www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Kosekant-kare Işıma Çizgeli Antenler

Kosekant-kare çizge
praktikte
oluşan
ideal çizge

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

Kosekant-kare çizge
praktikte
oluşan
STC
ideal çizge

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

« Kosekant-kare ışıma çizgeli antenler » içeriği
  1. Yansıtıcının biçiminin değiştirilmesi
  2. Demet yığınlı kosekant-kare ışıma çizgeli antenler
  3. Kosekant-kare kavramı

Kosekant-kare Işıma Çizgeli Antenler

Kosekant-kare ışıma çizgeli antenler, özellikle uçuş güvenlik ve hava savunma sistemlerindeki radar aygıtlarında kullanılmaya uygun parabolik antenlerin ya da grup antenlerin özel biçimleridir. Duruma uyarlanmış bir ışıma dağılımı sağlarlar ve bir ideal hava sahası tarama özelliğine daha da yaklaşırlar. Bir kosekant-kare karakteristik ideal durumda, alıcı girişinde, aynı yükseklikte seyreden ve radara göreli olarak uzaklaşan ya da yaklaşan bir hedefe ait, genliği sabit bir yankı işaret sağlar.

Pratikte, bir kosekant-kare karakteristik birkaç şekilde gerçekleştirilebilir:

Çizgenin ideal biçimi, neredeyse köşeleri yuvarlatılmış bir dikdörtgen gibidir. Uygulamada, daha büyük yükseklik açıları için ideal çizge, özellikle çizgenin arkasında bir dizi yan topuzların ve tepe noktaların üst üste binişmesi ile oluşur. Bu bölgedeki tüm yan topuzların şekli, toplamda neredeyse bir parabolik cephe meydana getirir. Bu, yakın menzilde bir ilave kazanç sağlar ve Zaman-Duyarlı Kazanç Kontrolünün (Sensitivity Time Control, STC) yüksek irtifadaki hedefler üzerindeki etkisini kısmen telafi eder.

Kosekant-kare karakteristik, yalnızca parabolik antenlerle değil, aynı zamanda başka anten türleri ile de elde edilebilir. Yagi antenleri ile meydana getirilen bir VHF- radarında, desen, doğrudan dalganın yerden yansıyan enerji bileşenlerinin üst üste bindirilmesiyle elde edilebilir. (Radarda 1.Fresnel bölgesi).

Resim 2:Yansıtıcı bükümünün ideal parabolik biçiminden bir sapması
a) „Üst dudak”
b) „Alt dudak”

Bükülerek bir dudak biçimi verilmiş yansıtıcı

Resim 2: Bükülerek bir dudak biçimi verilmiş yansıtıcı
a) „Üst dudak”
b) „Alt dudak”

Yansıtıcının biçiminin değiştirilmesi

Odak noktasında bir birincil ışıyıcı bulunan, ideal şekil verilmiş bir parabolik yansıtıcı, ışınlar yansıtıcıyı ideal durumda paralel olarak terk ettiği için nispeten keskin odaklı bir ışıma topuzu üretir. Eğer bu yansıtıcı, dikey boyutta, yatay boyuta göre asimetrik ise, önce fan biçimli bir çizge ortaya çıkar. Ancak, bir kosekant-kare desen elde edebilmek için enerjinin bir kısmının yukarı doğru saptırılması gerekir. Birinci olasılık, yansıtıcının üst kısmını („üst dudak") hafifçe bükmektir. Şimdi yukarı kısımda hafifçe bükülmüş yüzeye isabet eden ışınların bir bölümü yukarıya doğru yansır. Bir benzer yöntem, yansıtıcının alt kısmını („alt dudak") daha güçlü bükmektir.

Birincil ışıyıcı olarak, boynuz ışıyıcı, yine, yansıtıcı kenarlarının merkeze göre daha az aydınlatıldığı bir topuzumsu ışıma karakteristiğine sahiptir. Bu, yukarıya doğru saptırılmış ışınların çok yüksek bir güç yoğunluğuna sahip olmamasını sağlar ve menzil bu nedenle yükseklik açısında sınırlı kalır.

Aynı boynuz ışıyıcı karakteristiklerine sahip bir „alt dudaklı” yansıtıcının yapısı daha topludur. Alternatif olarak, karşılaştırılabilir bir büyüklüğe sahip „üst dudaklı” yansıtıcıya keskin odaklama yapabilen bir boynuz ışıyıcıyı gerekir. Buna rağmen, kosekant-kare çizgenin alt kenarı, bu alt yansıtıcı bölgenin daha zayıf aydınlatılan yüzeylerinin ışınları daha yukarıya saptırması nedeniyle genellikle bir „alt dudaklı” duruma göre daha kötüdür. „Üst dudak” durumunda çizgenin alt kenarı için bu zayıf aydınlatılmış yüzeyler sorumludur.

Resim 3: Bir „alt dudağı” bulunan (kırmızı şema) anten yansıtıcısının, bir saf parabolik antenle karşılaştırılması (mavi şema)

Resim 3: Bir „alt dudağı” bulunan (kırmızı şema) anten yansıtıcısının, bir saf parabolik antenle karşılaştırılması (mavi şema)

Bir ofset antenin prensibi ile bağlantılı olarak yansıtıcı antenler genellikle bir „alt dudakla” kullanılırlar. Burada yansıtıcının boynuz ışıyıcısının üst tarafında kalan bölüm parabolik bükülmüşken, alt tarafında kalan bölüm daha ziyade bir dairenin kesiti biçimindedir. Şemada bir saf parabolik yansıtıcıya (kırmızı çizge) göre „alt dudağın” (kırmızı kosekant-kare çizge) etkisi görülmektedir. Bir saf parabolik yansıtıcı, yataydakine benzer bir dikey çizgeye sahiptir. Çok keskin bir ana topuz daha zayıf yan topuzlarla çevrilidir. Dönel paraboloitten sapan yansıtıcı biçimi, ana topuzu, parabolik yansıtıcınınkine göre daha ince olan, bir kosekant-kare çizge meydana getirir.

Alçaktan uçan uçakların algılanması için önemli olan anten çizgesinin alt kenar bölgesi, boynuz ışıma elemanından yayılan enerjinin, boynuz ışıyıcı ekseninin merkeze daha yakın yerde bulunan bir kısmı tarafından oluşturulur. Bu nedenle buradaki enerji biraz daha kuvvetlidir ve alt kenar oldukça belirgindir.

Demet yığınlı kosekant-kare ışıma çizgeli antenler

Resim 4: Demet yığınlı kosekant-kare anten çizgesi

Resim 4: 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 bir belirli yönde yayın yapmaktadır. Eğer gönderim gücü bu ışıma elemanlarında eşit olmayacak biçimde dağıtılırsa anten yayın deseni bir kosekant-kare karakteristiğe yaklaşır. 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 ışıyıcı tarafından yaratılır.

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

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

Birden fazla sayıda alıcı kanal kullanılması durumunda, kuramsal olarak, farklı yüksekliklerde seyreden her bireysel hedefe bir bağımsız demet atanabilir. Ancak bu durumda, örneğin 12 adet değişik alıcı kanalı (ve özellikle alıcılardan antene ayrı ayrı 12 adet besleme hattı) olmak üzere benzeri ilave masraflarda ortaya çıkacaktır. Antene genellikle sadece bir adet YF-besleme hattı döşenir. Bireysel boynuz ışıyıcılarına güç dağıtımı daha sonra antende gerçekleşir. Bireysel demetlerin örtüştüğü (overlapped) bölgelerin girişim (interference) yoluyla karşılıklı olarak birbirini iptal etmesini önlemek için gücün boynuz ışıyıcılardan mutlaka eş fazlı dağılması gerekir. Bu, 2700 ila 2800 MHz arasındaki nispeten büyük frekans bandında çok zordur, çünkü yalnızca dalga boylarındaki fark, % 12 gibi bir değere ulaşabilen olan faz hatalarını ortaya çıkabilir. Bazı antenler bu nedenle daha alt frekans bölgesinde daha iyi bir anten kazancına sahipken, diğerleri daha yüksek frekans bölgesinde daha iyi bir anten kazancına sahip olabilmektedir. Üreticiler bu küçük faz hatalarını düzeltmeye yardımcı olması için dalga kılavuzlarının bağlantı yerlerinde farklı kalınlıkta contalar kullanırlar.

Kosekant-kare kavramı

„Kosekant” terimi bir matematiksel açı işlevini çağrıştırıyor, gerçekten de öyle. Bir açının kosekantı, o açının sinüs işlevinin tersidir. İşlev, ismini birim dairedeki tanımdan alır. İşlev değeri, burada bizim coğrafi menzilimiz olan bir kesen (secant) bölümünün uzunluğuna karşılık gelir. Peki, bu terimin antenimizle ne ilgisi nedir?

Yükseklik h ve yatık menzil R yükseklik açısı ε yi belirler…
Bu sayfada yukarda yer alan bir cümleyi hatırlayalım:

„Bir kosekant-kare karakteristik ideal durumda, alıcı girişinde, aynı yükseklikte seyreden ve radara göreli olarak uzaklaşan ya da yaklaşan bir hedefe ait bir sabit genlikli yankı işaret sağlar.”

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

Burada „…sabit bir genlikli yansıma…” dan bahsediyorduk:

Radar denkleminden biliyoruz ki;
Yankının bir sabit genliğe sahip olması gerektiğinden, menzilin dördüncü kuvvetinin anten kazancının karesine doğru orantılı olması gerekir. Radarın diğer tüm parametrelerinin değerlendirme süresi boyunca sabit olduğu varsayılabilir.

4. kuvveti sadeleştirebilir ve…

Şimdi menzili kosekant-kare işlevine yerleştirebiliriz. Burada, tanıma göre, yüksekliğin sabit olması gerektiğinden bu büyüklüğü daha da sadeleştirebiliriz.
Böylece „kosekant-kare karakteristikli” bir antenin matematiksel modelini elde ettik: Yön-bağımlı anten kazancı, yükseklik açısının kosekantının karesinin bir işlevidir.