Radar Grondbeginselen

Sleufstraler

Sleufstralers zijn antennes die vaak worden gebruikt in navigatieradarapparatuur in het frequentiebereik van ongeveer 300 MHz tot 25 GHz, gewoonlijk als arrayantennes gevoed door een golfgeleider. Maar oudere grote phased array-antennes maakten ook gebruik van het principe omdat sleufstraler een zeer goedkope optie zijn voor array-antennes met frequentie-afhankelijke straalbesturing. Bij sleufantennes wordt een ongeveer λ/2 lange maar smalle (minder dan 0,1 λ) sleuf gesneden in een geleidende plaat (die geacht wordt oneindig lang te zijn) en in het midden aangeslagen. Volgens de stelling van Babinet gedraagt deze sleuf zich als een resonante radiator. Jacques Babinet (1794 - 1872) was een Franse natuurkundige die in 1837 de stelling formuleerde dat er een dualiteit bestaat tussen de diffractiepatronen van een smalle sleuf en een dunne haar. Volgens deze stelling kunnen de stralingseigenschappen van een sleuf worden uitgedrukt door dezelfde eigenschappen van een vervangende dipool van dezelfde grootte. Een verticale sleuf heeft hetzelfde stralingspatroon als een verticale dipool, maar geeft een horizontaal veld, dat wil zeggen dat de vlakken van de elektrische en magnetische velden van plaats zijn verwisseld. Bij een verticale dipool oscilleert de vector van het elektrische veld in het verticale vlak; bij een verticale sleuf oscilleert hij in het horizontale vlak, d.w.z. hier loodrecht op de sleuf. De polarisatie is lineair.

Figuur 2: Diverse breedbandige sleufstraler.

De stralingsweerstand (de impedantie) van een smalle sleuf wordt gegeven door:

Hieruit volgt voor Z_s = 485 Ω.

De afmetingen van de gleuf, de vorm en eventueel de achtergrond kunnen worden gevarieerd en bieden afstemmingsmogelijkheden om de resonantie-eigenschappen te veranderen. De bandbreedte van een rechthoekige smalle sleuf is gelijk aan die van de vervangende dipool en ongeveer de helft van de bandbreedte van een cilindrische dipool met een diameter die gelijk is aan de sleufbreedte. Figuur 2 toont sleufs die afwijken van de rechthoekige vorm, waardoor de bandbreedte van de sleufradiator toeneemt.

Figuur 2: Diverse breedbandige sleufstraler.

Hoewel de theorie een oneindig gespreid geleidend oppervlak vereist, is de afwijking van de theoretische waarde klein als het oppervlak groter is dan het kwadraat van de golflengte. De sleufstraler kunnen worden gevoed met een gewone tweedraadsleiding. Net als bij een dipool hangt de impedantie af van het voedingspunt. De waarde van 485 Ω geldt alleen voor een voeding in het middelpunt. Een verschuiving van het centrum naar de rand vermindert de impedantie gestaag.

De toepassing van sleufs kan veelzijdig zijn. Zij kunnen dipolen vervangen als de polarisatie ongeveer loodrecht op de lengterichting van de straler moet staan. Als bijvoorbeeld een dipool wordt gebruikt om een paraboolantenne met een waaierpatroon te voeden, zou deze horizontaal moeten worden geplaatst als horizontale polarisatie vereist is. Dit zou tot gevolg hebben dat de randvlakken van de reflector niet voldoende worden verlicht, maar dat boven en onder de reflector veel energie verloren gaat. Bovendien zou de lengtestrekking van een dipool in een vlak liggen waarin een puntstralingsbron nodig is voor het brandpunt van de parabolische reflector. Indien in dit geval de dipool wordt vervangen door een sleufted radiator, treden deze nadelen niet op.

Figuur 3: Verschillende sleufopstellingen in een golfgeleider.

Sleuven in golfgeleiders

Figuur 3: Verschillende sleufopstellingen in een golfgeleider.

Gleufopstellingen in golfgeleiders bieden een kosteneffectieve manier om array-antennes te bouwen. Figuur 3 toont een rechthoekige golfgeleider met een momentopname van de schematische stroomverdeling in de golfgeleiderwanden getekend met rode lijnen. Als in de wanden sleuven worden gefreesd, wordt de stroomsterkte in meer of mindere mate beïnvloed, afhankelijk van de positie van de sleuf. Als de sleuven voldoende smal zijn, zullen de sleuven B en C van fig. 3 weinig invloed hebben op de stroomverdeling. Deze twee sleuven zullen dus weinig of niet stralen. Sleuven A en D daarentegen zijn obstakels voor de stroomtoevoer. Deze stroom werkt dus als een excitatiesysteem voor de sleuf als radiator. Als de oscillatie in de golfgeleider vooruit beweegt, bewegen deze getekende lijnen ook. Afhankelijk van de frequentie van de in de golfgeleider getransporteerde oscillatie ontvangt de sleuf dus altijd afwisselend een spanningspotentiaal aan de randen van de sleuf. Zoals deze gleuven A en D zijn getekend, hebben zij de sterkste koppeling met de getransporteerde HF-energie in de golfgeleider. Om deze koppeling te verminderen kan bijvoorbeeld sleuf A dichter bij een van de kortere golfgeleidermuren worden geplaatst. Hetzelfde effect zou worden bereikt door de sleuven te draaien in een hoek die afwijkt van de rechte hoek tussen de posities A en B respectievelijk C en D. In het geval van rotatie van de sleuf is de koppeling ongeveer gelijk aan een factor sin²θ van de rotatiehoek θ, dat is de afwijking van de loodrechte stand voor sleuf D of van de parallelle stand voor sleuf A.

Figuur 4: Golfgeleider sleufantenne met sleufstralers op de bredere wand.

Golfgeleider sleufantennes

Figuur 4: Golfgeleider sleufantenne met sleufstralers op de bredere wand.

Verschillende gleufstralers in een golfgeleider vormen een antenne-array. Opdat de afzonderlijke stralers in de juiste fase zouden stralen, moeten zij op dezelfde afstand van de golflengte worden geplaatst die binnen de golfgeleider geldt. Deze golflengte verschilt van de golflengte in de vrije ruimte en is een functie van de lange zijde a van een rechthoekige golfgeleider. Het wordt berekend voor de meest gebruikte H₁₀-stand volgens:

Figuur 5: Golfgeleider sleufantenne met ongeveer 30° gedraaide sleufstralers op de smallere wand.

a  = lange zijde van de rechthoekige golfgeleider
λ_h = golflengte in de golfgeleider
λ  = golflengte in de vrije ruimte (2)

Figuur 5: Golfgeleider sleufantenne met ongeveer 30° gedraaide sleufstralers op de smallere wand.

De golflengte in de golfgeleider is iets langer dan in de vrije ruimte. Bij deze golflengte wordt de afstand tussen de stralers in de array echter ingesteld op een waarde die iets groter is dan de golflengte λ van de vrije ruimte. Dit heeft een ongunstig effect op de grootte en het aantal zijlobben. De sleuven zijn vaak excentrisch geplaatst (met verminderde koppeling) en afwisselend links en rechts van het midden. Bij montage aan de smalle zijde van de golfgeleider kan deze zijde korter zijn dan de noodzakelijke resonantielengte voor de sleufradiator. In dit geval kan de sleuf ook om de hoeken heen worden geleid, d.w.z. hij kan ook iets doorlopen aan de a zijden van de golfgeleider. Bij een dergelijke schuine stand moeten de sleuven echter afwisselend naar links en rechts wijzen, zodat de afzonderlijke velden elkaar overlappen en een horizontale polarisatie vormen (hier in fig. 5) en zich niet afstemmen op de schuine stand van de sleuven. In praktisch gebouwde sleufantennes zijn deze sleuven in de golfgeleider allemaal bedekt met een dun isolatiemateriaal om de binnenkant te beschermen. Dit materiaal mag niet hygroscopisch zijn of moet tegen weersinvloeden worden beschermd.

Figuur 6: Groefantenne voor een maritieme radar in S-band, tentoongesteld op een Poolse maritieme cadettenschool.

Figuur 6: Groefantenne voor een maritieme radar in S-band, tentoongesteld op een Poolse maritieme cadettenschool.

Een enkele smalle sleufantenne kan ook werken bij frequenties ±5 … ±10% van zijn resonantiefrequentie. Voor groepsantennes daarentegen is dit niet zo gemakkelijk mogelijk. Een dergelijke array-antenne is sterk gefixeerd op de frequentie waarvoor deze afstanden zijn geoptimaliseerd door de afstanden van precies λ_h. Als de frequentie verandert, kloppen deze afstanden niet meer en nemen de prestaties van de antenne af. Het faseverschil dat optreedt van radiator tot radiator vergroot de lengte van de antenne tot waarden die niet langer aanvaardbaar zijn. Deze antenne gaat dan „scheelzien“, d.w.z. het antennepatroon wijst in een andere richting dan de optische middenas. Dit effect kan ook worden benut voor het elektronisch zwenken van de antennebundel als functie van de verandering in de zendfrequentie.

In radarantennes wordt dit ontwerp vaak gebruikt in navigatieradars. Om het effectieve oppervlak (de apertuur) van de antenne te vergroten, wordt het gehele golfgeleidergedeelte samen met de sleufstraler ingepakt tot een soort oversized hoornradiator (zie fig. 6). Dit verbetert de richtingsgevoeligheid in het verticale vlak en verhoogt de antenneversterking. Dit type antenne vormt een waaierpatroon: uiterst smal in de zijwaartse hoek, relatief breed (20° tot 25°) in de elevatiehoek.