Radar Temelleri

Köşe Yansıtıcılar

Resim 1. Boş bir küpün kesilmesiyle oluşturulan üçgen tip köşe yansıtıcı

Resim 2. Birbirine dik açı ile yerleştirilmiş iki yüzeydeki yansıma

Resim 2. Birbirine dik açı ile yerleştirilmiş iki yüzeydeki yansıma

Köşe yansıtıcılar, özellikle, çok küçük Etken Yansıtırlık Yüzeyine sahip nesnelerden kuvvetli bir radar yansıması elde etmek için kullanılır. Bir köşe yansıtıcı birbirlerine 90° lik açı ile yerleştirilmiş, elektriksel iletkenliğe sahip iki veya üç adet yüzeyden meydana gelir. Gelen elektromanyetik dalgalar art arda bir kaç yansımaya uğrayarak geldikleri yöne yansıtılır. Böylece küçük bir yansıtma yüzeyine sahip bir nesneden çok kuvvetli bir yansıma elde edilir.

Köşe yansıtıcılarda kullanılan yüzeylerin boyutları gelen işaretin dalga boyuna göre daha büyük olmalıdır. Köşe yansıtıcı ne kadar büyük olursa, yansıtılan enerji de o kadar artar. Köşe yansıtıcılar küçük deniz botlarında yer yüzeyi kıvrımının sebep olduğu menzil kaybını azaltmak için teknenin direğinde mümkün olan en yüksek yere monte edilir. Direk tepesindeki kuvvetli rüzgâr yüklerine dayanabilmesi için konik- veya silindirik kılıflanmış yansıtıcılar tercih edilir.

Üç boyutlu uzaya ışınların geri yansıtılması gerekiyorsa kullanılan köşe yansıtıcılar, yansıtma özelliğine sahip üç adet plakadan yapılır. Bunlara üç köşeli yansıtıcılar (trihedral corner reflectors) denilir. Böylece ışının geldiği esas yöne yansıtılması öncesinde üç adet yansıma meydana gelir. Matematik hesaplamalar için, formül yalnızca iki defa iki yansıtıcı yüzeye uygulanır. (Formülün ilk aşamasında elde edilen sonuç, formülün ikinci aşamasında her iki giriş değerinden biri olarak kullanılır.)

Köşe yansıtıcıların hesabı

Resim 3: Görülebilir etken yüzeyin radar ışınının yayın açısına bağımlılığı

Resim 3: Etken yansıma yüzeyi için referans: görünümde yüzeyi 1 m² alana sahip (izdüşümü düşen) bir daire sağlayan bir metalik küre.

Bir yüzeye ait parametreler, bir yönbağımsız küresel ışıyıcıya ait değerler referans alınarak belirtilir. Burada, küresel bir ideal iletken referans yansıtıcısı olarak kabul edilir, izdüşüm yönüne dik bir düzlemde (yani, bu düzlemdeki gölgesi) bir metrekarelik bir alana sahiptir. Bu dairesel biçimli alanın çapı yaklaşık 1,33 m dir. Bununla birlikte, bu referans yansıtıcının sadece çok küçük bir yüzeyi bir etken yansıtıcıdır: tam ortada, radar aygıtı yönünde gelen enerjiyi yansıtan sadece birkaç santimetre vardır. Diğer tüm yüzeyler gelen enerjiyi boşluğa eşit olarak dağıtır. Bu, yalnızca birkaç santimetre geometrik genişliğe sahip küçük, kullanışlı bir köşe yansıtıcının birkaç metrekarelik etkili bir yansıtma yüzeyine sahip olabileceği anlamına gelir. Burada basitçe bu sayının, örneğin 12 m2 lik bu küçük açılı yansıtıcının, bir belirli tınlaşım frekansında, aynı etken yansıma yüzeyine sahip izdüşümü bir metrekare olan, 12 adet bu tür kürenin yaptığı görevin aynısını yaptığı bilinmelidir!

Böyle bir küre, yön bağımsız olduğu için bir bistatik radarla bile bir yankı işareti üretecektir. Bir köşe yansıtıcı bunu yapamaz. Köşe yansıtıcı, bir kürede neredeyse her yöne saçılan enerjiyi sadece tam olarak aydınlandığı yönde yoğunlaştırır. Bu köşe yansıtıcı geometrik boyutlarını çok aşan belirli yönlerde köşe yansıtıcılar için etkili yansıma yüzeyleri meydana getirirler.

Hesaplamalarda aşağıdaki üç konuya dikkat etmek gerekir. Etken geri yansıtma yüzeyi şunlara bağlıdır:

• Frekansa bağımlı hesaplanan görülebilir yüzey,
• Radar ışınının geliş açısı ve
• Belirli frekanslardaki olası tınlaşımlar.

Görülebilir Yüzey

Eğer (şimdilik), köşe yansıtıcının kenar uzunluklarının dalga boyundan hayli büyük olduğu noktasından hareket edersek, etken yüzey geometrik optik kanunlarına göre hesaplanabilir. Hesaplama, radar ışımasına dik yönde bulunan bir yüzeye köşe yansıtıcının düşen izdüşümünden faydalanılarak yapılır. Resim 4 de görülen bu izdüşümün uzunluğu AB dir. Bu durumu bir köşe yansıtıcının, radar ışıma yönüne dik bir yüzeye yaptığı (radar-) gölgesi gibi düşünebiliriz. Gelen ışınlar simetri düzlemine paralel ise, sadece matematiksel olarak var olan bu eşdeğer yüzey en büyük değere sahip olur, keza ışınlar örneğin, tam 45° lik bir açı ile gelirse köşe yansıtıcının tüm yüzeylerine isabet ederler.

Işınlar köşe yansıtıcının parçalarından birine dik olarak isabet ederse olağandışı bir durum meydana gelir. O zaman tüm yüzeylerle bu yapı sanki bir düz ayna gibi çalışır. Bu nedenle aşağıdaki formülün türetilmesinde ışınların simetri düzleminden („Boresight“) ancak 45° den daha az bir açıyla saparak geldiği öngörülmüştür.

Bu durumda „gölgenin“ uzunluğu, köşe yansıtıcının oluşturduğu ikizkenar üçgenin yan kenarlarını hipotenüs kabul eden üçgenin bir kenarıdır. O zaman yüzey:

Etken Yansıtırlık Yüzeyleri sayfasında yer alan çizelgedeki formüllerden faydalanarak bir düz yüzeyin Etken Yansıtırlık Yüzeyini hesaplayabiliriz. Bu, dikdörtgen bir plakayı küresel bir yüzeyin bir bölümü olarak gören boşluk zayıflatmasının hesaplanmasından türetilir:

Bu formül genellikle, köşe yansıtıcının etken alanı biliniyorsa Etken Yansıtırlık Yüzeyi hesabında kullanılabilir (örneğe bakınız). Bu formülün aşağıdaki türevleri sadece, kenar uzunlukları gibi ölçülebilir gerçek yüzey ve uzunlukları olan, paralel izdüşümle ortaya çıkmış A_proj yüzeylerinin yer değiştirmek üzere genişletilmiş bir şeklidir. Formül (1) i, Formül (2) ye katarak aşağıdaki formülü elde ederiz:

Bu formül, iki yüzeye sahip köşe yansıtıcılar ve bunlar bir radar tarafından ana yönde („Boresight“) ışıtılıyorsa geçerlidir. Formülde dalga boyu verileri burada henüz tınlaşımla ilgili değildir, formülün türetilmesine daha ziyade boşluk zayıflatmasına bir sanal anten kazancı (daha açık bir ifadeyle: alıcı antenin açıklığı) dâhil edilmiştir. Denizciler, çoğu deniz yöngüdüm radar sistemi 10 GHz civarında çalıştığı için dalga boyu için 3 cm gibi bir değeri kullanabilirler.

Resim 5: İzdüşüm yüzeyi AC uzunluğunun bir yan uzunluğu boyunca küçülür

Resim 5: İzdüşüm yüzeyi AC uzunluğunun bir yan uzunluğu boyunca küçülür

Geliş açısı

Bu plakaya 45° lik açıdan farklı bir açıyla saparak gelen ışınların bıraktığı „gölge“ köşe yansıtıcının her bir yüzü için artık aynı değildir. Fakat şimdi köşe yansıtıcıların daha küçük izdüşüme sahip olan yüzeyleri daha etkili olmaktadır. Köşe yansıtıcının ikinci yüzeyinin kendisi çok daha büyük bir „gölgeye“ sahip olmasına rağmen, bu yüzey sadece doğrudan gelen enerjiyi değil, aynı zamanda daha küçük izdüşüm yüzeyine sahip birinci yüzeyden yansıyan enerjiyi yeniden yansıtabilir. BC tarafında kalan yüzeye isabet eden enerji sadece bir kere yansımaya uğrar ve böylece farklı bir açıyla yansıtılır. Yani bu yansıma radar aygıtının alıcısına ulaşmayan bir yönde olacak ve bu nedenle monostatik radar tarafından kullanılamayacaktır. Bu nedenle etken faydalı yüzey, ancak daha küçük yansıtırlık yüzeyi gibi sadece iki katı kadar büyüklüktedir. 0° < Θ < 90° açıları için etken izdüşüm boyutları:

Resim 6: Aynı açıklıklar nedeniyle aynı faz açısı meydana geliyor:
a+b+c = a'+b'+c'

Resim 6: Aynı açıklıklar nedeniyle aynı faz açısı meydana geliyor:
a+b+c = a'+b'+c'

Tınlaşımın etkisi

Metalik yüzeylerin elektromanyetik dalgalar için bir ayna gibi çalıştığını düşünmek aslında olaya basit tarafından bakmaktır. Aslında metalik yüzey enerjiyi alır, enerji burada kendiliğinden salınır (self oscillates) ve yeniden yayınlanır. Yansıtma yönünü, eğik açıyla gelen yayınların farklı zamanlarda yüzeyde isabet ettikleri her bir noktada meydana gelen salınımlar arasındaki faz farkları belirler. Bir basit metalik yüzeyde bu alan tarafından indüklenen akımlar, ikincil ışıma (secondary radiation) enerjisinin birçok yan topuza (side lobe) dağılması nedeniyle alıcıda son derece zayıf bir işaret üretir. Bu her iki metal plaka birbirine 90° lik bir açı ile yerleştirilmişse, ancak o zaman akımlar sadece ışımanın geliş yönünde eş fazlı yoğun bir ikincil ışıma alanı yaratabilir.

Bir radar yansıtıcı malzeme folyelerinde (chaff) olduğu gibi, şimdi yansıtıcı yüzey büyüklükleri bu dalga boyunda tınlaşıma girebilirler. Yansıtıcı yüzeylerin polarizasyon yönünde en azından yarım dalga boyluk bir kısmı bulunmalıdır. Fakat! En azından iki yansıtıcı yüzeyi olmalı, keza köşe yansıtıcının en küçük tınlaşım uzunluğu bir tam dalga boyu kadar olmalıdır.

Tınlaşım nedeniyle, lamda açısı cinsinden köşe yansıtıcılarının genişlikler tahmin edilen geometrik boyutlarından bir ila dört katı daha büyük Etken Yansıtırlık Yüzeyleri ölçülebilir. Yansıtıcı harmoniklerle de uyartılabilir. Tınlaşımdaki kazanç her bir üst harmonik artışında yarıya düşer. Onuncu dalga boyundan sonra bu etki gözlemlenmez. Bununla beraber, tınlaşım davranışının bir negatif etkisi de vardır: Yarım dalga boyunun tek tamsayılı katlarında (1,5λ, 2,5λ …) etken yansıtırlık alanlarının aynı oranda azaldığı gözlemlenir.

Üç köşeli yansıtıcılar

Resim 7: Üç kare yüzeyden oluşan köşe yansıtıcısı

Resim 7: Üç kare yüzeyden oluşan köşe yansıtıcısı

İki yüzeye sahip köşe yansıtıcılarda (dihedral corner reflectors) gelen ışınların normalden kenara yönünde de, yani normal eksenden açılarak gelmesi durumunda, mevcut yüzeyler radar yönüne geri yansıtma yapamaz. Bunlara geometride üç yüzeyli köşe yansıtıcılar (trihedral corner reflectors) denilir.

Kare plakalardan oluşan üçgen köşe yansıtıcı

Bu köşe yansıtıcılar üç adet kare plakanın birbirlerine 90° açı olacak şekilde puntalanmaları ile yapılmıştır. Şimdi izdüşüm yüzey sayısı üç olup, hesaplama yine Formül (1) kullanılarak yapılır. Yalnız burada formül her bir yüzey için iki defa kullanılmalıdır, bu sebeple sonuç üç kat fazla olacaktır.

Keza bu formül yalnızca köşe yansıtıcı üç yüzeyli ise ve eğer bu köşe yansıtıcı bir radar tarafından simetri ekseni („Boresight“) yönünde aydınlatılıyorsa geçerlidir. Bu durumda en büyük bir geri yansıtma değeri elde edilebilir. Fakat uygulamada çoğu durumda elde edilen etken yansıtırlık yüzeyleri biraz daha az olur. Burada verilen özel durum çok seyrek söz konusudur.

Resim 8: Üç üçgen yüzeyden meydana gelen köşe yansıtıcısı

Resim 8: Üç üçgen yüzeyden meydana gelen köşe yansıtıcısı

Üç köşeli, üçgen açılı köşe yansıtıcı (üçgen plakalardan yapılmıştır)

Üç adet kare plakadan meydana köşe yansıtıcı mekanik olarak kararlı değildir. Çoğunlukla (Resim 1 ve 8 de görüldüğü gibi) bu parçalar eşkenar üçgen biçimine dönüştürülür. Bunun bir sonucu olarak etken yansıtırlık yüzeyi hayli azalır. Bu nedenle üçgen plakalardan oluşan köşe yansıtıcıların açıklık açısı daha büyük olur. Bu üçgen köşe yansıtıcının etken yansıtma yüzeyi aşağıdaki formülle hesaplanır:

Bu tür köşe yansıtıcının, yansıtılan enerjinin anten çizgesinde -3 dB sınırlarına düşmeden önceki bölge olan, en büyük yansımanın gerçekleştiği sınırlar arasında kalan açıklık açısı yaklaşık 40° dir. Ana eksen, yani simetri ekseninde kayıp 0 dB dir, diğer tüm açılarda kayıplar meydana gelir. Bu nedenle sekiz adede kadar bu tür köşe yansıtıcı bir küp içerisinde bir araya getirilir. Artık her yönde en az bir köşe yansıtıcı çalışacaktır.

Tüm yönlerde eşit kuvvetle yansıtma yapan bir köşe yansıtıcı aslında 12 adet ikizkenar üçgenden meydana gelir. Bu köşe yansıtıcıyı uygulamada, yani 12 adet ikizkenar üçgen parça kullanmadan 7 parça ile şöyle yapabiliriz; kalınlıklarını ihmal ettiğimiz üç adet kare şeklinde plakamız olsun; ilkine dokunmayalım, ikincisini bir köşegeninden keserek ikiye bölelim, üçüncü plakayı ise bu sefer iki köşegeninden keserek dörde bölelim. Köşe yansıtıcıyı, elimizdeki bu yedi adet parçayı simetrik olarak kaynakla birleştirerek yapabiliriz. (merkezde ve kenarda puntalamak yeterli, ancak gönyesinde olması çok önemli!) Kenar uzunluğu 0,5 m olan kare şeklindeki tabakalardan yapılan bu özel imalat köşe yansıtıcı, I/J bandında bu köşe yansıtıcıya sahip olmayan küçük bir teknenin yansıtırlık yüzeyinin beş yüz katı bir yansıtırlık yüzeyi yaratır. Nehir ve göl deniz trafiğinde bulunan böyle deniz vasıtalarının işaretleri radarda hiç de göz ardı edilemez!