Radar Temelleri

Bir Amatör Radar Yapımı

Prensip şeması

Önce, bir Frekans Modüleli Sürekli Dalga-Radarının (FMCW-Radar) yeteneğine sahip olan bir Sürekli Dalga-Radarı (CW-Radar) yapılacaktır. Yüksek darbe gücünün tehlikesine karşı önlem alınmalıdır. Gönderim gücü miliwatt mertebesindedir, bunun birkaç on katı bir güç halen müsaade edilen sınırların çok altındadır. Tasarım, Sürekli Dalga- ve Frekans Modüleli Sürekli Dalga-Radarının denemelerinin başarıyla tamamlanmasının ardından genişletmelere imkân sağlayacak şekilde düşünülmüştür. Tasarım, bunun yanında Darbe-içi modülasyonlu (”Chirp-Radar” denilen) bir darbe radarına yükseltilebilecek şekilde hazırlanmış ve bu çalışma modları arasında bir kumanda hattıyla birinden diğerine geçiş öngörülmüştür.

Resim 2: Blok şemasıyla ilgili resimler

Resim 2: Blok şemasıyla ilgili resimler

Blok şeması

Genel olarak frekansla modüle edilebilen bir göndericiye ihtiyaç vardır. Bir Raspberry Pi bilgisayar kartı modülasyon için gerekli kontrol gerilimini sayısal-analog bir dönüştürücü aracılığıyla üretmelidir.

Alıcı esas itibariyle bir ucuz USB-osiloskoptur (ELV-Ürün Gönderi No. 68-09 93 35). Bu osiloskop, bu amaçlar için ne yazık ki yeterince hassas değildir, bu nedenle bir ilave yükselticinin konulması gerekir. Bu osiloskopun üst sınır frekansı 200 kHz civarındadır, bu haliyle bile kullanılabileceğini söyleyebiliriz. 200 MHz kadar çözünürlük sağlayan alternatif bir osiloskobun fiyatı 2 ila 3 bin Avro civarındadır. (Eğer elinizde bir osiloskop varsa bunu kullanabilirsiniz.)

Radar işaret işlemcisi, bu Raspberry Pi bilgisayar kartı olacaktır. Eğer ayar gerilimi, bilgisayarın işletim sistemi için gerekli gücün büyük bir kısmını zaten tüketiyorsa, bu: enerjinin burada yankı işaretlerinin değerlendirilmesi ve ekranda görüntülenmesi için harcandığı anlamına gelir. (Eğer mevcut bilgisayar kartı bu enerji tüketimini karşılayamıyorsa, ikinci bir Raspberry Pi almaya değer.)

Anten

Anten, Resim.1 de görüldüğü gibi en çok harcama yapılan elemandır. Eğer Resim.1 de görüldüğü gibi sadece bir anten kullanılacaksa, o zaman bir ferrit sirkülatör de gerekir. Bunlar internet piyasasında 200 ila 600 Avro arasında temin edilebilir. Bu tür manyetik elemanların uçak kargosu ile gelebilmesi için özel ambalaj gerekir, bu da nakliye masraflarını arttırır. Niteliksel fark, gönderim- ve alım hattı arasındaki 16 ila 23 dB arasında değişebilen yalıtım değerinde yatmaktadır. İki ayrı eş değer anten için yapılan harcama ise toplam harcamanın sadece küçük bir kısmıdır. Burada söz konusu olan bant WLAN-bandı olduğundan, satın aldığınız ya da tarafınızca yapılmış rasgele iki kablosuz anten de kullanılabilir.

Antenler parabolik yansıtıcıya monte edilecekse (burada görüldüğü gibi) iki ayrı parabolik yansıtıcı kullanmak gerekir, yok eğer sadece bir parabolik yansıtıcı kullanılacaksa, ana ışıyıcının yansıtıcının tam odak noktasına monte edilerek ferrit sirkülatöre bağlanması gerekir. Bir adet boynuz ışıyıcı kullanılacaksa, parabolik yansıtıcının önündeki ferrit sirkülatörün kalitesinin mutlaka çok iyi olması gerekir. Her iki parça da nispeten pahalıdır. Ancak ihtiyaç durumunda iki boynuz ışıyıcıyı kendiniz de yapabilirsiniz.

Resim 3: Ferrit sirkülatörü olmayan, ancak iki adet antenin yer aldığı gönderici tipinin blok şeması

Resim 3: Ferrit sirkülatörü olmayan, ancak iki adet antenin yer aldığı gönderici tipinin blok şeması

Gönderici

Göndericinin beyni, bu işler için ayrılmış olan frekans bandı boyunca çalışabilen bir Gerilim Kontrollü Osilatördür (Voltage Controlled Oscillator, VCO). Gerekli şebeke gerilimini bu bölgeye sınırlayabilmek için buradaki ayar ve çalışma geriliminin 5 Volt aralığında olmasına dikkat etmek gerekir. Mini-Circuits internet mağazasından bu tür bir parça yaklaşık 45 € gibi uygun bir fiyatla temin edilebilir: ZX95-2490+. Ancak dikkat! Bu osilatör şebeke gerilimine bir seri yük olmadan bağlanmamalıdır, aksi takdirde tamiri mümkün olmayacak şekilde hasarlanacaktır.

Resim.1 de, Resim.2 deki blok şemasından çok az farklı bir deneme çalışması yer almaktadır. YF- yükseltecinin buradaki kazancı oldukça yüksektir. Bu yüzden Değişken Frekans Osilatör (Voltage Controlled Oscillator, VCO) çıkışına aynı zamanda koruyucu görevi de yapan -9 dB lik bir zayıflatıcı eleman konulmalıdır. Tüm zayıflatmalar ve yükseltmeler sonucunda karıştırıcı katının girişinde yaklaşık 7 dBm seviyesinde bir işaret bulunmalıdır. (Konektörlerdeki zayıflamayı unutmayınız!)

Resim.3 te yeşil arka planda bulunan elemanlar ayrı bir baskılı devre kartında toplanmalıdır. Bu, en basitinden, bir Raspberry Pi bilgisayar kartının genel amaçlı sayısal giriş-çıkışlarını (General-Purpose Input/Output, GPIO) kullanan R/2R-devreli bir pasif Sayısal/Analog Dönüştürücüdür. Sayısal/Analog Dönüştürücü bir pasif eleman olduğundan hızı Raspberry Pi kartına bağlıdır. Şimdilik bir eşzamanlı saat darbesi gerekli değildir. Bir testere dişi darbe için Raspberry Pi kartı bu çıkışları yukarıya doğru ikili saymalıdır. Keza, bir üçgen darbe de sorunsuz çalışabilir. Yalnızca 8 bit mi yoksa 12 bit mi kullanılması, testere dişi darbenin daha ziyade bir merdiven basamağının gerilimini etkiler. Mevcut frekans bölgesi ya 256 ya da 4096 adımdan oluşur. 250 MHz de bu adımlar 1 MHz ya da 62 KHz olmalıdır. Eğer testere dişi darbe yaklaşık 1 ms uzunluğunda ise Raspberry Pi bilgisayar kartı yaklaşık 4 MHz de saymalıdır.

Takip eden İşlemsel Yükseltici (Resim. 3 de OPV) halâ mantık seviyesi ile sınırlanmış olan gerilimden Gerilim Kontrollü Osilatörün (VCO) tüm ayar aralığının kullanılmasını sağlayan bir ayar gerilimi üretir. Bu işlemsel yükseltici olmadan da çalışmak mümkündür, ancak sunulan frekans bölgesinin büyük bir kısmı kaybedilecektir.

Gayet tabii ki, bir basit analog testere dişi darbe üreteci de bu işi görürdü. Ancak şöyle bir sakınca bulunmaktadır: Radar gerçekten sadece bu testere dişini kullanabilirdi ve sonradan, örneğin, faz modülasyonlu bir darbe radarına dönüştürülemezdi.

Alıcı

Alıcı pratikte şimdilik sadece bir küçük USB-osiloskoptan ibarettir. Seçilen model oldukça basit tutulmuştur ve 200 KHz e kadar analog frekansları işleyebilir. Bu model gerçekte çok küçüktür. Bu model sadece geçici işlevsel testler için uygundur, ancak sonradan daha güçlü bir modelle değiştirilmelidir. Fakat bu model daha yüksek bir sınır frekansına ihtiyaç duymaması nedeniyle ön yükselteçlerin boyutlandırılmasını kolaylaştırır. (Göndericide bahsedilen Sayısal/Analog Dönüştürücü yapılması sırasında kullanılan bu USB-osiloskop, kendi işlevleri için de kullanabilir.)

Bir testere dişinde, 1 ms içindeki 250 MHz lik bir frekans kayması 200 kHz e karşılık gelir ve bu, 0,8 µs lik bir gecikme demektir. Bu, 0,8·150 m = 120 m lik bir menzil demektir. Bu menzile, bu gönderici tasarımıyla enerjik olarak ulaşılamaz. Bu radar yalnızca bir sınıf gibi küçük bir hacimdeki menzil bölgesinde çalışacaksa, daha sonra sayma frekansı iki ya da hatta dört katına çıkartılabilinir. O zaman 4096 adet sayma adımlarına, 30 ya da 60 m lik bir (geçici) menzil kısıtlaması ile 250 ya da 500 µs de ulaşmak mümkün olur.

Resim.1 deki devre, bir modülasyon gerilimi olmaksızın, Sürekli Dalga-radarı gibi çalışır. Şimdilik sadece Doppler frekanslarını tanır ve hiç bir menzil ölçümü yapamaz. Bu frekans bölgesinde beklenen Doppler frekansları hesaplanabilir ve bu frekans bölgesindeki 320 Hz lik bir frekans yaklaşık 30 km/saatlik bir hıza denk düşer.

Eğer seçilmiş USB-osiloskop modülü görüntüyü bir izge çözümleyici (spectrum analyzer) gibi hesaplayamazsa o zaman böyle bir yankı işaretini tanımak zor olur. Ekranda görüntü olarak tümüyle eşzamanlı olmayan sinüs frekansları dolaşacaktır. Bunlar bir şebeke uğultusunu andırır ve çoğu kez bununla karıştırmak mümkündür. Eğer antenin önünde bir metal nesne gezdirilirse, bu, görünürdeki uğultunun genliğini ve frekansını değiştirir. Sevinebiliriz, çünkü: bu yaptığımız radarın çalıştığı anlamına gelir.

Eğer USB-Osiloskop modülünün bir izge çözümleme özelliği de varsa, o zaman yankı işaretinin ölçülen frekansı (Doppler frekansı) yansıtıcı nesnenin hızının göreceli bir ölçütüdür.

Maliyet hesapları

Aşağıdaki liste şimdiye kadar kullanılan parçalar hakkında bir fikir vermek için hazırlanmış olup malzeme maliyeti tam değildir:

(Bu listeye sistemin çalışabilmesi için gerekli olan bir güçlü bilgisayara çoğu kişinin sahip olduğu düşünülerek katılmamıştır.)