Radarové antény

Fázovaná anténa

Fázovaná anténa se skládá z řady vyzařovacích prvků, z nichž každý má vlastní fázový posunovač. Paprsek se vytváří posunem fáze signálu vysílaného každým vyzařovacím prvkem tak, aby došlo k jejich fázovému/protifázovému rušení, které natočí paprsek v požadovaném směru.
Obrázek 1 (vlevo) ukazuje dva vyzařující prvky, které jsou napájeny vlnami se stejnou fází. Signál v hlavním směru je zesílen interferencí vln ve fázi. Ostrost paprsku je zlepšena interferencí v protifázi.

Obrázek 2: Animace vychylování elektronového paprsku

Obrázek 2: Animace vychylování elektronového paprsku, (viz také: mlago.dev)

Na obrázku 1 (vpravo) je signál vysílaný horním vyzařovacím prvkem o 22 stupňů fázově pozadu za signálem vysílaným spodním prvkem. Z tohoto důvodu je hlavní směr vyzařování celkového signálu mírně vzhůru.

(Poznámka: v příkladu na tomto obrázku jsou vyzařovací prvky použity bez reflektoru. Proto je zadní lalok vyzařovacího diagramu této antény stejně velký jako hlavní lalok).

Hlavní paprsek směřuje vždy ve směru rostoucího fázového posunu. Pokud tedy vyzařovaný signál prochází elektronickým fázovým měničem, který zajišťuje plynulý posun jeho fáze, úhlová poloha paprsku se elektronicky upraví. Takové nastavení má však své meze. Největší hodnota, které lze dosáhnout pro zorné pole planárního fázového pole, je 120º (60º na jednu stranu a 60º na druhou stranu). Požadovaný fázový posun lze vypočítat pomocí sinusové věty.

Na obrázku 2 je graficky znázorněno pole vyzařujících prvků. Jako takové lze použít antény libovolné konstrukce. U fázového anténního pole má hlavní význam to, že jednotlivé vyzařující prvky jsou řízeny pravidelným fázovým posunem, což vede ke změně směru anténního svazku. Například radarová anténa AN/FPS-117  se skládá z 1584 vyzařovacích prvků a má analogovou architekturu obrazce. Sofistikovanější radary používají digitální tvorbu obrazce.

Poznámky:

1. Omezení snímacího prostoru lze odstranit trojrozměrným rozložením zářičů.
   Toto uspořádání zářičů dostalo název anténa vraního hnízda.
2. Inspirován touto animací vyvinul Arthur Morales, inženýr společnosti Embraer, demonstrační program: mlago.dev

Možné konfigurace

Lineární fázovaná anténa

Obrázek 3: Lineární fázovaná anténa

Obrázek 3: Lineární fázovaná anténa

Takové antény se skládají z vedení, jejichž prvky jsou napájeny společným fázovým měničem. Několik antén umístěných nad sebou tvoří rovinné pole.

• Výhoda: jednoduchá konfigurace;
• Nevýhoda: vychýlení paprsku je možné pouze v jedné rovině.
• Jsou uvedeny příklady:
  • PAR-80 (horizontální vychýlení paprsku, vertikální uzel);
  • AN/FPS-117  (vertikální vychýlení paprsku, horizontální natočení);
  • anténa s velkou vertikální aperturou (Large Vertical Aperture, LVA), anténa s pevným obrazcem.

Fázové anténní soustavy tohoto typu se používají hlavně v případech, kdy je požadováno vychýlení paprsku pouze v jedné rovině, protože celá anténa je v druhé rovině otočena (AN/FPS-117 ).

Obrázek 4: Planární fázovaná anténa

Obrázek 4: Planární fázovaná anténa

Planární fázovaná anténa

Tyto antény se skládají výhradně z jednotlivých vyzařovacích prvků, z nichž každý má vlastní fázový posuvník. Prvky jsou uspořádány ve formě matice. Uspořádání všech prvků v rovině tvoří úplnou fázovou soustavu.

• Výhoda: paprsek lze nasměrovat do různých směrů a lze realizovat digitální tvorbu obrazce.
• Nevýhoda: složitější konstrukce a vyšší počet potřebných fázových měničů.
•   Příklady provedení: AN/FPS-85  a Thomson Master-A 

Obrázek 5. Mřížka pro frekvenční skenování

Obrázek 5. Mřížka pro frekvenční skenování

Mřížky s frekvenčním skenováním

Frekvenčně skenující mřížka je speciální typ fázové mřížky, ve které je hlavní paprsek řízen laděním budicí frekvence. Směr paprsku je funkcí frekvence vyzařovaného signálu. Antény tohoto typu se nazývají anténní pole s frekvenčním skenováním. Konvenční konstrukce zahrnuje napájení různých vyzařovacích prvků z jednoho stohovaného vlnovodu. Anténa s frekvenčním skenováním je zvláštním případem anténní soustavy s fázovým uspořádáním se sériovým napájením a je založena na vlastnostech šíření určité vlny ve vlnovodu. Fázový rozdíl mezi dvěma vyzařujícími prvky je n·360º při normálním kmitočtu. Se změnou frekvence se mění úhel Θ_s mezi osou paprsku a normálou k anténnímu poli. S takovou anténou je možné snímat ve svislé rovině a určit výšku cíle.

Pokud se zvýší frekvence radaru, paprsek se posune směrem nahoru. Pokud frekvence klesá, paprsek se pohybuje směrem dolů. Se změnou frekvence tedy paprsek antény skenuje úhel umístění. Radar je konstruován tak, aby si zapamatoval funkci změny frekvence a po příjmu převedl echo signály na 3D obrazová data.

Je třeba poznamenat, že frekvenční skenování snižuje význam využití změny frekvence jako způsobu dosažení jiných užitečných efektů (např. výhod komprese impulsů).

Systémy napájení

Výpočet fázového posunu

Fázový posun Δφ mezi dvěma sousedními prvky je konstantní a nazývá se fázový posun. Jak velký musí být fázový posun, aby se dosáhlo posunutí paprsku o určitý úhel?

V následující diskusi se uvažuje lineární uspořádání izotropních vyzařujících prvků.

hlavní směr

fázové posunovače

Obrázek 6. K odvození výpočtového vzorce

hlavní směr

fázové posunovače

Obrázek 6. K odvození výpočtového vzorce

(2)

• Δφ – fázový posun mezi dvěma sousedními prvky
• d – vzdálenost mezi vyzařujícími prvky
• Θ_s – úhel natočení paprsku

(3)