Monopulsantenne
Figuur 1: Principe van monopulsantennes: een somkanaal en een verschilkanaal
Figuur 2: sectional picture of an antenna array of a monopulse antenna
Monopulsantenne
Bij dit concept worden antennes gecombineerd die zijn opgebouwd als een antenne-array en die een speciale methode krijgen in de voeding: De afzonderlijke antenne-elementen zijn niet altijd samen in fase geschakeld! Voor verschillende doeleinden kunnen diverse sommen en verschillen worden gevormd uit de ontvangen energie.
- In de primaire Radar
AN/FPS-117
- worden alle antenne-elementen in fase gevoed en worden de stralingspatronen samengevat tijdens de transmissie
- Bepaalde groepen worden alleen in de ontvangsttijd samengevat en hun sommen of verschillen voeden eigen ontvangstkanalen.
- In de secundaire radarset
IFF/SIF Siemens 1990
- wordt een impulsgroep uitgezonden op het somkanaal en
- een impuls in het verschilkanaal.
Deze twee voorbeelden wijzen: Een monopulsantenne is geen eigen basismodel antenne. De Siemens 1990 ondervrager gebruikt een antennegroep van logaritmische periodieke antennes en de AN/FPS-117 heeft een Phased Array antenne.
Monopuls concept
Figuur 3: schatting van de hoekpositie bij oudere radars (zonder gebruik van een monopulsmethode)
Figuur 3: schatting van de hoekpositie bij oudere radars (zonder gebruik van een monopulsmethode)
Monopuls-radars vinden hun oorsprong in volgsystemen. Sinds het einde van de jaren zeventig is het principe van de monopuls aangepast aan PSR- en SSR-systemen en wordt het vandaag de dag wereldwijd algemeen operationeel gebruikt.
Een doel wordt door de radar gezien vanaf het moment dat het de hoofdbundel van de antenne binnenkomt of vanaf het moment dat het wordt verlicht door de uitgezonden radarantennebundel. Een zoekradar maakt altijd een fout bij de bepaling van de richting van het doel, omdat hij uitgaat van de veronderstelling dat het doel zich bevindt in de richting van de as van de hoofdbundel van de antenne. Deze fout is van de orde van de bundelbreedte van de hoofdbundel van de antenne.
Een ruwe manier om de hoekpositie van een doel te bepalen is de antenne langs de richting van het doel te bewegen en de richting te noteren die de maximale echo-amplitude geeft.
Helaas wordt de geschatte azimutpositie beïnvloed door thermische ruisfouten en doelwitfluctuatiefouten (scintillatie). De doelwitfluctuatiefout is te wijten aan de verandering van de dwarsdoorsnede van het doelwit tijdens de „time-on-target“ van de antenne, die een vervorming van de omhullende van de gereflecteerde pulstrein geeft.
Figuur 4: Principe van een monopulssysteem
Eén ontvangen echo is voldoende!
Monopuls geeft veel betere azimutmetingen van het doelwit dan de in figuur 3 getoonde schatting van de hoekpositie. Het kan werken met een veel lagere ondervragingssnelheid, zodat ook anderen in de omgeving daarvan kunnen profiteren. Monopulssystemen bevatten gewoonlijk een verbeterde verwerking om informatie over de doelcode van betere kwaliteit te verkrijgen. Een enkele puls is voldoende voor monopuls peiling (vandaar het gebruik van de term monopuls).
De elementen in een lineaire antenne-array worden in twee helften verdeeld. Deze twee afzonderlijke antenne-arrays worden symmetrisch in het brandvlak geplaatst aan weerszijden van de as van de radarantenne (dit wordt vaak de boresight as genoemd). In de transmissie (Tx) modus worden beide antennes arrays in fase gevoed en wordt het stralingspatroon weergegeven door het ijsblauwe gebied, dat het Σ of som - diagram wordt genoemd (in figuur weergegeven als blauwe grafiek en patroon).
In de ontvangst (Rx) modus is een extra ontvangstmogelijkheid mogelijk. Uit de ontvangen signalen van beide afzonderlijke antenne-arrays kunnen Σ (zoals het uitgezonden somdiagram) en het verschil ΔAz, het zogenaamde Delta-azimut-diagram, worden berekend. Het antennepatroon wordt gegeven door het rode en groene gebied op dezelfde figuur. Beide signalen worden vervolgens vergeleken als een antwoordverwerkingsfunctie en hun verschil wordt gebruikt om het azimut van het doel preciezer te schatten.
De hoek tussen de as van de antenne (boresight axis) en de richting van het doel wordt ook wel OBA-waarde (Off-Boresight Angle) genoemd.
De elevatiehoek wordt ook gemeten bij 3D-radars als een derde coördinaat. Welnu, de procedure wordt nu tweemaal gebruikt. Hier wordt de antenne bovendien afgeleid in een bovenste helft en een onderste helft. Het tweede verschilkanaal ΔEl wordt „Delta Elevatie“ genoemd.
II |
I |
III |
IV |
II |
I |
III |
IV |
Figuur 5: de vier kwadranten van een monopulsantenne
De monopulsantenne is nu verdeeld in vier kwadranten: Uit de ontvangen signalen van deze vier kwadranten worden de volgende signalen gevormd:
- Som - signaal Σ ( I + II + III + IV )
- Verschil - signaal ΔAz ( I + IV ) - ( II + III )
- Verschil - signaal ΔEl ( I + II ) - ( III + IV )
- Hulpsignaal Ω
Het hulpsignaal Ω moet ook worden vermeld om het plaatje compleet te maken, hoewel dit niet gebonden is aan de monopulsantenne. Dit kanaal ter compensatie van sidelobes heeft altijd praktisch zijn eigen kleine antenne en heeft een zeer breed antennediagram en dient ook voor de verkenning van actieve jamming.
Al deze signalen hebben een eigen ontvangerkanaal nodig. Welnu, moderne 3D- radarsets hebben tenminste vier parallelle ontvangerkanalen.
Indien de primaire stralers van de monopulsantenne bestaan uit hoorn antennas, dan kan de verdeling van de ontvangen signalen worden uitgevoerd met een monopuls duplexer.
Amplitude- of fasevergelijking
In de configuratie van figuur 1 produceert de linker antennegroep de bovenste helft van de verschilbundel en de rechter antennegroep de onderste helft van het verschildiagram. De combinatie van de twee groepen produceert de sombundel. Bij deze opstelling van de antennes wordt de informatie over de hoekpositie van het doelwit overgebracht in het verschil van de spanningsniveaus van de twee antennegroepen: als het doelwit in deze figuur zich onder de middenas van de diagrammen van figuur 1 zou bevinden, zou de spanning van de rechter antenne-array groter zijn dan de spanning van de linker antenne-array. Als het doel zich boven de middenas van de diagrammen zou bevinden, zou de spanning van de linker antenne-array groter zijn dan de spanning van de rechter antenne-array.
Aangezien de hoekinformatie uit de spanningswaarden of amplitudes wordt bepaald, wordt dit type antenne een Amplitude-vergelijkende Monopulsantenne genoemd, of korter: Amplitude Monopulsantenne.
Bij een phased array antenne zouden het somdiagram en beide verschilhelften in dezelfde richting wijzen. Naast de boresight-as van het antennevlak zou een faseverschuiving het antennediagram doen sturen. In dit geval zou de hoekinformatie niet worden overgedragen in de relatieve amplitudes van de signalen van de verschilbundels. In plaats daarvan wordt de hoekinformatie bepaald door de faseposities van de afzonderlijke antennes of antenne-arrays. Daarom worden phased array antennes ook wel fasevergelijkende monopuls antennes genoemd, of korter: fasevergelijkende monopuls antennes.