www.radartutorial.eu Principiile Radiolocaţiei

Reţele de antene fazate

Figura 1: stânga: două elemente de antenă, alimentate în fază, dreapta: două elemente de antenă, alimentate cu faze diferite

The figure shows the interference of two one above the other lying in-phasely radiant antenna elements. The main beam direction is centric. The figure shows the interference of two one above the other lying antenna elements radiating with a different phase shift. The lower antenna element radiates with a phase shift of 15 degrees earlier as the upper antenna element. The main beam direction is steared up.

Figura 1: stânga: două elemente de antenă, alimentate în fază, dreapta: două elemente de antenă, alimentate cu faze diferite

O reţea fazată de antene este formată dintr-un anumit număr de radiatoare elementare, fiecare cu un defazor. Caracteristica de directivitate se formează prin combinarea în spaţiu a energiei radiate de fiecare element, pe baza fenomenului de interferenţă. Direcţia caracteristicii de directivitate poate fi deplasată electronic prin comanda fazei semnalului aplicat fiecărui radiator.
În figura 1 este prezentat principiul de formare a unei caracteristici şi de deplasare electronică a acesteia pentru două elemente radiatoare, alimentate de la acelaşi emiţător. În partea stângă, ambele elemente sunt alimentate în fază. Pe direcţia principală undele radiate se însumează în urma interferenţei constructive. Pe alte direcţii undele se anulează reciproc în urma interferenţei distructive. Se obţine astfel un fascicul îngust pe direcţia principală de radiaţie, perpendiculară pe planul celor două radiatoare. De asemenea, se observă că în urma interferenţei rezultă şi o serie de lobi secundari.

Figura 2: Animaţie a deplasării caracteristicii de directivitate

(click to enlarge: 591·723px = 468 kByte)

Figura 2: Animaţie a deplasării caracteristicii de directivitate

În figura din dreapta cele două elemente sunt alimentate cu un defazaj de 22° între ele. Semnalul este radiat mai devreme în spaţiu de elementul de jos faţă de cel de deasupra. Din acest motiv fasciculul este deplasat în sus cu un anumit unghi faţă de direcţia principală.

(Observaţie: În exemplul din figura 1 radiatoarele sunt fără reflector. Astfel, lobul posterior al caracteristicii de directivitate va avea aceeaşi formă şi mărime cu cea a lobului principal.)

Fasciculul principal va fi întotdeauna orientat spre direcţia defazajului pozitiv. Dacă defazoarele radiatoarelor pot fi comandate electronic, rezultă că direcţia fasciculului poate fi înclinată electronic. Totuşi, deplasarea electronică nu este nelimitată. Unghiul maxim de înclinare este în jur de 60°, rezultând un sector de observare total de maxim 120°. Pe măsura creşterii unghiului de deplasare faţă de direcţia principală, creşte şi numărul şi nivelul lobilor laterali, precum şi lăţimea lobului principal. Defazajul necesar între elementele antenei pentru a deplasa caracteristica la un anumit unghi poate fi calculat uşor folosind funcţia trigonometrică sinus.

În figura 2 este prezentat un exemplu de deplasare electronică a caracteristicii de directivitate pentru un rând de elemente radiatoare. Ca antene elementare în reţelele fazate se pot folosi orice tip de antene, cele mai întâlnite fiind dipolii. Pentru explorarea întregului spaţiu supravegheat, caracteristica de directivitate trebuie deplasată după o anumită regulă într-unul sau ambele planuri, orizontal sau vertical. Aceasta necesită o foarte bună coordonare a defazajelor aplicate fiecărui element, mai ales că numărul de antene elementare utilizat este foarte mare. Ca exemplu, antena radarului FPS-117 foloseşte un număr de 1584 de elemente radiatoare, dispuse într-o structură de formare analogică a caracteristicii de directivitate. Radarele moderne multirol folosesc antene active, cu formarea digitală a caracteristicii de directivitate.


AvantajeDezavantaje
  • câştig ridicat, cu lobi secundari de nivel redus
  • posibilitatea schimbării foarte rapide a direcţiei caracteristicii de directivitate (în câteva microsecunde)
  • formarea şi deplasarea electronică a caracteristicii, comandată automat de calculator
  • regimuri variate de supraveghere şi de urmărire
  • timp de iradiere a ţintei variabil
  • funcţionare multirol, prin generarea simultană a mai multor fascicule, pe direcţii diferite
  • redundanţă ridicată: defectarea unor componente ale reţelei permite funcţionarea în continuare, dar cu o anumită reducere a performanţelor (distanţă de descoperire, lăţime fascicul etc.)
  • sector de observare limitat, la maxim 120° în fiecare plan*
  • deformarea fasciculului pe măsura creşterii unghiului de deplasare
  • dependenţa de frecvenţă a caracteristicii de directivitate
  • structură foarte complexă (procesor, defazoare)
  • costuri ridicate de fabricaţie

* Limitarea sectorului de observare poate fi eliminată prin utilizarea unei arhitecturi tridimensionale a elementelor radiatoare. Un astfel de exemplu este antena „crow's nest” („cuib de cioară”).

Tipuri de arhitecturi

Reţele liniare

Figura 3: Reţea liniară de antene

Figura 3: Reţea liniară de antene

Aceste reţele sunt formate dintr-un anumit număr de rânduri de elemente, fiecare rând având un singur defazor. Din acest motiv, deplasarea electronică a caracteristicii de directivitate este posibilă doar într-un singur plan (vertical). Rândurile sunt paralele, dispuse în acelaşi plan.

Acest tip de reţele sunt des întâlnite, ele folosind baleierea electronică a caracteristicii într-un plan şi deplasarea mecanică a acesteia în celălalt (FPS-117).

Figura 4: Reţea planară de antene

Figura 4: Reţea planară de antene

Reţele planare

Aceste reţele sunt formate dintr-o serie de elemente radiatoare, fiecare cu propriul defazor comandat. Elementele sunt dispuse în acelaşi plan, într-o structură tip matrice, pe rânduri şi coloane.

Figura 5: Reţea cu comanda în frecvenţă a deplasării caracteristicii

Figura 5: Reţea cu comanda în frecvenţă a deplasării caracteristicii

Antene cu comanda în frecvenţă a deplasării caracteristicii

Comanda în frecvenţă reprezintă o altă modalitate de realizare a deplasării electronice a caracteristicii de directivitate. Balansarea electronică a fasciculului se obţine prin modificarea frecvenţei semnalului de emisie ce alimentează antena. Unghiul de înclinare depinde de valoarea frecvenţei de emisie.

Alimentarea elementelor reţelei se realizează prin intermediul unui ghid de undă îndoit ca în figura 5, în care segmentele de ghid au rol de circuite defazoare. Lungimea segmentelor de ghid dintre două radiatoare alăturate l este astfel aleasă încât la frecvenţa nominală F1 defazajul între elemente să fie de n·360°. Elementele fiind alimentate în fază, rezultă că direcţia fasciculului este perpendiculară pe planul reţelei.

Modificând frecvenţa de emisie, elementele nu vor mai fi alimentate în fază, deoarece lungimea electrică a segmentelor de ghid are o altă valoare, prin modificarea lungimii de undă. Rezultă că fasciculul se va deplasa în sus sau în jos, în funcţie de sensul şi valoarea frecvenţei, astfel:

Valoarea unghiului de înclinare Θs al caracteristicii este proporţională cu valoarea modificării frecvenţei de emisie. Prin modificarea liniară a frecvenţei se obţine o balansare liniară a caracteristicii de directivitate în plan vertical. Radarele ce utilizează o astfel de balansare electronică sunt radare tridimensionale. Înălţimea este determinată în funcţie de frecvenţa semnalelor recepţionate, fiecare frecvenţă corespunzând unui anumit unghi de înclinare.

Această metodă de balansare electronică a fasciculului are avantajul că este foarte simplă. Totuşi, utilizarea modulaţiei de frecvenţă pentru balansarea caracteristicii face imposibilă utilizarea altor tehnici, cum ar fi compresia impulsului).

recommendation Fideri pentru reţele

Determinarea defazajului

Pentru deplasarea electronică a caracteristicii este necesar ca defazajul Δφ dintre două elemente radiante vecine să fie constant. Cu ajutorul figurii 6 vom determina valoarea necesară a defazajului pentru a înclina caracteristica la un anumit unghi dorit.

Elementele sunt dispuse într-un aranjament liniar, fiind alimentate cu un defazaj constant de la un element la altul. Din triunghiul dreptunghic format de direcţia de radiaţie şi perpendiculara pe aceasta putem determina diferenţa de drum x dintre undele radiate de două elemente vecine. Diferenţa de drum este constantă de la un element la altul deoarece defazajul este constant.

Figura 6: Explicaţie grafică a deplasării electronice a caracteristicii

x = d · sin Θs (1)
 

 
360° = λ Δφ = defazajul dintre două elemente succesive
d = distanţa dintre două elemente radiante
Θs = unghiul de înclinare
(2)


Δφ x

 
Δφ = 360° · d · sin Θs (3)

λ

Exemplu:

  • Un radar lucrează pe lungimea de λ=10 cm.
  • Distanţa dintre elementele radiante este 15 cm.
  • Neglijăm întârzierile cauzate de lungimea fiderilor dintre elemente.
  • Unghiul de înclinare a caracteristicii dorit este Θs= 40°.
Temă:
  • Care trebuie să fie defazajul introdus de defazorul elementului nr. 8 (din partea stângă) pentru a obţine înclinarea dorită?

Începem prin calcularea defazajului dintre două elemente vecine: Δφ =(360°·15 cm/10 cm)·sin(40°) = 347.1°.
 
Rezultă că defazajul necesar pentru elementul 8 va avea valoarea: φ = 7 · 347.1 = 2429.7°.
 
Datorită periodicităţii funcţiei sinus, un defazaj multiplu de 360° este egal cu 0°. Valoarea defazajului trebuie să fie între 0° şi 360°. Vom obţine astfel un defazaj pentru elementul 8 egal cu φ=269.7°.

În practică, în cazul alimentării serie a elementelor, trebuie luat în considerare şi defazajul introdus de lungimea fiderului între elementele 1 şi 8. Comanda defazoarelor este realizată de calculatorul radarului, ce are memorate valorile defezajelor pentru fiecare unghi de înclinare utilizat.