magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

Radartechnika lid kepA radartechnika alapjait tárgyaló cikksorozatunk ezúttal a radar egyik legfontosabb tulajdonságát, a hatótávolságot befolyásoló tényezőket tekinti át.

 

 

 

 

 

 

A radar hatótávolságát számos műszaki és környezeti tényező határozza meg, amelyek közül elsőként a legtermészetesebbet kíséreljük meg elemezni. Amint azt már elmondtuk: a radar adóberendezése nagy teljesítményű elektromágneses impulzust bocsát ki a céltárgy irányába, amelyről az adó által kibocsátott PT teljesítménynek sok nagyságrenddel kisebb PR töredéke verődik vissza a vevőantennára[1]. A hatótávolság az a távolság, amelyen belül még értékelhető radarvisszhang éri a vevőantennát. Ez függ a radar és a céltárgy közötti jelterjedési feltételektől, a céltárgy reflektálási tulajdonságaitól (amit a σ radarkeresztmetszettel szokás kifejezni). Ha ismerjük a radarvevő érzékenységét, a radar hatótávolságát meghatározó egyenlettel megadhatjuk azt az elméleti maximális távolságot, amelyen belül az adott radar az adott céltárgyat érzékelni képes. A radar hatótávolság-egyenletét a továbbiakban az egyszerűség kedvéért radaregyenletnek nevezzük majd.

 

1kep


Először tételezzük fel, hogy az elektromágneses hullámok ideálisan, szóródásmentesen terjednek. Ha a nagyfrekvenciás energiát egy ún. izotróp sugárzóval sugározzuk ki, az energia egyforma mértékben terjed a tér minden irányába. Emiatt azok a felületek, amelyeket azonos R távolságból azonos teljesítménysűrűségű sugárzás ér, a sugárzót körülvevő R sugarú gömbfelületet alkotnak, amelynek felszíne A = 4πR2. A hullám terjedése közben ez az R érték az idő előrehaladtával növekszik. Ugyancsak növekszik – mégpedig a sugár négyzetével arányosan – a gömbfelület nagysága is, amelyen az adóból kilépő állandó mennyiségű energia eloszlik. A gömb felszínén mérhető teljesítménysűrűség tehát a gömbsugár négyzetével fordítottan arányos. Ebből meghatárzató az „irányítatlan teljesítménysűrűség” (Su).
egyenlet 1[W/m2], ahol PT az adóteljesítmény, R a gömbfelület (a „hullámfront”) pillanatnyi sugara.
Mivel az izotróp sugárzó minden irányban egyenlő teljesítménysűrűséget bocsát ki, célszerű a sugárzást úgy „átcsoportosítani”, hogy a teljes gömbfelületen eloszló teljesítményt annak egy részére koncentráljuk. Ezzel ugyanakkora adóteljesítménnyel meg lehet növelni a sugárzás irányában mérhető teljesítménysűrűséget. Ezt a hatást nevezzük antennanyereségnek[2]. Az irányított antennával elérhető Sg teljesítménysűrűséget az irányítatlan izotróp sugárzóval elérhető Su teljesítménysűrűség és a G nyereség felhasználásával a következőképpen számíthatjuk ki: Sg = S· G. A radarantennák azonban nem „félig-meddig” sugárzó izotróp antennák, hanem viszonylag keskeny sugárrá koncentrálják az adóteljesítményt. Ezzel az antennanyereség parabolaantennánál vagy fázisvezérelt antennarácsnál elérheti a 30…40 dB-t. 

A céltárgy detektálása azonban nemcsak az adó által a céltárgy távolságában létrehozott teljesítménysűrűségétől függ, hanem attól is, hogy a céltárgyat ért RF-teljesítménynek mekkora hányada verődik vissza a kibocsátó radarberendezés irányába. A céltárgynak ezt a tulajdonságát radarkeresztmetszetnek (σ) nevezzük. Ezt a mennyiséget is több tényező befolyásolja: mindenekelőtt a méret. Egy Airbus sokkal nagyobb radarkeresztmetszetű, mint egy azonos repülési szituációban tartózkodó sportrepülőgép. Ezenkívül a radarkeresztmetszet erősen függ a céltágy alakjától (sokan emlékezhetnek még az USA légierejének hadrendjéből nemrég kivont első „lopakodó” harci repülőgép, az F-117 Nighthawk síklapokból összeállított, szögletes, repülőgépre alig emlékeztető, bizarr formájára (1. ábra, fent), amelyet teljes egészében a kis radarkeresztmetszet[3] céljának rendeltek alá), ezenkívül a felületminőségtől és a felhasznált anyagoktól (többrétegű, radarelnyelő bevonat). A fentiek alapján kiszámítható, mekkora reflektált teljesítmény jut vissza a vételre kapcsolt radarantennához: 

egyenlet 2

ahol PR a reflektált teljesítménysűrűség a céltárgy helyén, R pedig a céltárgy távolsága. Mivel a visszavert jel ugyanolyan feltételekkel terjed vissza a

vevőantenna felé, a vétel helyén mérhető SR teljesítménysűrűséget a következőképpen lehet számítani: 

egyenlet 3

Ahhoz, hogy kiszámíthassuk, mekkora PE teljesítményt hoz ez létre a vevő bemenetén, ismerni kell az AW effektív antennaapertúra értékét, amelyet az A antennafelület[4] és egy a veszteségekre jellemző, hatásfok típusú Ka mennyiség határoz meg a következőképpen: AW = A · Ka. Ennek felhasználásával a vevő bemenetén mérhető PE  teljesítmény PE = SR · AW.
Az eddigiek felhasználásával, a levezetés további részleteit mellőzve 

 egyenlet 4

Használjuk fel a G antennanyereség – itt nem levezetett – kifejezését: 

 egyenlet 5

Ebből az A-t kifejezve és a PE fenti képletébe helyettesítve ez adódik: 

egyenlet 6

 amelyet az R távolság értékére rendezve kapjuk a klasszikus radaregyenletet: 

egyenlet 7

Ez minden mennyiséget tartalmaz, amely befolyásolja az adóból kilépő és a vevőig visszaverődő hullám teljesítményét. Mielőtt azonban gyakorlati célokra próbálnánk használni – például hogy egy radarberendezés hatásfokát meghatározzuk vele – néhány további megfontolást kell tennünk.

Egy adott radarberendezésnél több paraméter (a PT, a G és a λ) állandónak és ismertnek vehető, mivel ezek a radar tulajdonságai.
A σ radarkeresztmetszet viszont a céltárgytól függően széles tartományban változhat. Gyakorlati célból tekintsük 1 m2-nek.
Van egy minimális teljesítmény, amit a vevő még érzékelni képes (nevezzük PEmin-nek). Ennél kisebb jel nem értékelhető, mert a jel elvész a vevő zajában. Ebből kiszámítható egy maximális hatótávolság (Rmax

egyenlet 8

A radaregyenlet levezetésénél az elektromágneses hullámok ideális terjedését vettük figyelembe, azonban van néhány veszteségforrás, amit az 1. táblázatban (tovább nem részletezve) megemlítünk egy-egy tipikus értékkel együtt:

 

táblázat


Ez már elég tetemes veszteség ahhoz, hogy a hatótávolság kalkulációjánál számításba kelljen venni, de még jól tervezett és rendszeresen karbantartott berendezéseknél is eléri a 13...15 dB-t. Ezt jelképezi a radaregyenletbe bevezetett Ltot teljes veszteség. 

egyenlet 9

Pontosabb számításoknál a földfelszín hatásait is figyelembe kell venni, ennek „dúsan burjánzó” képleteitől azonban ezúttal megkíméljük az olvasót.

 

A radarantennák megvalósításai

A parabolaantenna az egyik leggyakrabban alkalmazott kialakítás a telepített radaroknál. A K1. ábrán a szerkezet fő elemei láthatók. Az elsődleges sugárzó (az antenna „táppontja” (feed), az ábrán F) az elektromágneses hullámokat visszaverő anyagú paraboloidszegmens fókuszpontjában foglal helyet, és gömbsüveg alakú hullámfrontot bocsát ki magából. Ez a reflexió pillanatában 180°-os fázisfordulást szenved, majd – ideális esetben – párhuzamos sugárnyalábbá fókuszálva lép ki a térbe. Itt jegyezzük meg, hogy technikai megfontolásokból – a súly, a mozgó részek tehetetlenségi nyomatéka és a szélnyomás korlátozása érdekében – szokás az összefüggő reflektáló felület helyett egy paraboloidfelületet „kifeszítő” keret belső oldalán egy rácsot alkalmazni. Ha a rács nyílásainak átmérője kisebb a hullámhossz 10%-ánál, az a tömör fémfelülethez hasonlóan reflektálja az elekromágneses energiát. Ez az idealizált elrendezés „ceruzavékony sugarat” (pencil beam) bocsát ki, amely a célkövető radarok optimális megoldása.

 

k1 ábra

K1. ábra


A célkereső, felderítő, légtérfigyelő radaroknál viszont ez a megoldás nem megfelelő, mivel a vékony sugár túl kicsiny valószínűséggel találja meg a váratlan irányban található céltárgyat. Emiatt fordul elő, hogy ellipszis alakú antennafelületet használnak, amely „legyező alakú” sugárformájával az egyik irányban jelentősen nagyobb látószögével kevesebb pozicionáló mozgás árán is képes a céltárgyat felfedezni. Ennek optimalizált esete az az elrendezés, amely a vízszintes síkban (azimut-irányban) „ceruzasugárnak” tekinthető, a függőleges síkban (az eleváció irányában) viszont a légi felderítő radaroknál klasszikusnak számító (itt tovább nem részletezett) „koszekáns-négyzet” alakú iránykarakterisztikával rendelkezik, amit a paraboloidfelület célszerű torzításával érnek el.
A valódi antenna-iránykarakterisztika inkább kúpszerű, amely a gyártás akaratlan szabálytalanságai, esetleg az antenna felületi szennyezése okozhat. A főnyaláb nyílásszöge – típustól függően – 1…2°-tól 10…20°-ig terjedhet. Az antenna iránykarakterisztikája az antenna tengelyébe (fő irányába) eső főnyalábon kívül oldal- vagy melléknyalábokat is tartalmaz, amelyek némelyike még az antenna fő irányával ellentétes is lehet (K2. ábra). A parabolaantenna G nyereségét a következő közelítő formulával lehet meghatározni:

egyenlet 10

ahol ΘAZ a sugár azimut irányú, a ΘEL az eleváció irányú nyílásszöge (sugárszélessége).

A K3. ábrán egy valóságos parabolaantenna szimulált iránykarakterisztikája látható.

k2 ábra

K2. ábra

 

k3 ábra

K3. ábra

Fázisvezérelt antennarács

A fázisvezérelt antennarács a jelenkor „felkapott” antennakonstrukciója. Lényegében nagyszámú, önálló betáplálási ponttal rendelkező antennából kialakított síkelrendezésről van szó, amelyekben a minden egyes elemi antennához hozzárendelt önálló meghajtó elektronika a betáplált, azonos frekvenciájú jel fázisát elektronikus vezérléssel, bizonyos határok között egyedileg képes változtatni. A K4. ábrán látható ennek egy lehetséges megvalósítása különböző hosszúságú, ezért különböző jelkésleltetési idejű, elektronikus kapcsolókkal ki-beiktatható tápvonalszakaszok megfelelő kombinációjával.

 

k4 ábra

K4. ábra


Könnyen belátható, hogy az azonos fázisú jellel vezérelt elemi antennák eredő hullámfrontja az antennasíkra merőlegesen kilépő és azzal párhuzamos felületű hullámfront (ceruzasugár). Ha azonban a fázistolásokat úgy állítjuk be, hogy azok például az antennafelület bal szélétől lineárisan növekedjenek a jobb szél felé haladva, az antenna hullámfrontja a tengelyvonaltól jobbra elforduló hullámfrontot eredményez. Az antennából kilépő sugárnyaláb, valamint vételkor az iránykarakterisztika maximális érzékenységű iránya tehát pusztán a fázistolók elektronikus vezérlésével, mechanikai mozgás nélkül is változtatható. Ennél összetettebb fázisvezérléssel az antenna iránykarakterisztikája is befolyásolható. Ez nagy előny a gyors pozicionálást igénylő felderítési feladatoknál, vagy a több célpont követésére alkalmas rendszereknék, ahol rendkívül előnyös, hogy a mechanikai tehetetlenség nem korlátozza a sugárpozicionálás gyorsaságát.
Ez az elektronikus irányíthatóság nagyon vonzó tulajdonságnak tűnik, de megvannak a maga korlátai. Először is a sugáreltérítés szöge nem lehet tetszőlegesen nagy. A legnagyobb érték nagyjából 120° (a tengelyvonalhoz képest ±60°). Ha a sugár tengelyét ΘS szöggel kívánjuk eltéríteni az antennarácsra merőleges iránytól, az antennarács egymástól d távolságra elhelyezett szomszédos elemei között Δφ = (360°d.sin ΘS ) / λ fáziskülönbséget kell létesíteni (ahol λ a hullámhossz. A levezetéstől eltekintünk).

Lehetséges elrendezések 
  • Lineáris elrendezés. Olyan kétdimenziós elrendezés, amelynek oszlopaihoz közös fázistolók tartoznak. Előnye, hogy aránylag egyszerűbb a felépítése, hátránya, hogy a sugáreltérítés csak egy síkban történhet. Ezt a megoldást olyan radarokban használják, ahol az antenna pl. egy függőleges tengely körül forog (az azimut állandó szögsebességgel változik), a függőleges irányú eltérítést a lineáris elrendezésű fázisvezérelt antennarács végzi.

  • Planár elrendezés. Az előzőhöz hasonló, síkbeli elrendezés, azzal a különbséggel, hogy az antennarács minden elemi antennájának fázisa egyedileg változtatható. Előnye: a sugár a tengelytől vízszintes és függőleges síkban is eltéríthető.

  • Frekvenciavezérelt irányítottságú antennarács. A fázisvezérelt antennarácsnak az a speciális esete, amikor az egyes elemi antennákat egyszerű késleltető tápvonaldarabok kapcsolják össze. Ha a gerjesztőjel frekvenciája változik, az – a fix késleltetések miatt – a frekvenciától függő fázistolást (és vele együtt sugáreltérítést) eredményez.

k táblázat

 

 

Készítette Tóth Ferenc
a www.radartutorial.eu weblap (szerző: Christian Wolff) fordításával és átdolgozásával, a GNU Free Documentation License és a Creative Commons „Nevezd meg – Így add tovább 4.0” licence alapján.

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

 


[1] Eddig elmulasztottunk említeni egy aránylag közismert tényt: a legtöbb radarberendezésben az adó- és a vevőantenna azonos. Az adó által generált nagy teljesítményű impulzus kibocsátása után egy elektronikus kapcsoló az antenna táppontját a vevő bemenetére kapcsolja át. Elképzelhetők a kapcsolóra vonatkozó extrém műszaki követelmények: adáskor akár MW nagyságrendű csúcsteljesítményt is kezelnie kell, míg vételkor a μW alatti nagyságrendű visszavert jelet kell alacsony zajszinten átvezetnie – és nagy áthallási csillapítást kell megvalósítania az adó kimenete és a vevő bemenete között. – A szerk. megj.

[2]Ebben az esetben a magyar „nyereség” szakkifejezés szerencsésebb – mivel egyértelműbb – az angol „antenna gain” kifejezésnél, amelyet elektronikus „észjárással” lehet „erősítésnek” is értelmezni. Itt azonban a szó „aktív” értelmében nincs szó erősítésről, a teljesítménysűrűség növekedése egyedül az antenna irányított jellegének köszönhető. – A szerk. megj.

[3]Itt említjük a „magamból indulok ki” típusú műszaki gondolkodás veszélyeinek egy általánosítható tanulságát: az F-117-est a tervezői radarral gyakorlatilag felderíthetetlennek tartották, mivel az USA-haderő korszerű, nagyfrekvenciás radarberendezéseinek képességeit vették alapul a „lopakodó” tulajdonságok megtervezésénél. Nem számoltak azonban azzal, hogy például a délszláv háborúban a szerb hadsereg még használt az 1950-es évek műszaki színvonalát képviselő, a méteres (néhányszor 10 MHz-es) tartományban működő, régen elavult radarberendezéseket. A korszerűtlenség itt előnnyé vált, mert ilyen alacsony frekvenciákon a radarhullám behatolási mélysége több m, azaz a „ravasz” reflektáló burkolatokon és bevonatokon áthatoló alacsonyfrekvenciás hullámokra a belső fémalkatrészek jelentős radarvisszhangot adtak. Sokan ennek tulajdonítják, az F-117 típus egyetlen harci bevetés közbeni veszteségét. – A szerk. megj.

[4] Pontosabban az antennának az antenna és a céltárgy közti egyenesre merőleges vetülete – A szerk. megj.