir yükseklikte, antene yaklaşan yada antenden uzaklaşan bir uçan hedefin alıcı aygıt girişinde sabit genlikli bir yansımasını elde etmek mümkün olmaktadır.”

Eğer formülü yeniden R ye göre düzenler ve yukarda sözü edilen trigonometrik ilişkiyi bu formüle yerleştirirsek bu sefer içinde „kosekant” işlevi bulunan bir formül elde ederiz; bitmedi...

...sabit genlikli bir yansıma...” dan bahsediyorduk:

Radar denkleminden biliyoruz ki
Eğer yansımanın genliği sabitse, anten kazancının karesi uzaklığın dördüncü kuvvetine doğrusal olarak orantılıdır.

Kuvvetleri sadeleştirir ve...

sadece menzili formüle yerleştirirsek, kosekant işlevli bir formül elde ederiz. Tanımlamaya göre yükseklik sabit olduğundan, formül daha da sadeleşir ve kazanç kosekant-kare işlevine bağımlı olur.
Böylece „kosekant-kare karakteristikli” bir antenin matematiksel modelini elde ettik.