www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Köşe Yansıtıcılar

Üçgen köşe yansıtıcı bir köşesiden kesilmiş boş bir kübün kesiti gibidir. Resim 1. Boş bir küpün kesilmesiyle oluşturulan üçgen tip köşe yansıtıcı

Resim 2. Birbirine dik açı ile yerleştirilmiş iki yüzeyde ki yansıma

Köşe yansıtıcıda ki yansıma:
Gelen dalga, geliş açısı gidiş açısına eşit olacak şekilde, iki defa yansır. İkinci yansıtma düzlemi birinci düzlemin 90° döndürülmüş konumunda olduğundan, birinci ve ikinci gidiş açıları ve yansıma düzlemleri arasındaki  90° açı ile birlikte toplam açı 180° eder. Yani gelen ışın 180° bir açı farkıyla ile geri yansıtılır. Resim 2. Birbirine dik açı ile yerleştirilmiş iki yüzeyde ki yansıma

Köşe yansıtıcılar, özellikle, çok küçük etken yansıtma yüzeyine sahip nesnelerden kuvvetli bir radar yansıması elde etmek için kullanılır. Bir köşe yansıtıcı birbirlerine 90° lik açı ile yerleştirilmiş, elektriksel iletkenliğe sahip iki veya üç adet yüzeyden meydana gelir. Gelen elektromanyetik dalgalar art arda bir kaç yansımaya uğrayarak geldikleri yöne yansıtılır. Böylece küçük bir yansıtma yüzeyine sahip bir nesneden çok kuvvetli bir yansıma elde edilir.

Köşe yansıtıcılarda kullanılan yüzeylerin boyutları gelen sinyalin dalga boyu mertebesinde olmalıdır. Köşe yansıtıcı ne kadar büyük olursa, yansıtılan enerji de o kadar artar. Köşe yansıtıcılar küçük deniz botlarında yer yüzeyi kıvrımının sebep olduğu menzil kaybını azaltmak için teknenin direğinde mümkün olan en yüksek yere monte edilir. Direk tepesinde ki kuvvetli rüzgar yüklerine dayanabilmesi için konik- veya silindirik kılıflanmış yansıtıcılar tercih edilir.

Üç boyutlu bir uzaya ışınların geri yansıtılması için kullanılan köşe yansıtıcılar, yansıtma özelliğine sahip üç adet plakadan yapılır. Işının geldiği esas yöne yansıtılması öncesinde üç adet yansıma meydana gelir. Matematik hesaplamalar için, formül iki defa iki yansıtıcı yüzeye uygulanır. (Formülün ilk aşamasında elde edilen sonuç, formülün ikinci aşamasında her iki giriş değerinden biri olarak kullanılır.)

Köşe yansıtıcıların hesapları


Resim 3: Görülebilir etken yüzeyin radar ışınının yayın açısına bağımlılığı

Canlandırma: İki adet kare plakadan oluşan bir köşe yansıtıcının adım adım 90° döndürülmesi sırasında meydan gelen yansımalar. Yansıtma yüzeyi orta nokta 45° ye kadar yaklaşık doğrusal biçimde artar, buradan itibaren yine doğrusal olarak azalır. Nihayet noktalarında istisnai bir durum meydana gelir: 0° ve 90° de bir ayna gibi çalışır ve bunun sonucunda lokal maksimumlar oluşur.
(Büyütmek için tıklayınız: 800·600 piksel = 169 kByte)
Resim 3: Görülebilir etken yüzeyin radar ışınının yayın açısına bağımlılığı.

Bir yüzeye ait parametreler, bir yönbağımsız küresel ışıyıcıya ait değerler referans alınarak belirtilir. Bu parametreler bir köşe yansıtıcıya ait verilerden çoğu kez daha büyük olmaktadır. Bir metrekarelik yüzeye sahip, küre biçimli bir ideal iletkene ait veriler burada karşılaştırma amacıyla verilmiştir.

Hesaplamalarda aşağıda ki üç hususa dikkat etmek gerekir. Etken geri yansıtma yüzeyi şunlara bağlıdır:

Görülebilir Yüzey

Eğer (şimdilik), köşe yansıtıcının kenar uzunluklarının dalga boyundan hayli büyük olduğu noktasından hareket edersek, etken yüzey geometrik optik kanunlarına göre hesaplanabilir. Hesaplama, radar ışımasına dik yönde bulunan bir yüzeye köşe yansıtıcının düşen izdüşümünden faydalanılarak yapılır. Resim 4 de görülen bu izdüşümün uzunluğu AB dir. Bu durumu bir köşe yansıtıcının, radar ışıma yönüne dik bir yüzeye yaptığı radar- gölgesi gibi düşünebiliriz. Gelen ışınlar simetri düzlemine paralel ise, sadece matematiksel olarak var olan bu eşdeğer yüzey en büyük değere sahip olur, keza ışınlar tam 45° lik bir açı ile gelirse köşe yansıtıcının tüm yüzeylerine isabet ederler.

Işınlar köşe yansıtıcının parçalarından birine dik olarak isabet ederse istisnai bir durum meydana gelir ve bu yapı sanki bir düz ayna gibi çalışır. Bu nedenle aşağıda ki formülün türetilmesinde ışınların simetri düzleminden („Boresight”) ancak 45° den daha az bir açıyla saparak geldiği öngörülmüştür.

Bu durumda „gölgenin” uzunluğu, köşe yansıtıcının oluşturduğu ikizkenar üçgenin yan kenarlarını hipotenüs kabul eden üçgenlerin birer kenarının toplamıdır. O zaman yüzey:

Aproj = AWR· 20,5 Burada: AWR = köşe yansıtıcının sadece bir yanının
Aproj = ise bu yanın „gölgesinin” yüzeyleridir
(1)

Etken Yansıtırlık Yüzeyleri sayfasında yer alan çizelgede ki formüllerden faydalanarak bir düz yüzeyin etken yansıtırlığını hesaplayabiliriz. Bu formül, boşluk zayıflatmasının bulunmadığı bir ortamda yer alan kürenin dış yüzeyinde ki bir sektörün düz bir satıh gibi kabul edilerek türetildiği bir formüldür:

σ = 4·π·A2 Burada: A = Bir yansıtıcı plakanın yüzeyi
λ = Gözetim radarının dalga boyu
(2)

λ2

Köşe yansıtıcının gerçek yüzeyi biliniyorsa (örneğe bakınız), bu formül genel olarak etken yansıtırlık yüzeyi hesabında kullanılabilir. Bu formülün aşağıda ki versiyonları sadece, kenar uzunlukları gibi ölçülebilir hatları olan, paralel izdüşümle ortaya çıkmış Aproj yüzeylerinin formüle katıldığı genişletilmiş bir şeklidir. Formül (1) i, Formül (2) ye katarak aşağıda ki formülü elde ederiz:

σ = 4·π·(AWR · 20,5)2 = 8·π·(AWR)2 Burada: AWR = Köşe yansıtıcının bir duvarının yüzeyi
λ = Gözetim radarının dalga boyu
(3)


λ2 λ2

Bu formül bir radar tarafından ana yönde („Boresight”) ışıtılan, iki yüzeye sahip köşe yansıtıcılar için geçerlidir. Formülde dalga boyu parametresinin bulunması rezonans olayından ilgili değildir. λ dalga boyu parametresi boşluk zayıflatması formülünden gelmektedir. Bu formülde boşluk zayıflatması için hayali bir anten kazancı parametresi kullanılmaktadır.


Resim 4: İzdüşümün yüzeyi, kenarının biri AC olan daha küçük bir yüzeydir


Resim 4: İzdüşümün yüzeyi, kenarının biri AC olan daha küçük bir yüzeydir

Yayın açısı

Bu plakaya 45° lik açıdan farklı bir açıyla saparak gelen ışınların bıraktığı „gölge” köşe yansıtıcının her bir yüzü için aynı değildir. Fakat, köşe yansıtıcıların daha küçük izdüşüme sahip olan yüzeyi daha etkili olmaktadır. Köşe yansıtıcının ikinci yüzeyinin kendisi çok daha büyük bir „gölgeye” sahip olmasına rağmen, bu yüzey sadece doğrudan gelen enerjiyi, keza daha küçük izdüşüm yüzeyine sahip birinci yüzeyden yansıyan enerjiyi, yeniden yansıtabilir. BC tarafında kalan yüzeye isabet eden enerji sadece bir kere yansımaya uğrar ve farklı bir açıyla, radar alıcısına ulaşamıyacağı bir yönde yansıtılır. Bu durumda monostatik radarlar faydalı olamaz. Etken faydalı yanısıtırlık yüzeyi ancak küçük yansıtırlık yüzeyinin iki katı kadar büyüklüktedir. 0° < Θ < 90° açıları için etken izdüşüm boyutları:

Aeşdeğer = yüzey bölümünün daha küçük olanı + yüzey bölümünün daha büyük olanı (4)
Aeşdeğer = AWR·sin Θ + AWR·tan Θ ·cos Θ = 2 AWR·sin Θ
σ = 8·π·(AWR)2 ·sin2 Θ (5)

λ2


Resim 6: Eşit kat edilen mesafeler sonucunda eşit faz açısı oluşuyor:
a+b+c = a'+b'+c'

Resim 6: Eşit kat edilen mesafeler sonucunda eşit faz açısı oluşuyor:
a+b+c = a'+b'+c'

Resonansın etkisi

Metalik yüzeylerin elektromanyetik dalgalar için bir ayna gibi çalıştığını düşünmek aslında olaya basit tarafından bakmaktır. Aslında metalik yüzey enerjiyi alır, enerji burada salınır (oscillates) ve yeniden yayınlanır. Yansıtma yönünü, eğik açıyla gelen gelen yayınların farklı zamanlarda yüzeyde isabet ettikleri her bir noktada meydana gelen salınımlar arasında ki faz farkları belirler. Bir basit metalik yüzeyde bu alan tarafından indüklenen akımlar, ikincil ışıma (secondary radiation) enerjisinin bir çok yan loba (side lobe) dağılması nedeniyle alıcıda son derece zayıf bir sinyal üretir. Bu her iki metal plaka birbirine 90° lik bir açı ile yerleştirilmişse, ancak o zaman akımlar sadece ışımanın geliş yönünde eş fazlı yoğun bir ikincil ışıma yapabilir.

Bir radar yansıtıcı malzeme folyelerinde (chaff) olduğu gibi, şimdi yansıtıcı yüzey büyüklükleri bu dalga boyunda rezonansa girebilirler. Yansıtıcı yüzeylerin polarizasyon yönünde en az yarım dalga boyluk bir kısmı bulunmalıdır. Fakat! En azından iki yansıtıcı yüzeyi olmalı, keza köşe yansıtıcının en küçük rezonans uzunluğu bir tam dalga boyu kadar olmalıdır.

Rezonans ile köşe yansıtıcılarının genişlikleri, tahmin edilen geometrik boyutlarından lamda cinsinden bir ila dört katı daha büyük etken yansıtılırlık yüzeyleri ölçülebilir. Yansıtıcı harmoniklerde keza rezonansa girebilir. Rezonansda ki kazanç her bir rezonans frekansı artışında yarıya düşer. Onuncu dalga boyu harmoniğinden sonraki rezonanslarda bu etki gözlenemez. Bununla beraber, rezonans davranışının negatif bir etkisi de vardır: Yarım dalga boyunun tek tamsayılı katlarında (1,5λ, 2,5λ …) etken yansıtılırlık alanlarının aynı oranda azaldığı gözlemlenir. Yansımada ki Mie-saçılması davranışı denilen bu rezonans etkisi Alman fizikçi Gustav Mie tarafından araştırılmıştır.

Üçgen köşe yansıtıcılar

Resim 7: Üç yüzeyli köşe yansıtıcı

Resim 7: Üç yüzeyli köşe yansıtıcı

İki yüzeye sahip köşe yansıtıcılarda gelen ışınların normalden kenara doğru yönde, yani simetri eksenininden açılarak gelmesi durumunda mevcut yüzeyler radar yönüne geri yansıtma yapamaz, bu nedenle bunların yerine üç yüzeyli köşe yansıtıcılar kullanılır.

Kare plakalardan oluşan üçgen köşe yansıtıcı

Bu köşe yansıtıcılar üç adet kare plakanın birbirlerine 90° açı olacak şekide puntalanmaları ile yapılmıştır. Şimdi izdüşüm yüzey sayısı üç olup, hesaplama yine Formül (1) kullanılarak yapılır. Yalnız burada formül her bir yüzey için iki defa kullanılmalıdır, bu sebeple sonuç üç kat fazla olacaktır.

σ = 12·π·(AWR)2 ·sin2 Θ (6)

λ2

Keza bu formül yalnızca köşe yansıtıcı üç-yüzeyli ise ve eğer bu köşe yansıtıcı bir radar tarafından simetri ekseni („Boresight”) yönünde ışıtılıyorsa geçerlidir. Bu durumda azami geri yansıtma elde edilebilir. Fakat pratikte durum bu değildir, çoğu durumda elde edilen etken yansıtılırlık yüzeyleri hayli daha az olur. Burada verilen özel durum çok seyrek söz konusudur.

Resim 8: Üç eşkenar üçgen plakalı köşe yansıtıcı

Resim 8: Üç eşkenar üçgen plakalı köşe yansıtıcı

Üç eşkenar üçgen plakalı köşe yansıtıcı

Üç adet kare plakadan meydana köşe yansıtıcı mekanik olarak kararlı değildir. Çoğunlukla (Resim 1 ve 8 de görüldüğü gibi) bu parçalar eşkenar üçgen biçimine dönüştürülür. Bunun bir sonucu olarak etken yansıtırlık yüzeyi hayli azalır. Bu nedenle üçgen plakalardan oluşan köşe yansıtıcıların açıklık açısı daha büyük olur. Bu üçgen köşe yansıtıcının etken yansıtma yüzeyi aşağıda ki formülle hesaplanır:

σ = 4·π·a4 Burada: a = Üç adet ikizkenar üçgenin yan kenar uzunluğu
λ = Gözetim radarının dalga boyu
(7)

3·λ2

Bu tür köşe yansıtıcının, yansıtılan enerjinin anten diyagramında -3 dB- sınırları olarak adlandırılan, maksimum yansıtmanın gerçekleştiği sınırlar arasında kalan açıklık açısı yaklaşık 40° dir. Ana eksen, yani simetri ekseninde kayıp 0 dB dir, diğer tüm açılarda kayıplar meydana gelir. Bu nedenle sekiz adede kadar bu tür köşe yansıtıcı bir küp içerisinde bir araya getirilir. Artık her yönde en az bir köşe yansıtıcı çalışacaktır.

Tüm yönlerde eşit kuvvetle yansıtma yapan bir köşe yansıtıcı aslında 12 adet ikizkenar üçgenden meydana gelir. Bu köşe yansıtıcıyı pratik olarak, yani 12 adet ikizkenar üçgen parça kullanmadan 7 parça ile şöyle yapabiliriz; kalınlıklarını ihmal ettiğimiz üç adet kare şeklinde plakamız olsun; ilkine dokunmayalım, ikincisini bir köşegeninden keserek ikiye bölelim, üçüncü plakayı ise bu sefer iki köşegeninden keserek dörde bölelim. Köşe yansıtıcıyı, elimizdeki bu yedi adet parçayı simetrik olarak kaynakla birleştirerek yapabiliriz. (merkezde ve kenarda puntalamak yeterli, ancak gönyesinde olması çok önemli!) Kenar uzunluğu 0,5 m olan kare şeklindeki tabakalardan yapılan bu özel imalat köşe yansıtıcı, I/J bandında bu köşe yansıtıcıya sahip olmayan küçük bir teknenin yansıtırlık yüzeyinin beş yüz katı bir yansıtırlık yüzeyi yaratır. Nehir ve göl deniz trafiğinde bulunan böyle deniz vasıtaları radarda nerdeyse hiç görülmez!