www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Grondbeginselen

Antenne stralingspatroon

1,67°
-20 dB
Zijlobben
verzwakking
Zijlobben
Hoofdlob

Figuur 1: Een horizontaal antennepatroon van een paraboolantenne in een Cartesisch coördinatenstelsel. De details worden goed weergegeven, maar de vorm van het stralingspatroon is niet altijd herkenbaar.

1,67°
-20 dB
Zijlobben
verzwakking
Zijlobben
Hoofdlob

Figuur 1: Een horizontaal antennepatroon van een paraboolantenne in een Cartesisch coördinatenstelsel.

Inhoud « ntennepatroon »
  1. Displayformaten
  2. Schalen
  3. Horizontale antennepatroon
  4. Verticale antennepatroon
  5. 3D- antennepatroonen

Antenne stralingspatroon

Antenne stralingspatroonen zijn grafische voorstellingen van elementen van de stralingskenmerken van een antenne. Het antennepatroon is meestal de grafische weergave van de richtingskarakteristiek. Het toont de relatieve intensiteit van de energiestraling of de grootte van de elektrische of magnetische veldsterkte als functie van de richting naar de antenne. Er kunnen echter ook andere parameters worden weergegeven, zoals faseposities of impedanties. Antennediagrammen worden opgenomen door metingen of gegenereerd door computersimulatieprogramma's, bijvoorbeeld om de richtingsgevoeligheid van een radarantenne grafisch weer te geven en zo de prestaties ervan te beoordelen.

In tegenstelling tot een omnidirectionele antenne, die gelijkmatig in alle richtingen van een vlak straalt, geeft een richtantenne de voorkeur aan één richting en bereikt daarom een groter bereik in deze ene richting met een lager zendvermogen. Het antenne stralingspatroon geeft grafisch de voorkeur weer die door meting is bepaald. Vanwege de wederkerigheid, die zorgt voor dezelfde zend- en ontvangsteigenschappen van de antenne, toont het diagram zowel het richtingsafhankelijke zendvermogen als veldsterkte als de ontvangstgevoeligheid van een antenne.

Achterlobben
Zijlobben
Hoofdlob

Figuur 2: Horizontale antenne stralingspatroon in een polair coördinatenstelsel

Achterlobben
Zijlobben
Hoofdlob

Figuur 2: Horizontale antenne stralingspatroon in een polair coördinatenstelsel

Displayformaten

Er worden veel displayformaten gebruikt. Zowel cartesiaanse coördinatensystemen als polaire coördinatensystemen worden veel gebruikt. Het belangrijkste doel is om een stralingspatroon weer te geven dat horizontaal is (in de zijwaartse hoek) voor een volledige weergave van 360° of verticaal (in de elevatiehoek) meestal alleen voor 90° of 180°. In het cartesiaanse coördinatenstelsel kunnen de gegevens van een antenne beter gevisualiseerd worden. Omdat deze gegevens echter ook als tabel kunnen worden afgedrukt, wordt meestal de voorkeur gegeven aan de meer beschrijvende weergave als een locuscurve in een polair coördinatenstelsel. In tegenstelling tot het cartesiaanse coördinatenstelsel geeft dit direct de richting aan.

Voor gebruiksgemak, duidelijkheid en maximale veelzijdigheid worden stralingsdiagrammen meestal genormaliseerd naar de buitenrand van het coördinatensysteem. Dit betekent dat de gemeten maximumwaarde wordt uitgelijnd naar 0° en aan de bovenrand van het diagram wordt ingevoerd. Andere gemeten waarden in het stralingsdiagram worden meestal weergegeven ten opzichte van deze maximumwaarde in dB (decibel).

Schalen

De schaal in het diagram kan verschillend geschaald worden. Er worden drie soorten schalen gebruikt: een lineaire schaal, een continue logaritmische schaal en een aangepaste logaritmische schaal. Een lineaire schaal legt de nadruk op de hoofdrichting van de straling en onderdrukt meestal alle zijlobben, omdat deze vaak minder dan een honderdste van de hoofdlob zijn. De continue logaritmische schaal laat de zijlobben echter goed zien en heeft de voorkeur als het niveau van alle zijlobben belangrijk is. Het laat echter de indruk achter dat de antenne slecht is omdat de hoofdlob relatief klein wordt weergegeven. Een aangepaste niet-lineaire logaritmische schaal blijft de vorm van de hoofdlob benadrukken en trekt de zijlobben met een zeer laag niveau (<30 dB) naar het midden van het diagram. De hoofdlob wordt dus twee keer zo groot weergegeven als de sterkste zijlob, wat voordelig is voor visuele presentaties. Deze presentatievorm wordt echter zelden gebruikt in de techniek omdat het moeilijk zou zijn om er exacte gegevens uit af te lezen.

Horizontale antennepatroonen

Een horizontaal antennepatroon is een bovenaanzicht van het elektromagnetische veld van een antenne, voorgesteld als een tweedimensionaal vlak met de antenne in het midden.

Het belang van deze weergave ligt in het eenvoudig vastleggen van het richteffect van de antenne. In de meeste gevallen wordt de waarde −3dB ook op de schaal weergegeven als een gestippelde cirkel. De snijpunten tussen de hoofdlob en deze cirkel geven de zogenaamde straalbreedte of bundelbreedte. Andere parameters die gemakkelijk af te lezen zijn, zijn de voor/achter-verhouding, d.w.z. de verhouding tussen de hoofdlob en de achterlob, en de grootte en richting van de zijlobben.

De verhouding tussen de hoofd- en zijlobben is belangrijk voor radarantennes. Deze parameter is rechtstreeks van invloed op de evaluatie van de immuniteit tegen interferentie van een radar.

Verticale antennepatroonen

Een verticaal antennepatroon is een zijaanzicht van het elektromagnetische veld van de antenne. De dimensionering van het antennepatroon is daarom de afstand tot de antenne op de x-as en de hoogte boven de locatie van de antenne op de y-as. Een meetmethode voor het verticale antennepatroon van radarantennes is de sun-strobe recording. Hiervoor kan een meetinstrument voor radarapparatuur worden gebruikt, de RASS-S apparatuurset van Intersoft Electronics. Met dit instrument kunnen (onder andere) de antennepatroonen van een radarantenne worden bepaald en in een 2D- en zelfs een 3D-grafiek worden weergegeven.

Figuur 3: Verticaal antennepatroon met cosecans kwadraatkarakteristiek

Figuur 3: Verticaal antennepatroon met cosecans kwadraatkarakteristiek

In het diagram toont de verticale as (y-as) de hoogte in voet, terwijl de horizontale as (x-as) de afstand in nautische mijlen (Nm) toont. Deze meeteenheden worden om historische redenen gebruikt in luchtverkeersleidingsradars. De meeteenheden spelen echter slechts een ondergeschikte rol in het diagram, omdat het ondanks de absolute cijfers gaat om gemeten relatieve niveaus, die hier voor de duidelijkheid alleen aan de absolute waarden zijn toegekend. Dit betekent dat voor elk ontvangen signaal uit de gemeten richting een theoretisch bereik wordt berekend volgens de radarvergelijking. Dit resulteert in een diagram dat alleen qua vorm betekenis heeft. De afstanden zijn slechts theoretische waarden. Alleen wanneer twee gemeten diagrammen van een radarapparaat (met onveranderde invoerwaarden) met elkaar vergeleken kunnen worden, kan een uitspraak worden gedaan over een verbeterd of verslechterd bereik.

De straalvormige rechte lijnen vanaf de oorsprong zijn de elevatiehoekmarkeringen. Omdat de verticale as een andere schaal heeft dan de horizontale as, zijn de afstanden tussen de elevatiehoekmarkeringen ongelijk. De hoogtes die op de verticale as zijn uitgezet, worden in het diagram niet alleen als een raster geprojecteerd, maar ook als stippellijnen, waarbij deze de werkelijke hoogte boven de grond aangeven en dus geen rechte lijnen zijn, maar lijnen die licht naar beneden hellen in overeenstemming met de kromming van de aarde.

Driedimensionale antennestralingspatronen

Figuur 4: Antenne patroon van een hoornradiator in driedimensionale weergave in een polair coördinatenstelsel.

Figuur 4: Antenne patroon van een hoornradiator in driedimensionale weergave in een polair coördinatenstelsel.

Antennepatronen in driedimensionale weergave zijn computergegenereerde afbeeldingen. Ze worden meestal gegenereerd door simulatieprogramma's waarvan de waarden verrassend dicht bij een echt gemeten diagram liggen. Het genereren van een echt gemeten diagram betekent een immense meetinspanning, aangezien elke pixel van de afbeelding een afzonderlijke meetwaarde vertegenwoordigt.

Figuur 5: Driedimensionale weergave in cartesische coördinaten van een radarantenne van een personenauto
(Het vermogen wordt gegeven in absolute niveaus!)

Figuur 5: Driedimensionale weergave in cartesische coördinaten van een radarantenne van een personenauto
(Het vermogen wordt gegeven in absolute niveaus!)

Veel antennemeetprogramma's kiezen daarom een compromis voor deze weergave. Alleen een verticale en een horizontale doorsnede door het antennepatroon zijn beschikbaar als echte meetwaarden. Alle andere pixels worden berekend door de hele meetcurve van het verticale diagram te vermenigvuldigen met een enkele meetwaarde van het horizontale diagram. De benodigde rekenkracht is enorm. Met uitzondering van een mooie weergave in presentaties is het voordeel twijfelachtig, omdat er geen nieuwe inzichten kunnen worden verkregen uit deze weergave in vergelijking met de twee afzonderlijke diagrammen (horizontaal en verticaal antennediagram). Integendeel: een diagram dat met dit compromis is gemaakt zal waarschijnlijk aanzienlijk afwijken van de werkelijkheid, vooral in de grenszones.

3D-diagrammen kunnen ook worden weergegeven in zowel cartesische als polaire coördinaten.

Voorbeeld meetopstelling van Rohde & Schwarz voor een autoradar