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

Golven en frequentiebereiken

Het spectrum van elektromagnetische golven heeft frequenties tot 1024 Hz. Dit zeer grote bereik is onderverdeeld in verschillende subgroepen door verschillende fysische eigenschappen. De onderverdeling van de frequenties in de verschillende bereiken werd voorheen gemeten volgens criteria die in het verleden werden ontwikkeld en nu achterhaald zijn, en daarom werd een nieuwe classificatie van de frequentiebanden gecreëerd. Deze nieuwe indeling kon internationaal nog niet volledig worden vastgesteld. De traditionele frequentiebandaanduiding wordt in de literatuur nog vaak gebruikt. In de NAVO wordt de nieuwe onderverdeling gebruikt.

De volgende grafiek illustreert een overzicht:

Afbeeldig 1: Golven en frequentiebereiken die door de radar worden gebruikt.

Afbeeldig 1: Golven en frequentiebereiken die door de radar worden gebruikt.

Waves and frequency ranges used by radar.

Afbeeldig 1: Golven en frequentiebereiken die door de radar worden gebruikt.

Daarom zijn er momenteel twee geldige aanwijzingssystemen voor frequentiebanden die in figuur 1 worden vergeleken. De IEEEInstitute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) is voorstander van het aanwijzingssysteem, dat historisch is ontstaan en waarvan de opzettelijk onsystematische verdeling van de letters bij de bandaanduiding gedeeltelijk uit de tijd van de tweede wereldoorlog stamt. De selectie ervan was aanvankelijk bedoeld om de gebruikte frequenties geheim te houden.

Binnen de NAVO wordt een nieuwere frequentiebandindeling gebruikt. De bandgrenzen zijn aangepast aan de technologieën en meetmogelijkheden in de verschillende frequentiebereiken. Ze zijn bijna logaritmisch verdeeld en het systeem is open voor de hoge frequenties. In dit systeem kunnen in de toekomst gemakkelijk andere frequentiebanden tot aan het terahertz-bereik worden gedefinieerd. Dit aanduidingssysteem is ook van militaire oorsprong en is een bandindeling voor de elektronische oorlog, waarin radarapparatuur uiteindelijk een essentiële plaats inneemt.

Omdat een indeling in de nieuwe frequentiebanden niet altijd mogelijk is zonder dat de exacte frequentie bekend is, heb ik zonder commentaar gebruik gemaakt van de traditionele bandnamen waar ze in de publicaties van de fabrikant werden vermeld. Maar wees voorzichtig! In Duitsland, bijvoorbeeld, gebruiken bedrijven nog steeds oude bandnamen. Radarsets van een zogenaamde „C-band familie“ werken met zekerheid in de nieuwe G-band, maar radarsets met de letter „L“ in de aanduiding (bijv. SMART-L) werken niet meer in de L-band maar in de D-band.

De frequenties van radarsets variëren tegenwoordig van ongeveer 5 megahertz tot ongeveer 300 gigahertz (300 000 000 000 000 000 oscillaties per seconde!). Bepaalde frequenties hebben echter ook de voorkeur voor bepaalde radartoepassingen. Zeer langeafstandsradarsystemen werken meestal bij lagere frequenties onder en inclusief de D-band. Luchtverkeersradars op een luchthaven werken onder 3 GHz (ASR) of onder 10 GHz (PAR).

Afbeeldig 2: Enkele radars en de frequentieband binnen het elektromagnetisch spectrum

Afbeeldig 2: Enkele radars en de frequentieband binnen het elektromagnetisch spectrum

Body Scanner
Automotive Radars
Airborne
Radar
Battlefield Radar
Early Warning Radars
Over-The-Horizon (OTH)-Radar
SMR
PAR
ASR
En-Route
Radar
GPR

Afbeeldig 2: Enkele radars en de frequentieband binnen het radarspectrum

A- en B-band (HF- en VHF-radar)

Deze radarbanden onder de 300 MHz hebben een lange traditie, aangezien de eerste radarsets hier voor en tijdens de tweede wereldoorlog werden ontwikkeld. Het frequentiebereik kwam overeen met de hoogfrequente technologieën die men in die tijd onder de knie had. Later werden ze gebruikt voor vroege waarschuwingsradars van extreem langeafstandsradars, de zogenaamde Over The Horizont (OTH) radars. Omdat de nauwkeurigheid van de hoekbepaling en de hoekresolutie afhangt van de verhouding tussen golflengte en antennegrootte, kunnen deze radars niet voldoen aan hoge nauwkeurigheidseisen. De antennes van deze radarsets zijn echter zeer groot en kunnen zelfs enkele kilometers lang zijn. Hier treden speciale abnormale voortplantingscondities op, die het bereik van de radar weer vergroten ten koste van de nauwkeurigheid. Omdat deze frequentiebanden dicht bezet zijn door communicatieradiodiensten, is de bandbreedte van deze radarsets relatief klein.

Deze frequentiebanden maken momenteel een comeback, terwijl de daadwerkelijk gebruikte Stealth-technologieën niet het gewenste effect hebben bij extreem lage frequenties.

C-band (UHF-radar)

Voor deze frequentieband (300 MHz tot 1 GHz) zijn speciale radarsets ontwikkeld die worden gebruikt als militaire vroegtijdige waarschuwingsradar, bijvoorbeeld voor het Medium Extended Air Defense System (MEADS), of als windprofileerders voor weersobservatie. Deze frequenties worden slechts zeer licht gedempt door weersverschijnselen en laten dus een groot bereik toe. Nieuwere methoden, de zogenaamde ultrawideband radars, zenden met een zeer laag pulsvermogen uit van de A naar de C-band en worden meestal gebruikt voor technisch materiaalonderzoek of gedeeltelijk in de archeologie als Ground Penetrating Radar (GPR).

D-band (L-band Radar)

Deze serie is ideaal geschikt voor moderne langeafstandsluchtbewakingsradars tot een bereik van 250 zeemijlen (≈400 km). De relatief lage interferentie van civiele radiocommunicatiediensten maakt breedbandstraling met een zeer hoog vermogen mogelijk. Ze zenden pulsen uit met een hoog vermogen, een grote bandbreedte en een intrapulsmodulatie om een nog groter bereik te bereiken. Door de kromming van de aarde is het bereik dat in de praktijk met deze radarsets kan worden bereikt echter op lage hoogten veel kleiner, omdat deze doelen dan door de radarhorizon worden verduisterd.

In deze frequentieband werken de En-Route Radars of Air Route Surveillance Radars (ARSR) voor de luchtverkeersleiding. In combinatie met een Monopulse Secondary Surveillance Radar (MSSR) werken deze radars met een relatief grote, langzaam draaiende antenne.

E/F-band (S-band Radar)

In de frequentieband van 2 tot 4 GHz is de atmosferische demping hoger dan in de D-band. Radarsets hebben een veel hoger pulsvermogen nodig om lange afstanden te bereiken. Een voorbeeld is de oudere militaire Medium Power Radar (MPR) met een vermogen tot 20 MW impulsvermogen. In deze frequentieband beginnen zich al aanzienlijke beperkingen als gevolg van weersverschijnselen voor te doen. Daarom werken een paar weerradars in de E/F-band maar meer in subtropische en tropische klimatologische omstandigheden, omdat de radar hier verder kan kijken dan een zware storm.

Op luchthavens worden speciale Airport Surveillance Radars (ASR) gebruikt om de positie van vliegtuigen in het terminalgebied met een gemiddeld bereik tot 50 … 60 NM (≈100 km) te detecteren en weer te geven. Een ASR detecteert de positie en weersomstandigheden van vliegtuigen in de nabijheid van civiele en militaire vliegvelden.

G-band (C-band Radar)

Voor deze frequentieband worden mobiele militaire slagveldradars met korte en middellange afstand gebruikt. De antennes zijn klein genoeg om snel en met hoge precisie te worden geïnstalleerd voor wapenbeheersing. De invloed van weersverschijnselen is zeer groot, vandaar dat militaire radarsets meestal zijn uitgerust met antennes met cirkelvormige polarisatie. In dit frequentiebereik worden de meeste weerradars ook gebruikt voor gematigde klimaten.

I/J- Band (X- en Ku- Band Radars)

Tussen 8 en 12 GHz heeft de verhouding tussen golflengte en antennegrootte een gunstigere waarde. Met relatief kleine antennes kan voldoende hoeknauwkeurigheid worden bereikt, wat militair gebruik als radar in de lucht bevordert. Aan de andere kant zijn de antennes van raketcontrole radarsystemen, die zeer groot zijn ten opzichte van de golflengte, nog steeds handig genoeg om als inzetbaar te worden beschouwd.

Deze frequentieband wordt voornamelijk gebruikt in civiele en militaire toepassingen voor maritieme navigatieradarsystemen. Kleine goedkope en snel draaiende antennes bieden voldoende bereik met een zeer goede precisie. De antennes kunnen worden geconstrueerd als eenvoudige slot radiatoren of patch-antennes.

Deze frequentieband is ook populair voor ruimte- of luchtbeeldvormingsradars op basis van Synthetic Aperture Radar (SAR), zowel voor militaire elektronische inlichtingen als voor civiele geografische kartering. Een speciale toepassing van de Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) is het monitoren van de oceanen om milieuvervuiling te voorkomen.

K-band (K- en Ka-band radars)

Naarmate de uitgezonden frequentie toeneemt, neemt de demping in de atmosfeer toe, maar ook de mogelijke nauwkeurigheid en afstandsresolutie neemt toe. Een groot bereik kan niet meer worden gegarandeerd. Radartoepassingen in dit frequentiebereik zijn bijvoorbeeld de bewakingsradar voor vliegvelden, ook bekend als Surface Movement Radar (SMR) of (als onderdeel van) Airport Surface Detection Equipment (ASDE). Met extreem korte pulsen van enkele nanoseconden wordt een uitstekende bereikresolutie bereikt, zodat de contouren van vliegtuigen en voertuigen op het display zichtbaar zijn.

V-band

Door moleculaire verstrooiing van de atmosfeer ondergaan de elektromagnetische golven een zeer sterke demping. Radartoepassingen zijn beperkt tot een bereik van enkele tien meter.

W-band

Twee verschijnselen van atmosferische demping kunnen hier worden waargenomen. Een maximale demping bij ongeveer 75 GHz en een relatief minimum bij ongeveer 96 GHz. Beide frequenties worden in de praktijk gebruikt. Bij ongeveer 75 tot 76 GHz worden kortbereikradarsets in de autotechniek gebruikt als parkeerhulpmiddelen, remhulpsystemen en automatische ongevallenpreventie. Deze hoge demping door moleculaire verstrooiing (hier door het zuurstofmolecuul O₂) voorkomt onderlinge interferentie door massagebruik van deze radarsets.

Er zijn al radarsets die werken op 96 tot 98 GHz als laboratoriumapparatuur. Deze toepassingen geven een voorproefje voor het gebruik van radar in extreem hogere frequenties zoals 100 GHz.

N-Band

In het 122 GHz bereik is er nog een ISM-band voor meettoepassingen. Omdat in de hoogfrequente technologie het Terahertz-bereik wordt gedefinieerd van 100 GHz = 0,1 THz tot 300 GHz, biedt de industrie radarmodules voor dit frequentiebereik aan als „Terahertz radar“. Deze Terahertz radarmodules worden bijvoorbeeld gebruikt in zogenaamde full body scanners. Full body scanners maken gebruik van het feit dat deze Terahertz-frequenties weliswaar gemakkelijk in droge en niet-geleidende stoffen kunnen doordringen, maar door het vocht van de menselijke huid niet dieper dan enkele millimeters in de huid kunnen doordringen.


In Merill Skolniks „Radar Handbook“ (3de editie) pleit de auteur voor de oudere IEEE-standaardletterbenaming voor Radar-Frequentiebanden (IEEE-Std. 521-2002). Deze letteraanduidingen (zoals weergegeven in de rode schaal van figuur 1) waren oorspronkelijk geselecteerd om de radarbanden zoals gebruikt in de Tweede Wereldoorlog te beschrijven. Maar de bruikbare frequenties zijn nu hoger dan 110 GHz - Er zijn nu fasegestuurde generatoren tot 270 GHz, krachtige zenders tot 350 GHz. Vroeg of laat zullen deze frequenties ook gebruikt worden voor radars. Parallel hieraan gaat het gebruik van UWB-radar verder dan de traditionele radarfrequentiebanden.

De verschillende benamingen voor Radar-Frequentiebanden zijn zeer verwarrend. Dit is geen probleem voor radaringenieurs of technici. Deze vakmensen kunnen deze verschillende banden, frequenties en golflengten aan. Maar zij zijn niet verantwoordelijk voor de inkooplogistiek, bijvoorbeeld voor de aanschaf van onderhouds- en meetinstrumenten of zelfs voor de aanschaf van een nieuwe one-radar. Helaas is het management van de logistiek vooral afgestudeerd in de bedrijfswetenschappen. Daarom zullen ze een probleem hebben met de verwarrende bandaanduidingen. Het probleem is nu om te beweren, dat een frequentiegenerator voor I en J-Band een X- en Ku-Band Radar bedient en de D-Band Jammer een L-Band Radar stoort.

UWB-radars gebruiken een zeer breed frequentiebereik, buiten de strikte grenzen van de klassieke frequentiebanden. Wat is beter te zeggen: Deze UWB-radar gebruikt bijvoorbeeld een frequentiebereik van E tot H-band, of gebruikt dezelfde frequenties van hogere S-band tot minnaar X-band?

Maar zolang de aangeboden radarsets door de radarfabrikanten met de oude frequentiebandaanduidingen zullen worden genoemd, zo lang zal de IEEE verklaren, dat de nieuwe frequentiebanden: “…are not consistent with radar practice and shall not be used to describe radar frequency bands.” Ik denk dat het slechts een kwestie van tijd is, en zelfs de IEEE zal van mening veranderen. Vergeet niet: Het is nog niet zo lang geleden, hoewel het hele metrieke stelsel van meeteenheden binnen de IEEE als ongeschikt werd aangemerkt.