Radarové antény

Vyzařovací diagram antény

Termín vyzařovací diagram antény (nebo vyzařovací vzory antény) obvykle představuje grafické znázornění úhlového vyzařovacího diagramu antény. Obvykle udává relativní (zpravidla normalizovanou) intenzitu pole vyzařovaného anténou. Intenzita pole je normalizována podle intenzity pole měřené ve směru maximálního vyzařovacího výkonu antény. Díky teorému reciprocity se vyzařovací (směrově závislá hustota výkonu) a přijímací (směrově závislá citlivost) diagramy pro stejnou anténu shodují. Diagramy směrovosti lze určit experimentálně nebo matematickým modelováním. Diagramy směrovosti se používají k vyhodnocení konkrétní antény. Zejména mohou být použity k získání informací o míře zhoršení výkonu radaru v případě, že anténa není přesně nasměrována na cíl.

U ideální izotropní antény, u níž je hustota vyzářeného výkonu ve všech směrech stejná, má směrový diagram tvar koule. Směrové antény, například radarové antény, poskytují značnou koncentraci záření v jednom směru. Díky soustředěnému, úzkému paprsku v tomto směru je dosaženo velkého dosahu radaru. Tato úzká šířka paprsku umožňuje přesnější vysílání sondážního signálu směrem k cíli a příjem odraženého signálu od cíle. Směrový diagram je grafické znázornění relativní intenzity pole vysílaného nebo přijímaného anténou. Ve směrovém diagramu je vzdálenost jeho povrchu od počátku úměrná velikosti intenzity elektrického pole „E“ v určité pevné vzdálenosti od antény v příslušném směru.

zadní laloky

boční laloky

hlavní lalok

Obrázek 2: Horizontální průřez vyzařovacím diagramem v polárním souřadnicovém systému

zadní laloky

boční laloky

hlavní lalok

Obrázek 2: Horizontální průřez vyzařovacím diagramem v polárním souřadnicovém systému

Formáty prezentací

Používá se mnoho formátů zobrazení. Běžné jsou kartézské souřadnicové systémy i polární souřadnicové systémy. Hlavním cílem je zobrazit vyzařovací diagram, který je reprezentativní buď horizontálně (v azimutu) pro kompletní zobrazení 360°, nebo vertikálně (ve výšce) většinou pouze pro 90 nebo 180°. V kartézském souřadnicovém systému lze údaje o anténě znázornit lépe. Vzhledem k tomu, že tyto údaje lze také vytisknout jako tabulku, dává se obvykle přednost popisnější reprezentaci v podobě lokalizační křivky v polárním souřadnicovém systému. Ta na rozdíl od kartézského souřadného systému udává směr přímo.

Pro snadnou obsluhu, přehlednost a maximální univerzálnost se vyzařovací diagramy obvykle normalizují k vnějšímu okraji souřadného systému. To znamená, že naměřená maximální hodnota je zarovnána na 0° a vynesena na horní okraj diagramu. Další naměřené hodnoty vyzařovacího diagramu se obvykle zobrazují vzhledem k této maximální hodnotě v dB (decibelech).

Obvyklá měřítka

Měřítko v diagramu lze měnit. Běžně se používají tři typy měřítek pro vykreslování: lineární, lineárně logaritmické a modifikované logaritmické. Lineární měřítko zdůrazňuje hlavní svazek záření a obvykle potlačuje všechny boční laloky, protože ty jsou často v řádu menším než setina hlavních laloků. Lineární logaritmická stupnice však dobře reprezentuje boční laloky a dává se jí přednost, pokud je důležitá úroveň všech postranních laloků. Zanechává však dojem, že anténa je špatná, protože hlavní lalok je relativně malý. Modifikovaná logaritmická stupnice (obrázek 4) zdůrazňuje tvar hlavního laloku a zároveň stlačuje velmi nízkoúrovňové (<30 dB) postranní laloky směrem ke středu obrazce. Hlavní lalok je tak dvakrát větší než nejsilnější postranní lalok, což je výhodné pro vizuální prezentaci. Tato forma prezentace se však v technice používá jen zřídka, protože by z ní bylo obtížné vyčíst přesné údaje.

Horizontální směrový diagram

Anténní vyzařovací diagram se obvykle vykresluje jako trojrozměrný graf. Plošné obrazce se nejčastěji vykreslují buď v rovině osy antény, nebo v rovině na ni kolmé. Tyto roviny se nazývají azimutální a úhlová rovina. Tyto grafy lze vykreslit v kartézských souřadnicových systémech (obrázek 1) nebo v polárních souřadnicových systémech (obrázek 2). Každý z těchto formátů má své výhody a nevýhody. Kartézský souřadnicový systém dosahuje dobrých detailů, ale zobrazení tvaru paprsku není jasné. Tento typ zobrazení paprskového obrazce je vhodnější, pokud je důležitý přesný odhad úrovně postranních laloků. Při konstrukci paprskového obrazce pomocí numerické simulace je k dispozici tabulka hodnot s požadovanou úrovní podrobnosti.

Směrové diagramy antén vynesené v polárním souřadném systému mají lepší vizualizaci a jsou vhodnější pro mapování. Umožňují rychlé vyhodnocení vlastností antény v daném směru.

Poskytovatelé antén měří anténní obrazce tak, že stanoví polohu pozorovacího bodu a otáčí anténou kolem její osy, nebo alternativně provádějí měření (výpočty) v bodech kolem stacionární antény.

Ačkoli obraz anténních obrazců může být užitečný pro vizuální hodnocení, nemusí mít dostatečnou vypovídací hodnotu při provádění technické analýzy. Proto se naměřené nebo vypočtené údaje také převádějí na číselné hodnoty ve formě tabulek.

Vertikální vyzařovací diagram

Obrázek 3: Vertikální vyzařovací diagram antény s kosekantní kvadratickou charakteristikou

Obrázek 3: Vertikální vyzařovací diagram antény s kosekantní kvadratickou charakteristikou

Vertikální vyzařovací diagram

Tvar vertikálního vyzařovacího diagramu je svislým řezem trojrozměrného grafu. V zobrazeném polárním diagramu (čtvrtinová část kruhu) s místem antény jako počátkem je osa x radarový dosah a osa y výška cílů. Jednou z technik měření antény je Sun-Strobe-Recording s využitím měřicího nástroje RASS-S společnosti Intersoft Electronics. RASS-S (Radar Analysis Support System for Sites) je na výrobci radaru nezávislý systém pro vyhodnocování různých prvků radaru připojením k signálům, které jsou již k dispozici, a to za provozních podmínek.

Na zobrazeném obrázku 3 jsou měrnými jednotkami námořní míle jako dosah a stopy jako výška. Obě měrné jednotky se z historických důvodů stále používají v řízení letového provozu. Tyto jednotky mají pouze druhotný význam, protože vynesená veličina vyzařovacího diagramu je definována jako relativní úroveň. To znamená, že osa boresight dostala hodnotu (teoretického) maximálního dosahu vypočteného pomocí radarové rovnice. Tvar grafu poskytuje pouze požadovanou informaci! Pro získání absolutních hodnot potřebujete druhý graf, změřený za stejných podmínek. Tyto dva grafy můžete porovnat a pak dosáhnete nad zvýšením nebo snížením výkonu antén.

Zářivé čáry jsou značky elevačních úhlů, zde v půlstupňových krocích. Nerovnoměrná měřítka osy x a osy y (mnoho stop versus mnoho námořních mil) způsobují nelineární rozestupy mezi značkami výškového úhlu. Výška je zobrazena jako lineární mřížka. Druhá (tečkovaná) mřížka je orientována podle zakřivení Země.

3D vzory antén

Obrázek 4: Trojrozměrný anténní diagram hornové antény

Obrázek 4: Trojrozměrný anténní diagram hornové antény

Anténní vzorce v trojrozměrném zobrazení jsou většinou počítačově generované obrázky. Většinou jsou generovány simulačními programy, jejichž hodnoty se překvapivě blíží skutečnému naměřenému diagramu. Vygenerovat skutečný měřený diagram znamená obrovské měřící úsilí, protože každý pixel obrázku představuje vlastní naměřenou hodnotu.

Většina anténních měřicích programů proto volí pro toto zobrazení kompromis. Jako skutečné naměřené hodnoty jsou k dispozici pouze vertikální a horizontální řez anténním diagramem. Všechny ostatní pixely se vypočítají vynásobením celé měřicí křivky vertikálního diagramu jedinou měřenou hodnotou horizontálního diagramu. Potřebný výpočetní výkon je obrovský. S výjimkou příjemného zobrazení v prezentacích je přínos pochybný, protože z tohoto zobrazení nelze získat žádné nové informace ve srovnání s oběma jednotlivými diagramy (horizontálním a vertikálním anténním diagramem). Naopak: zejména v okrajových zónách by se diagram vytvořený tímto kompromisem měl značně odchylovat od skutečnosti.

Také 3D diagramy lze znázornit v kartézských i polárních souřadnicích.