Faz Dizi Antenler
Resim 1: Solda, eş fazlı beslenen iki anten ışıyıcısı, sağda ise farklı fazlarda beslenen iki anten ışıyıcısı görülüyor
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
Resim 2: Anten demetlerinin elektronik saptırılmasını gösteren bir canlandırma, (ayrıca bakınız: mlago.dev)
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)
Notes:
- Not: Tarama bölgesinin sınırı ışıyıcıları 3-boyutlu yerleştirerek aşılabilir.
Işıyıcıların bu düzenine Karga-yuvası anten denilmektedir. - Embraer’de mühendis olarak çalışan Arthur Morales bu canlandırmadan esinlenerek bir gösteri programı geliştirdi: mlago.dev
Olası düzenleme biçimleri
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.
- Üstünlüğü: Basit yerleşim
- Kusuru: Taramanın yalnızca bir düzlemde olabilmesi
- Örnek:
- PAR-80 (yatay demet saptırma) ve
- AN/FPS-117 (düşey demet saptırma)
- Büyük Dikey Açıklıklı anten (LVA: Large Vertical Aperture) (sabit demet biçimi)
Bu tür antenler çoğunlukla yalnızca bir düzlemde tarama yapılması gereken yerlerde kullanılırlar; çünkü AN/FPS-117 radarı örneğinde olduğu gibi anten zaten yatayda dönmektedir.
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.
- Üstünlüğü: Tarama iki düzlemde yapılabilir.
- Sakıncası: Karmaşık düzenleme ve çok sayıda faz-kaydırıcı gereksinimi
- Örnek: AN/FPS-85 ve Thomson Master-A
Resim 5: Frekans taramalı dizi
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.
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.
Resim 6: Faz kayma oluşumunun grafiksel gösterimi
(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:
(3)
Örnek: |
|
İstenen: |
|
Önce ışıyıcıdan ışıyıcıya faz kayma miktarını bulmalıyız.
|
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.