www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Anteny radarowe

Antena fazowa

Rysunek 1: Po lewej: dwa elementy antenowe zasilane z tą samą fazą; po prawej: dwa elementy antenowe zasilane z pewnym przesunięciem fazowym

Rysunek 1: Po lewej: dwa elementy antenowe zasilane z tą samą fazą; po prawej: dwa elementy antenowe zasilane z pewnym przesunięciem fazowym

Antena fazowa

Antena fazowa składa się z szeregu elementów promieniujących, z których każdy posiada własny przesuwnik fazowy. Wiązka jest formowana poprzez przesunięcie fazy sygnału emitowanego przez każdy element promieniujący, tak aby ich interferencja fazowa / przeciwfazowa wystąpiła w celu obrócenia wiązki w pożądanym kierunku.
Rysunek 1 (po lewej) przedstawia dwa elementy promieniujące, które są zasilane falami o tej samej fazie. Sygnał w głównym kierunku jest wzmacniany przez interferencję fal w fazie. Ostrość wiązki jest poprawiana przez interferencję w przeciwfazie.

Rysunek 2: Animacja ugięcia wiązki elektronów


(Kliknij aby powiększyć: 591·723px = 468 kByte)

Rysunek 2: Animacja ugięcia wiązki elektronów, (Zobacz także: mlago.dev)

Na rysunku 1 (po prawej) sygnał emitowany przez górny element promieniujący jest opóźniony w fazie o 22 stopnie w stosunku do sygnału emitowanego przez dolny element. Z tego powodu główny kierunek emisji całkowitego sygnału jest lekko skierowany w górę.

(Uwaga: w przykładzie pokazanym na tym rysunku elementy promieniujące są używane bez odbłyśnika. Dlatego też tylny płat charakterystyki promieniowania tej anteny jest tak duży, jak płat główny).

Wiązka główna jest zawsze skierowana w kierunku rosnącego przesunięcia fazowego. Tak więc, jeśli wypromieniowany sygnał zostanie przepuszczony przez elektroniczny przesuwnik fazy, który zapewnia ciągłe przesunięcie jego fazy, położenie kątowe wiązki zostanie wyregulowane elektronicznie. Taka regulacja ma jednak swoje ograniczenia. Największa wartość, jaką można osiągnąć dla pola widzenia planarnego układu fazowego wynosi 120º (60º w jedną stronę i 60º w drugą). Wymagane przesunięcie fazowe można obliczyć za pomocą twierdzenia sinusów.

Rysunek 2 przedstawia graficznie układ elementów promieniujących. Anteny o dowolnej konstrukcji mogą być używane jako takie. W przypadku fazowego układu antenowego główne znaczenie ma to, że poszczególne elementy promieniujące są napędzane przez regularne przesunięcie fazowe, co powoduje zmianę kierunku wiązki antenowej. Na przykład antena radaru AN/FPS-117 składa się z 1584 elementów promieniujących i ma analogową architekturę wzoru. Bardziej zaawansowane radary wykorzystują cyfrowe kształtowanie wzoru anteny.

Zalety:
  • Wysoki zysk anteny , a jednocześnie niski poziom listków bocznych;
  • Zdolność do przenoszenia wiązki z jednego celu na drugi w ciągu kilku mikrosekund;
  • Możliwość szybkiego formowania i zmiany wiązki pod kontrolą komputera;
  • dowolna zmiana trybów podglądu i śledzenia;
  • dowolnie zmienny czas napromieniowania celu;
  • wielofunkcyjne działanie dzięki tworzeniu kilku wiązek jednocześnie;
  • awaria pojedynczych elementów pogarsza charakterystykę anteny, ale ogólnie system pozostaje sprawny.
Wady:
  • obszar skanowania jest ograniczony do sektora 120º w azymucie i kącie położenia;[1]
  • zmiana kształtu wiązki przy odchyleniu od kierunku osiowego;
  • zależność parametrów wzorca kierunkowego od częstotliwości;
  • bardzo złożona struktura (procesor, przesuwniki fazowe);
  • wciąż wysoki koszt.

Uwagi:

  1. Ograniczeniu przestrzeni skanowania można zaradzić za pomocą trójwymiarowego rozmieszczenia promienników.
    Takiemu rozmieszczeniu promienników nadano nazwę anteny typu wronie gniazdo.
  2. Zainspirowany tą animacją Arthur Morales, inżynier w firmie Embraer, opracował program demonstracyjny: mlago.dev

Możliwe konfiguracje

Liniowe siatki

Rysunek 3: Liniowa antena fazowa

Rysunek 3: Liniowa antena fazowa

Takie anteny składają się z linii, których elementy są zasilane przez wspólny przesuwnik fazowy. Kilka anten umieszczonych jedna nad drugą tworzy płaski układ.

Anteny fazowe tego typu są stosowane głównie w przypadkach, gdy wymagane jest odchylenie wiązki tylko w jednej płaszczyźnie, ponieważ cała antena jest obracana w drugiej płaszczyźnie (AN/FPS-117).

Rysunek 4: Antena planarna typu phased array

Rysunek 4: Antena planarna typu phased array

Anteny planarne typu phased array

Anteny te składają się w całości z pojedynczych elementów promieniujących, z których każdy posiada własny przesuwnik fazowy. Elementy są rozmieszczone w formie matrycy. Rozmieszczenie wszystkich elementów na płaszczyźnie tworzy kompletny układ fazowy.

Rysunek 5. Siatka skanująca częstotliwość

Rysunek 5. Siatka skanująca częstotliwość

Siatki skanujące częstotliwość

Siatka skanująca częstotliwość jest specjalnym rodzajem siatki fazowanej, w której główna wiązka jest kontrolowana przez dostrojenie częstotliwości wzbudnicy. Kierunek wiązki jest funkcją częstotliwości emitowanego sygnału. Anteny tego typu nazywane są matrycami antenowymi skanującymi częstotliwość. Konwencjonalna konstrukcja polega na zasilaniu różnych elementów promieniujących z pojedynczego falowodu ułożonego w stos. Antena skanująca częstotliwość jest szczególnym przypadkiem anteny fazowej z zasilaniem szeregowym i opiera się na właściwościach propagacji określonej fali w falowodzie. Różnica faz między dwoma elementami promieniującymi wynosi n·360º przy normalnej częstotliwości. Wraz ze zmianą częstotliwości zmienia się kąt Θs między osią wiązki a normalną do układu antenowego. Dzięki takiej antenie możliwe jest skanowanie w płaszczyźnie pionowej w celu określenia wysokości celu. W tym celu stosowana jest następująca technika.

Jeśli częstotliwość radaru wzrasta, wiązka przesuwa się w górę. Jeśli częstotliwość spada, wiązka przesuwa się w dół. W ten sposób, wraz ze zmianą częstotliwości, wiązka anteny skanuje kąt lokalizacji. Radar jest zaprojektowany w taki sposób, że zapamiętuje funkcję zmiany częstotliwości i konwertuje sygnały echa na dane obrazu 3D po ich odebraniu.

Należy zauważyć, że skanowanie częstotliwości zmniejsza znaczenie wykorzystania zmiany częstotliwości jako sposobu na osiągnięcie innych użytecznych efektów (np. korzyści z kompresji impulsów).

Systemy zasilania

Obliczanie przesunięcia fazowego

Przesunięcie fazowe Δφ między dwoma sąsiednimi elementami jest stałe i nazywane jest przesunięciem fazowym. Jak duże musi być przesunięcie fazowe, aby uzyskać przesunięcie wiązki o określony kąt?

Poniżej przedstawiono liniowy układ izotropowych elementów promieniujących.

kierunek główny
przesuwniki fazowe

Rysunek 6. W kierunku wyprowadzenia wzoru obliczeniowego

kierunek główny
przesuwniki fazowe

Rysunek 6. W kierunku wyprowadzenia wzoru obliczeniowego

x = d · sin ΘS

(1)

(2)

  • Δφ – przesunięcie fazowe między dwoma sąsiednimi elementami
  • d – odległość między elementami promieniującymi
  • Θs – kąt obrotu wiązki promieniowania

Formel (3):

(3)

Dane początkowe do obliczeń (Rysunek 6):

  • radar pracuje na długości fali λ=10 см.
  • odległość między elementami promieniującymi wynosi 15 см.
  • możemy pominąć wartości różnicy czasu propagacji w podajniku;
  • kąt obrotu wiązki powinien wynosić Θs= 40°.
Zadanie:
  • Jaką wartość przesunięcia fazowego powinien mieć przesuwnik fazowy nr 8 (po lewej stronie), aby uzyskać taki kąt obrotu?

Zacznijmy obliczać przesunięcie fazowe.
Ze względu na funkcję trygonometryczną nie obejdzie się bez kalkulatora: Δφ =(360°·15 cm/10 cm)·sin(40°) = 347.1°.
 
Oznacza to, że element promieniujący #8 musi mieć wartość przesunięcia fazowego φ = 7 · 347.1 = 2429.7°.
 
Ponieważ funkcja sinus jest okresowa, przesunięcie fazowe n·360º jest takie samo jak 0º. Dlatego możemy odjąć liczbę pełnych cykli 360º od wynikowej wartości przesunięcia fazowego. Tak więc, dla przesuwnika fazy #8, przesunięcie fazy przyjmie wartość φ= 269,7º. Część tego przesunięcia fazowego jest realizowana z powodu opóźnienia podczas propagacji w podajniku.