Témakör:
A radartechnika alapjai 3. rész – A radar hatótávolsága
A 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.
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).
[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 = Su · 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:
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:
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
Használjuk fel a G antennanyereség – itt nem levezetett – kifejezését:
Ebből az A-t kifejezve és a PE fenti képletébe helyettesítve ez adódik:
amelyet az R távolság értékére rendezve kapjuk a klasszikus radaregyenletet:
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)
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:
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.
Pontosabb számításoknál a földfelszín hatásait is figyelembe kell venni, ennek „dúsan burjánzó” képleteitől azonban ezúttal megkíméljük az olvasót.
A radarantennák megvalósításaiA 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
|
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.
