Antena monopulsacyjna
Rysunek 1: Zasada konstrukcji anteny monopulsowej: kanał sumy i różnicy
Rysunek 2: Widok przekroju poprzecznego anteny monopulsowej
Antena monopulsacyjna
Koncepcja anteny monopulsowej łączy anteny, które są zbudowane jako matryca antenowa i mają specjalny sposób zasilania, w którym poszczególne elementy anteny nie zawsze są zasilane w fazie. Różne kombinacje energii odebranej przez poszczególne anteny mogą być generowane dla różnych zadań w postaci sum i różnic.
- W radarze pierwotnym
AN/FPS-117
- w momencie nadawania: wszystkie elementy anteny są zasilane w fazie, a wykresy ich promieniowania są wynikiem ich sumowania.
- W trybie odbioru wykorzystywane są tylko niektóre elementy antenowe; dodawanie/odejmowanie sygnałów na ich wyjściach tworzy własne kanały odbioru i przetwarzania.
- W radarze wtórnym
IFF/SIF Siemens 1990
- grupa impulsów jest emitowana przez kanał sumujący i
- jeden impuls w kanale różnicowym.
Powyższe przykłady pokazują, że antena monopulsowa nie jest odrębnym typem anteny. Na przykład w radarze Siemensa z 1990 r. zastosowano antenę grupową składającą się z anten logoperiodycznych, a w radarze AN/FPS-117 zastosowano fazowany układ anten.
Wprowadzenie do metody wyznaczania kierunku za pomocą monopulsu
Rysunek 3: Objaśnienie estymacji pozycji kątowej celu metodą maksimum (stosowaną w starszych radarach, które nie wykorzystywały metody monopulsowego namierzania kierunku)
Rysunek 3: Objaśnienie estymacji pozycji kątowej celu metodą maksimum (stosowaną w starszych radarach, które nie wykorzystywały metody monopulsowego namierzania kierunku)
Radary monopulsacyjne po raz pierwszy pojawiły się w systemach śledzących. Od końca lat 70-tych, łożysko monopulsacyjne zostało zaadaptowane do pierwotnych i wtórnych systemów radarowych i jest obecnie szeroko stosowane na całym świecie.
Cel będzie obserwowany przez radar od momentu, gdy trafi w wiązkę głównej anteny lub od momentu, gdy zacznie być napromieniowany przez wiązkę anteny nadawczej radaru. Radar zawsze szacuje pozycję kątową celu z błędem, ponieważ jego działanie opiera się na założeniu, że cel znajduje się w osi wiązki głównej anteny, gdy radar odbiera sygnał odbity. Błąd ten ma wielkość proporcjonalną do szerokości wiązki głównej anteny.
Przybliżona metoda określania położenia kątowego celu polega na obróceniu anteny w pobliżu kierunku celu i ustaleniu jej położenia kątowego, w którym amplituda sygnału echa staje się maksymalna. Zasada działania tej metody została przedstawiona na rysunku 3.
Niestety, na dokładność tego oszacowania pozycji kątowej będą miały wpływ błędy spowodowane szumem termicznym oraz błędy spowodowane tak zwanym „szumem celu“ (scyntylacja). Scyntylacja celu jest spowodowana zmianą efektywnej powierzchni celu w czasie, gdy radar napromieniowuje cel. Powoduje to zniekształcenie obwiedni odbieranego pakietu echa.
Rysunek 4: Zasada budowy systemu monopulsacyjnego
Wystarczy jeden odbity sygnał!
Metoda monopulsowa daje lepsze wyniki dokładności pomiarów położenia kątowego celu niż metoda maksimów, której zasadę działania przedstawiono na rysunku 3. Metoda ta może pracować z niższą częstotliwością powtarzania impulsów, co jest zaletą samą w sobie. Systemy monopulsacyjne zazwyczaj mają ulepszone przetwarzanie, aby zapewnić lepiej zakodowaną informację o celu. Pojedynczy impuls odbity od celu jest wystarczający do dostarczenia informacji o położeniu kątowym (stąd nazwa monopuls).
Elementy liniowego układu antenowego są podzielone na dwie połowy. Te dwie oddzielne podpłaszczyzny anteny są rozmieszczone symetrycznie wokół osi anteny. Oś ta jest często określana jako „boresight“. W trybie promieniowania (Tx), obie subpłaszczyzny anteny są zasilane w fazie. Odpowiedni diagram kierunkowy nazywany jest sumą lub Σ-diagramem i jest pokazany na niebiesko na rysunku 4 oraz na wykresie u góry rysunku 4 pokazanym na niebiesko.
W trybie odbioru (Rx) możliwe są dodatkowe sposoby odbioru sygnału w porównaniu z trybem normalnym. Możliwe jest obliczenie sumy Σ sygnałów odbieranych przez poszczególne podpłaszczyzny anteny (analogicznie do tworzenia wykresu sumarycznego w trybie promieniowania) oraz różnicy ΔAz, co daje tzw. wykres różnicy azymutów. Poszczególne części takiego wzoru pokazane są na ilustracji w kolorze czerwonym i zielonym. Oba sygnały (całkowity i różnica) są porównywane, a różnica jest wykorzystywana do dokładniejszego oszacowania pozycji kątowej celu.
Kąt pomiędzy osią anteny (kierunek równoważny) a celem nazywany jest również kątem poza zasięgiem wzroku Off-Boresight Angle (OBA).
W przypadku radarów trójwspółrzędnościowych kąt elewacji jest mierzony jako trzecia współrzędna celu. W ten sposób powyższa procedura jest stosowana dwukrotnie. W tym celu antena jest dodatkowo podzielona na dwie części w kierunku pionowym. Wynikowy kanał różnicy ΔEl nazywany jest kanałem różnicy kątów położenia.
II |
I |
III |
IV |
II |
I |
III |
IV |
Rysunek 5. Podział anteny monopulsowej na cztery kwadranty
Antena monopulsowa wydaje się być teraz podzielona na cztery części zwane kwadrantami (rysunek 5). Sygnały otrzymane z tych kwadrantów pozwalają na uformowanie następujących sygnałów:
- całkowity - sygnał Σ ( I + II + III + IV )
- różnica azymutalna ΔAz ( I + IV ) - ( II + III )
- różnica kątów elewacji ΔEl ( I + II ) - ( III + IV )
Dla pełnego opisu należy wspomnieć o sygnale pomocniczym Ω, choć nie jest on bezpośrednio związany z metodą monopulsów. Jest to sygnał uzyskany z kanału tłumienia listków bocznych. Taki kanał zawsze ma swoją małą antenę o szerokim polu promieniowania. Może być wykorzystany do estymacji zakłóceń.
Każdy z tych sygnałów wymaga własnego kanału odbiorczego. W nowoczesnym radarze trzyosiowym są więc co najmniej cztery równoległe kanały odbiorcze.
Jeżeli podstawowymi promiennikami anteny monopulsowej są anteny tubowe, to formowanie kanałów odbiorczych i przetwarzanie odbieranych sygnałów może odbywać się za pomocą łączników monopulsowych zbudowanych na teownikach falowodowych.