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

Voedingssystemen voor phased array antennes

Foto van een typische boordradarantenne: Kleine stralingselementen zijn lijn voor lijn op een cirkelvormig oppervlak gemonteerd.

Afbeelding 1: Radar gebruikt in het gevechtsvliegtuig Tornado

Actieve antennes

Actieve phased array-antennes zijn antennes waarbij het zendvermogen rechtstreeks op de antenne wordt opgewekt door vele zend-ontvangmodules met laag vermogen. Voorbeelden zijn de radar die in de Tornado wordt gebruikt, de AN/FPS-117 van de luchtverdediging en de APAR van de marine.

Actieve antennes zijn phased-array antennes waarbij, in plaats van een centrale HF vermogensopwekking, een vermogensversterker wordt toegewezen aan elke individuele straler, die handig direct bij de straler is geplaatst, d.w.z. in de antenne. Dit heeft het voordeel dat de benodigde faseverschuivers slechts kleine vermogens hoeven te verwerken.

Deze antenne hier op de foto bestaat bijvoorbeeld uit 428 actieve stralingselementen. Actieve antennes worden meer in detail beschreven in het hoofdstuk Zender.

Passieve antennes

Passieve phased array antennes zijn onderverdeeld:

Passieve phased array antennes
Stralingsvoeding
Lijnvoeding
Transmissietype
Reflectietype
serieel
parallel
Passieve phased array antennes
Stralingsvoeding
Lijnvoeding
Organisatieschema: Classificatie van passieve phased array antennes.
Passieve phased array antennes worden onderverdeeld in stralingsgevoede antennes (die op hun beurt worden onderverdeeld in transmissietype en reflectietype) en lijngevoede antennes (die op hun beurt worden onderverdeeld in seriegevoede en parallelgevoede antennes).
Passieve phased array antennes
Stralingsvoeding
Lijnvoeding

Lijnvoeding is verreweg de meest gebruikelijke manier om stroom toe te voeren aan een passieve phased array antenne. Voor lijnvoeding is een golfgeleidercircuit of een striplijnnetwerk nodig om het centraal opgewekte vermogen naar de afzonderlijke elementen te verdelen (voorbeeld: PAR-80).

Een minder vaak gebruikte methode is stralingsvoeding, waarbij het antenneoppervlak via een hoornradiator wordt bestraald met het zendvermogen. Dit wordt dan opgepikt door kleine antennes verspreid over een gebied, in fase beïnvloed en dan opnieuw uitgezonden. (Voorbeeld: Patriot).

Figuur 2: Serievoeding van de stralende elementen

De afbeelding toont de serievoeding van de stralende elementen van een phased array-antenne: alle stralende elementen zijn verbonden met een voedingslijn op een bepaalde maar altijd gelijke afstand van elkaar.

Figuur 2: Serievoeding van de stralende elementen (interactief beeld)

Serievoeding van een passieve antenne

Bij serievoeding van fased array antennes worden de stralende elementen na elkaar van zendvermogen voorzien. Bij het instellen van de faseverschuivers moet rekening worden gehouden met de toenemende faseverschuiving als gevolg van de langere voedingslijn. Een frequentiewijziging is niet mogelijk met een serielevering.

Als er toch een frequentiewijziging wordt gemaakt, moet de computer ook de faseverschuiving opnieuw berekenen (of meestal in de praktijk: een andere fasehoektabel gebruiken).

De ontkoppeling van de voedingslijn gebeurt door richtingskoppelaars, die zo zijn ingesteld dat slechts een bepaald deel van het totale vermogen wordt ontkoppeld. Vaak wordt de grootte van dit deel bepaald volgens een bepaald schema, bijvoorbeeld volgens een Gaussische of een binomiale verdeling. Deze vermogensverdeling heeft invloed op de grootte van de zijlobben van het antennediagram.

Figuur 3: Parallelle voeding van stralende elementen van een passieve antenne

Het diagram toont de parallelle voeding van de stralende elementen van een phased array antenne. De voedingslijn is continu verdeeld in twee lijnen zodat uiteindelijk het aantal (van twee-op-n) stralers allemaal hetzelfde vermogen en dezelfde fase ontvangen.

Figuur 3: Parallelle voeding van stralende elementen van een passieve antenne (interactief beeld)

Parallelle voeding van een passieve antenne

Bij parallelle voeding van fased array antennes wordt het zendvermogen bij elk knooppunt gelijkelijk in fase verdeeld. Elk stralingselement heeft een voedingslijn van dezelfde lengte en is daarom onafhankelijk van de frequentie. Uiteindelijk ontvangen 2n stralers allemaal dezelfde hoeveelheid vermogen in dezelfde fase.

Veranderingen in frequentie hebben dus geen invloed op de faseverschillen. Dit heeft als voordeel dat de computer de lengte van de voedingslijnen kan negeren bij het berekenen van de faseverschuiving en dat de bandbreedte van de voedingslijn naar de antenne toeneemt. Dit is een voordeel voor de frequentiebeweeglijkheid en maakt frequentiediversiteit en pulscompressie mogelijk.

Stralingsvoeding met transmissietype
Verschil in transittijd

Figuur 4: Stralingsvoeding met transmissietype

Het diagram toont de functie van een fased array antenne als transmissietype.
Verschil in transittijd

Figuur 4: Stralingsvoeding met transmissietype (interactief beeld)

Een phased array antenne met stralingsfeed heeft het voordeel dat de vermogensverdeling naar de afzonderlijke stralers al wordt gedifferentieerd door de hoornradiator. De centrale gebieden ontvangen een sterkere verlichting, terwijl de perifere gebieden een zwakkere verlichting ontvangen volgens een Gaussiaanse verdeling. Deze vermogensverdeling vermindert de zijlobben van het antennepatroon. Het transmissietype is een radiated feed-type waarbij het antenneoppervlak van achteren wordt verlicht via de hoornradiator met het zendvermogen. Dit wordt dan opgepikt door kleine antennes, in fase beïnvloed en vervolgens opnieuw uitgestraald.

De ruimte achter de fased array-antenne wordt echter belemmerd door het voedingsveld. Bovendien is de hoornradiator niet voor de antenne geplaatst om schaduwen te vormen. De propagatietijdverschillen tussen de afzonderlijke stralers zijn groter naarmate de primaire straler dichter bij het antenneveld is gemonteerd. Met deze transittijden moet rekening worden gehouden bij de regeling van de faseverschuiver (dit type antenne lijkt daarom qua regeling meer op een serieleverancier en heeft daarom ook zijn beperkingen wat betreft de bandbreedte van de antenne).

Het Patriot luchtverdedigingsraketcomplex gebruikt een phased array antenne als transmissietype.

In het millimetergolfbereik ondergaat het transmissietype een renaissance door gebruik te maken van een kleine radarchip met een geïntegreerde antenne als primaire straler.

Stralingsvoeding met reflectietype
Reflector

Figuur 5: Radarvoeding met reflectietype

Het diagram toont de werking van een phased array antenne als een reflectietype.
Reflector

Figuur 5: Radarvoeding met reflectietype (interactief beeld)

Het reflectietype feed is een type stralingsfeed waarbij het antenneoppervlak frontaal wordt verlicht door een feedhoorn met het zendvermogen. Dit wordt dan opgepikt door kleine antennes, in fase beïnvloed, gereflecteerd in een reflectievlak, opnieuw beïnvloed door faseverschuivers en opnieuw uitgezonden (voorbeeld: AN/APQ-140)

Bij het reflectietype is er voldoende ruimte achter de antenne om alle schakelingen (bijv. faseverschuiverbesturing, voeding, enz.) te herbergen. De hoornradiator interfereert hiermee. Precies in de beste stralingsrichting (in het midden) vormt hij niet alleen een schaduw, maar zou hij ook de gereflecteerde energie weer oppikken, wat een staande golf in het voedingssysteem zou veroorzaken.

Maar het moet ergens in het midden zijn, anders zijn er verschillende voortplantingstijden naar de stralende elementen. Als deze verschillende voortplantingstijden worden geaccepteerd en er rekening mee wordt gehouden bij het regelen van de faseverschuivers, kan de hoornradiator buiten de bundelrichting worden gemonteerd, zoals in het geval van een offset antenne. In dit geval is het zelfs mogelijk om verschillende hoornradiatoren te gebruiken voor zenden en ontvangen door de faseverschuiverregeling om te schakelen, waardoor het zendpad wordt ontkoppeld van het ontvangstpad. Met dit type faseverschuivingsregeling zou de antenne ook de functie van een zend-ontvangschakelaar aannemen.