www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Bir Amatör Radar Yapımı

Karıştırıcı
Sirkülatör, Bölücü, VCO, Ön Yükselteç

Resim 1: Yüksek frekanslı bileşenlerden oluşan bir yapı grubu (Resim 2 deki alım hattında bulunan düşük gürültülü yükselteç burada yer almamaktadır.)

Karıştırıcı
Sirkülatör, Bölücü, VCO, Ön Yükselteç

Resim 1: Yüksek frekanslı bileşenlerden oluşan bir yapı grubu (Resim 2 deki alım hattında bulunan düşük gürültülü yükselteç burada yer almamaktadır.)

Bir Amatör Radar Yapımı

Prensip şeması

Önce bir Frekans Modüleli Sürekli Dalga Radarının (FMCW Radar) yeteneğine sahip olan bir Sürekli Dalga Radarı (CW-Radar) yapılacaktır. Yüksek darbe gücünün tehlikesine karşı önlem alınmalıdır. Gönderim gücü miliwatt mertebesindedir, bunun birkaç on katı bir güç halen müsaade edilen sınırların çok altındadır. Tasarım Sürekli Dalga- ve Frekans Modüleli Sürekli Dalga Radarının denemelerinin başarıyla tamamlanmasının ardından genişletmelere imkân sağlayacak şekilde düşünülmüştür. Tasarım bunun yanında intra-darbe modülasyonlu bir darbe radarına (“Chirp-Radar” denilen) terfi edebilecek şekilde hazırlanmış ve bu çalışma modları arasında bir kumanda hattıyla birinden diğerine geçiş öngörülmüştür.

Bild 2: Impression eines Blockschaltbildes

Resim 2: Blok şemasıyla ilgili resimler

Blok şeması

Genel olarak frekansla modüle edilebilen bir göndericiye ihtiyaç vardır. Bir Raspberry Pi bilgisayar kartı sayısal-analog bir dönüştürücü üzerinden modülasyon için gerekli kontrol gerilimini üretmelidir.

Alıcı esas itibariyle bir ucuz USB-osiloskoptur (ELV-Gönderi No. 68-09 93 35). Bu amaç için bu osiloskop ne yazık ki yeterince hassas değildir, bir ilave yükselticinin konulması gerekir. Bu osiloskopun üst sınır frekansı 200 MHz civarındadır, bu haliyle bile kullanılabileceğini söyleyebiliriz. 200 MHz kadar çözünürlük sağlayan alternatif bir osiloskobun fiyatı 2 ila 3 bin Euro civarındadır. (Eğer elinizde bir osiloskop varsa kullanabilirsiniz.)

Radar sinyal işlemcisi bu Raspberry Pi bilgisayar kartı olacaktır. Eğer ayar gerilimi bilgisayarın işletim sistemi için gerekli gücün büyük bir kısmını tüketiyorsa, bu enerji burada yankı sinyallerinin değerlendirilmesi ve ekranda görüntülenmesi için harcanıyor demektir. (Eğer mevcut bilgisayar kartı bu enerji sarfiyatını karşılayamıyorsa ikinci bir Raspberry Pi almaya değer.)

Anten

Anten Resim.1 de görüldüğü gibi paranın en çok harcandığı elemandır. Eğer Resim.1 de görüldüğü gibi sadece bir anten kullanılacaksa bir ferrit sirkülatör de gerekir. Bunlar internet piyasasında 200 ila 600 Euro arasında temin edilebilir. Bu tür manyetik elemanların uçak kargosu ile gelebilmesi için özel ambalaj gerekir, bu da nakliye masraflarını arttıracaktır. Niteliksel fark, 16 ila 23 dB arasında değişebilen gönderim- ve alım hattı arasındaki yalıtımdadır. İki ayrı eş değerli anten için yapılan bu harcama toplam harcamanın sadece küçük bir kısmıdır. Burada söz konusu bant WLAN-bandı olduğundan satın aldığınız ya da tarafınızca yapılmış rasgele iki anten de kullanılabilir.

Antenler parabolik yansıtıcıya monte edilecekse iki ayrı parabol yansıtıcı kullanmak gerekir (burada görüldüğü gibi) yok eğer sadece bir parabolik yansıtıcı kullanılacaksa ana ışıyıcıyı yansıtıcının tam odak noktasına monte ederek ferrit sirkülatöre bağlamalıdır. Bir boynuz ışıyıcı kullanılacaksa parabol yansıtıcının önünde mutlaka iyi bir ferrit sirkülatör olması gerekir. Her iki parça da nispeten pahalıdır. Ancak ihtiyaç durumunda iki boynuz ışıyıcıyı kendinizde yapabilirsiniz.

Resim 3: Ferrit sirkülatörü olmayan, ancak iki adet antenin yer aldığı gönderici tipinin blok şeması

Resim 3: Ferrit sirkülatörü olmayan, ancak iki adet antenin yer aldığı gönderici tipinin blok şeması

Gönderici

Göndericinin beyni bu işler için ayrılmış olan frekans bandı boyunca çalışabilen bir Gerilim Kontrollü Osilatördür (Voltage Controlled Oscillator, VCO). Gerekli şebeke gerilimini bu bölgede sınırlayabilmek için buradaki ayar ve çalışma geriliminin 5 Volt mertebesinde olmasına dikkat etmek gerekir. Mini-Circuits internet mağazasından bu tür bir parça yaklaşık 45 € gibi uygun bir fiyatla temin edilebilir: ZX95-2490+. Ancak dikkat! Bu osilatör şebeke gerilimine bir seri yük olmadan bağlanmamalıdır, aksi takdirde geri dönüşü olmayacak şekilde hasarlanacaktır.

Resim.2 deki blok şemasından çok az farklı bir deneme çalışması Resim.1 de yer almaktadır. YF yükseltecinin buradaki kazancı oldukça yüksektir. Bu yüzden Değişken Frekans Osilatör (Variable-Frequency Oscillator, VFO) çıkışına aynı zamanda koruyucu görevi de yapan –9 dB lik bir zayıflatıcı eleman konulmalıdır. Tüm zayıflamalar ve yükseltmeler sonucunda karıştırıcı katının girişinde yaklaşık 7 dBm seviyesinde bir sinyal bulunmalıdır. (Konektörlerdeki zayıflamayı unutmayınız!)

Resim.3 te arka planda yeşil kısımda bulunan elemanlar ayrı bir baskılı devre kartında toplanmalıdır. Bu en basitinden bir Raspberry Pi bilgisayar kartının genel amaçlı sayısal giriş-çıkışlarını (General-Purpose Input/Output, GPIO) kullanan R/2R-devreli bir pasif Sayısal/Analog Dönüştürücüdür. Sayısal/Analog Dönüştürücü bir pasif eleman olduğundan hızı Raspberry Pi kartına bağlıdır. Şu anda bir eşzamanlı darbe gerekli değildir. Bir testere dişi darbede bu çıkışlar yukarıya doğru ikili saymalıdır. Keza bir üçgen darbe de sorunsuz çalışabilir. Her testere dişli darbe merdiven biçimli basamaklardan oluşur. Bit sayısının arttıkça bu adımlar daha küçük değerlere iner, testere dişli darbedeki merdiven basamağını andıran kırıklar küçülür ve daha doğrusal bir darbe ortaya çıkar. 8 ya da 12 bit kullanılmasının etkisi buradadır. Sunulan frekans bölgesi ya 256 ya da 4096 adımdan oluşur. 250 MHz de bu adımlar 1 MHz ya da 62 KHz olmalıdır. Eğer testere dişli darbe yaklaşık 1 ms uzunluğunda ise Raspberry Pi bilgisayar kartı yaklaşık 4 MHz saymalıdır.

Takip eden İşlemsel Yükseltici (Almancası: Operationsverstärker, OPV) halâ mantık seviyesi ile sınırlanmış olan gerilimden Gerilim Kontrollü Osilatörün (VCO) tüm ayar aralığında kullandığı bir ayar gerilimi üretir. Bu işlemsel yükseltici olmadan da çalışmak mümkündür, ancak sunulan frekans bölgesinin büyük bir kısmı kaybedilecektir.

Gayet tabii bir basit analog testere dişli darbe üreteci de bu işi görürdü. Ancak şöyle bir sakınca bulunmaktadır: Radar gerçekten sadece bu testere dişini kullanabilirdi ve sonradan örneğin faz modülasyonlu bir darbe radarına geçilemezdi.

Alıcı

Alıcı şimdilik sadece bir küçük USB-osiloskoptan ibarettir. Seçilen model oldukça basit tutulmuştur ve 200 KHz e kadar analog frekansları işleyebilir. Bu model gerçekte çok küçük olmasına rağmen sadece geçici çalışma testleri için uygundur ve sonradan daha güçlü bir modelle değiştirilmelidir. Fakat bu model daha yüksek bir sınır frekansına ihtiyaç duymaması nedeniyle ön yükselteçlerin boyutlandırılmasını kolaylaştırır. (Göndericinin yapılması sırasında belirtilen Sayısal/Analog Dönüştürücü bu USB-osiloskobu kendi işlevinin yanında bir osiloskop gibi de kullanabilir.)

Testere dişinde 1 ms içinde 250 MHz lik bir frekans sapması 200 KHz karşılık gelir ve bu da 0,8 µs lik bir gecikme demektir. Bu ise 0,8·150 m = 120 m menzile karşılık gelir. Bu menzile bu gönderici tasarımıyla henüz ulaşılamaz. Bu radar ancak bir sınıf gibi küçük bir hacimdeki menzil bölgesinde çalışabilir, daha sonra sayma frekansı iki ya da hatta dört katına çıkartılabilinir. 30 ya da 60 m lik bir geçici menzil kısıtlaması ile 4096 adet adıma 250 ya da 500 µs de ulaşılır.

Resim.1 deki devre bir modülasyon gerilimi olmaksızın Sürekli Dalga radarı gibi çalışır. İlk defa sadece Doppler frekanslarını tanır ve hiç bir menzil ölçümü yapamaz. Bu frekans bölgesinde beklenen Doppler frekansları hesaplanabilir. Bu frekans bölgesindeki 320 Hz lik bir frekans yaklaşık 30 km/saat lik bir hıza denk düşer.

Eğer seçilmiş USB-osiloskop- modülü görüntüyü bir izge çözümleyici (spectrum analyzer) gibi hesaplayamazsa o zaman böyle bir yankı sinyalini tanımak zor olur. Ekranda görüntü olarak tümüyle eşzamanlı olmayan sinüs frekansları dolaşacaktır. Bunlar bir şebeke uğultusunu andırır ve çoğu kez bununla karıştırılabilinir. Eğer antenin önünde bir metal nesne gezdirilirse bu görünürdeki uğultunun genliğini ve frekansını değiştirecektir. Sevinebiliriz, çünkü: bu yaptığımız radarın çalıştığı anlamına gelir.

Hesaplar

Aşağıdaki liste şimdiye kadar kullanılan parçalar hakkında bir fikir vermek için hazırlanmış olup malzeme maliyeti tam değildir:

ModülTipMiktarSağlayıcıFiyat
Gerilim Kontrollü OsilatörZX95-2490+1Mini-Circuits42,89 €
Yükselteç (tampon)ZX60-242LN+1Mini-Circuits57,55 €
Güç BölücüZX10-2-332+1Mini-Circuits33,46 €
Düşük Gürültülü YükselteçZX60-P105LN+1Mini-Circuits73,25 €
KarıştırıcıZX05-C42+1Mini-Circuits39,40 €
Kafes Tip Parabolik AntenTL-ANT2424B1 ca.40,00 €
Ferrit SirkülatörAT11B-TE207-AF1Aaren155,00 €
USB-OsiloskopUSB-MSM1ELV39,95 €
Raspberry Pi Bilgisayar Kartı Typ B+1ELV32,95 €
Kablo RG402, SMA-Konnektör50,00 €
Toplam   589,44 €

(Bu listeye sistemin çalışabilmesi için gerekli olan bir güçlü bilgisayar çoğu kişinin sahip olduğu düşünülerek katılmamıştır.)