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

Sayısal Demet Biçimleme

Analog Toplama

Resim 1: Anten çizgesinin analog biçimlenmesi

Analog Toplama

Resim 1: Anten çizgesinin analog biçimlenmesi

Sayısal Demet Biçimleme

Anten Çizgesinin Analog Biçimlenmesi

Anten çizgesinin analog biçimlenmesi (Analogue Beamforming, ABF) bir Faz Dizi Antenin her bir anten elemanınca alınan yankı işaretinin, işaret daha antende iken, dört adede kadar merkezileştirilmiş (centralized) alıcıda işlenebilmesi için gönderim işaretinin doğrudan taşıyıcı frekansta faz açılarının ve genliklerinin bir ortak işarette toplanmasını ifade eder. Bu işlem, işareti güçlendirir ve frekansını bir ara frekansa ya da temel frekans bandına dönüştürür. Aşağıdaki Analog/Sayısal Dönüştürücü (Analog-to-Digital Converter, ADC) katında bu ara frekansı (IF) - veya video işaretini sayısallaştırılır.

Sayısal Toplama

Resim 2: Anten çizgesinin sayısal biçimlenmesi

Sayısal Toplama

Resim 2: Anten çizgesinin sayısal biçimlenmesi

Anten Çizgesinin Sayısal Biçimlenmesi

Sayısal Demet Biçimleme (Digital Beamforming, DBF) terimi, her bir anten elemanının ya da Faz Dizi Antenlerin küçük anten gruplarının her bireysel alıcıya anahtarlandığı bir alıcı mimarisini ifade eder. Sayısal formata dönüştürme işlemi yine her bireysel anten elemanı için ayrı ayrı yapılır. Ardından toplama işlemleri sayısal olarak bir özel işlemcide gerçekleşir. Toplam, özel bir işlemcide sayısal olarak üretilir. Her bireysel alıcıdaki öz-gürültü (intrinsic noise) ve işaret bozunumu (signal distortion) toplamda ilintisizleştirilir (decorrelated).

Bu yapıyla, her bir işaret alım süresi için değişik yönlere işaret edebilen birden daha fazla sayıda bağımsız ana topuz (main lobe) meydana gelebilir. Anten çizgelerinin sayısal biçimlendirilmesinin diğer üstünlükleri şunlardır:

Eğer, anten modülünün kontrolü ve saat darbesi beslemesi için kablosuz internet bağlantısı kullanılırsa buna Kablosuz Sayısal Biçimleme denilir. Bu, anten elemanlarını daha sonra bir Dağıtılmış Radar Sistemine (Distributed Radar System) yayma imkânını sağlar.

Resim 3: Standart modüler Gönderici-/Alıcı- Modülü (SMTRM) (EADS Defence & Security Ulm firmasının izniyle)

Resim 3: Standart modüler Gönderici-/Alıcı Modülü (SMTRM)) (Cassidian, Ulm firmasının izniyle))

Standart Modüler Gönderici-/Alıcı Modülü (SMTRM)

Anten şemasının sayısal oluşumunun özü, gönderici güç yükseltecinin ve alım yolunun unsurlarını içeren küçük, standartlaştırılmış modüllerdir. Bunlar Standartlaştırılmış Modüler Gönderici/Alıcı Modülleri (Standardised Modular Transmit-/Receive-Module, SMTRM) olarak adlandırılırlar ve çok sayıda üretilirler. Bu modüller, çift yönlü işaret yükselteçleri ile aynı anda ve faz- ve genlik kontrolü için kullanılır. Toplu yapıdaki tasarımı nedeniyle, işaret işleme sırasında hat kayıpları düşüktür. Bu T/R modülleri çok yönlüdür ve kullanımı esnektir, bu nedenle sadece bir tür radar aygıtı için değil, aynı zamanda X-bandında çalışan MEADS - kompleksinin füze yöngüdüm radarında veya Alman Ordusunun BÜR (BodenÜberwachungsRadar) yer gözetleme radarından, TerraSAR-X uzay radarına kadar her türlü hava radarında (örneğin Eurofighter E-Captor) değişiklik yapılmadan kullanılabilir.

SMTRM, 64,5 mm uzunluğunda, 13,5 mm genişliğinde ve 4,5 mm yüksekliğinde, hava geçirmez şekilde kapatılmış bir devre kartından oluşur. Üstünde bir güç yükselteci, bir ferrit sirkülatör, bir sınırlayıcı (limiter), düşük gürültülü bir ön yükseltecin yanı sıra yükselteç- ve faz kontrol devreleri bulunur. Uygulamada Özel Tümleşik Devre Uygulama (Specific Integrated Circuit, ASIC) olarak adlandırılan, bu görev için özel olarak geliştirilmiş yarıiletken elemanlar ve tümleşik bir kontrol devresi, Monolitik Galyum Arsenid (GaAs) teknolojisiyle yapılmıştır. Ancak, kapalı bir alana monte edilen bu tür birçok modülün soğutulması muhtemelen sorunlu olacaktır.

Demet Biçimleme İşlemcisi

Farklı anten çizgelerinin aynı anda düzenleme olanağı, yalnızca bir sayısal alıcı teknolojisiyle mümkün olabilmiştir, çünkü yalnızca sayısal işaretler, kayıp olmadan gerektiği kadar sık kopyalanabilir. Pratikte, alınan işaret bir ara frekansa dönüştürülür ve ardından hemen sayısallaştırılır. 75 MHz lik bir Ara Frekans (IF) ile Analog-Sayısal Dönüştürücü 100 MHz lik bir örnekleme frekansı gerektirir.

Resim 4: Bir demet biçimleme işlemcisinin blok şeması

Resim 4: Bir demet biçimleme işlemcisinin blok şeması

Resim 4: Bir demet biçimleme işlemcisinin blok şeması

Resim. 4 de, tipik bir Demet Biçimleme İşlemcisinin blok şeması görülmektedir. Faz Dizi Antenin işaretlerinin doğru bir toplamını sağlamak için her bireysel anten kendi alıcı kanalında, bir Analog-Sayısal Dönüştürücü (Analog-Digital Converter, ADC) bulunur. Bunu bir Sayısal Aşağı-Dönüştürücü (Digital Down-Converter, DDC) ve frekanstaki bireysel yayılma gecikmelerini ve frekans tepkisini (frequency response) eşitleyen ve frekansı uyarlayan bir özel enine (transversal) Sonlu Darbe Tepki Süzgeci (Finite Impulse Response Filter, FIR) takip eder. Sonlu Darbe Tepki Süzgeci olarakta bilinen bu son süzgeç, özel bir ölçümleme (calibration) işlemiyle ayarlanmıştır. Bunu gerçekleştirmek için alıcı kanalı tüm bant genişliği boyunca doğrusal bir frekans değişimi ile taranır ya da kısa süreli bir beyaz gürültü (white noise) denen, genliği bilinen bir YF-test işareti ile beslenir. Yan topuzları (side lobes) bastırmak için gerekli ağırlıklama (weighting) işlemi bu süzgeçte yapılır. Tüm alım kanallarındaki (resimde 100 adet olarak gözüküyor) Analog /Sayısal Dönüştürücülerin verileri, karmaşık işaret (I&Q) olarak bir faz kaydırma devresinden geçirilerek, alımı eşzamanlı mümkün olan anten çizgelerinin sayısını da belirleyen, bir rasgele sayıda toplama katına beslenir. Döner antenli hava gözetleme radar aygıtları için bu alım yönlerinin sayısı 8 ila 12 arasındadır.

gürültü seviyesi

Resim 5: Yeşil kanal: Bir bağımsız alım kanalının işaret-gürültü oranı; kırmızı kanal: İki eş-fazlı alım kanalının toplamı

gürültü seviyesi

Resim 5: Yeşil kanal: Bir bağımsız alım kanalının işaret-gürültü oranı; kırmızı kanal: İki eş-fazlı alım kanalının toplamı

Geliştirilmiş Hassasiyet

Her bir alıcı kanal, bir analog toplamın alıcısındaki alıcı yolundakine benzer bir İşaret-Gürültü Oranına (Signal-to-Noise ratio, SNR) sahiptir. Ancak, gürültü kaotik bir süreçtir ve iki alım kanalında farklılık göstermelidir. Bu nedenle, bireysel gürültü zirvelerinin iki farklı alıcıda aynı olması olası değildir, ancak tamamen göz ardı da edilemez.

Bu nedenle gürültü, yankı işaretinin toplandığı gibi aynı ölçüde toplanamaz. Bu, iki alım kanalının toplamı ile İşaret-Gürültü Oranını yaklaşık 2 dB kadar artırır ve daha yüksek bir hassasiyetle sonuçlanır. 37 alıcı modülünden oluşan bir yapılandırmayla ölçeklenebilir Hava ve Füze Savunma Radarında (Air and Missile Defense Radar, AMDR) olduğu gibi pratikte hassasiyette yaklaşık 15 dB lik bir gelişme elde edilir.