http___radartutorial.de_06.antennas_Faz_20Dizi_20Antenler.tr.html_1.xml
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 8.2 8.3 9.1 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 11.1 11.2 12.1 12.2 12.3 12.4 13.1 14.1 15.1 15.2 15.3 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 37.2 37.3 38.1 39.1 40.1 41.1 42.1 43.1 44.1 45.1 46.1 46.2 47.1 48.1 49.1 50.1 51.1 52.1 53.1 53.2 53.3 54.1 54.2 54.3 54.4 55.1 55.2 55.3 55.4 55.5 56.1 56.2 57.1 58.1 59.1 60.1 60.2 60.3 61.1 63.1 65.1 66.1 67.1 68.1 70.1 70.2 71.1 71.2 71.3
Phased Array Antenna Figure 1: left two antenna elements fed in phase, right two antenna elements fed out of phase Figure 1: left two antenna elements fed in phase, right two antenna elements fed out of phase (the enlargement link leads to an interactive graphic). What is a phased array antenna? Phased Array Antenna A phased array antenna is an array antenna whose single radiators can be fed with different phase shifts. As a result, the common antenna pattern can be steered electronically. The electronic steering is much more flexible and requires less maintenance than the mechanical steering of the antenna. Functional principle The principle of this antenna is based on the effect of interference, i.e. a phase-dependent superposition of two or (usually) several radiation sources. It can be observed that in-phase signals (same color in Figure 1) amplify each other and counter-phase signals cancel each other out. So if two radiators emit a signal in the same phase shift, a superposition is achieved - the signal is amplified in the main direction and attenuated in the secondary directions. Here in the left radiator group in Figure 1 both radiators are fed with the same phase. The signal is amplified in the main direction therefore. In the second graphic in Figure 1, the signal from the upper radiator is transmitted phase-shifted by 22° (i.e., slightly delayed) than from the lower radiator. Therefore, the main direction of the signal emitted in common is slightly steered upwards. Figure 1 shows radiators without reflectors. Therefore the back lobe of the antenna pattern is as big as the main lobe. However, the back lobe has also steered upwards. Tip: Take a look at the image in the enlarged view and pay attention to the differences in the radiation characteristics of the lower radiator when switching the phase shifter. Figure 2: Electronic swiveling of the antenna beam, left: boresight, right: steered If the signal to be transmitted is now routed through a phase-regulating module, the direction of radiation can be controlled electronically. However, this is not possible indefinitely, because the effectiveness of this antenna arrangement is greatest in a main direction perpendicular to the antenna field, while extreme tilting of the main direction increases the number and size of the unwanted side lobes, while at the same time reducing the effective antenna area. The sine theorem can be used to calculate the necessary phase shift. Any type of antenna can be used as a radiator in the phased array antenna. Significantly, the single radiators must be controlled with a variable phase shift and thus the main direction of the radiation can be changed continuously. To achieve high directivity, many radiators are used in the antenna field. The antenna of the RRP-117, for example, consists of 1584 radiators whose received signal is still combined in an analog way to the antenna pattern. More modern multi-function radar sets, on the other hand, use the digital beamforming during the reception. Advantages and Disadvantages Advantages: - high antenna gain with large side-lobe attenuation - very fast change of beam direction (in range of microseconds) - high beam agility - arbitrary space scanning - freely selectable dwell time - multi-function operation by simultaneous generation of multiple beams - failure of some components does not result in a complete system failure. Disadvantages: - limited scanning range (up to max. 120° in azimuth and elevation)[1] - Deformation of the antenna pattern during beam steering - low frequency agility - very complex structure (computer, phase shifter, data bus to each radiator) - high costs (still) - Note: The limitation of the scanning range can be overcome with a three-dimensional radiator distribution. This arrangement of the radiators got the name crow's nest antenna. Possible Arrangements Figure 3: Linear array of a phased array antenna Linear Array These phased array antennas consist of lines, which are commonly controlled by a single phase shifter. (Only one phase shifter is needed per group of radiators in this line.) A number of linear arrays arranged vertically on top of each other form a flat antenna. - Advantage: simple arrangement; - Disadvantage: beam steering only in a single plane; - Examples given: - PAR-80 (horizontal beam-deflection) and - FPS-117 (vertical beam-deflection) - Large Vertical Aperture (LVA), an SSR- antenna with fixed beam pattern. Figure 4: planar array of a phased array antenna Planar Array These phased array antennas consist completely of single elements with a phase shifter per element. The elements are arranged like a matrix, the flat arrangement of all elements forms the entire antenna. - Advantage: Strahlschwenkung in zwei Ebenen möglich - Disadvantage: a large number of phase shifters - Examples given: AN-FPS-85 and Thomson Master-A Figure 5: Frequency Scanning Array Figure 5: Frequency Scanning Array Frequency Scanning Array The frequency scanning array is a special case of the phased array antenna, in which the beam steering is controlled by the transmitter's frequency without use of any phase shifter. The beam steering is a simple function of the frequency. This type of phased array antenna was often used in older radar sets. A vertical antenna array is fed serially. At the main frequency F1, all radiators get a part of the power of the same phase through structurally identical detours, which cause a phase shift of n · 360°. All radiators therefore radiate with the same phase. The resulting beam is thus perpendicular to the antenna's plane. If the transmitter's frequency is increased by a few percents, however, the constructively defined length of the detour lines is no longer correct. At a higher frequency, the wavelength decreases and the detour line is now a bit too long. There appears a phase shift from one radiator to the next radiator. The first radiator radiates this few percent earlier than the next neighboring radiator, etc. The resulting beam for the F2 frequency is thus steered upwards by the angle Θs. Although this type of beam steering is very simple, it is limited to a few permanently installed frequencies. In addition to the susceptibility to interference, there are even more limitations to be accepted, e.g. this radar set cannot use pulse compression because its bandwidth is too low. Calculation of the phase shift How large must be the phase shift x = Aφ from one radiator to the next radiator to achieve a desired deflection angle? A linear arrangement of isotropic single radiators is considered. Between the radiators, between the respective beam of the deflection angle with the applied phase shift, a right-angled triangle can be drawn, whose shorter side lies on the beam. The hypotenuse is the distance between two radiators. The third side is an auxiliary line perpendicular to the beam direction of the previous radiator. Figure 6: graphic derivation of the formula This distance x can be set in relation to the wavelength: - Aφ = phase shift between two successive elements - d = distance between the radiating elements - Θs = beam steering Both equations together are the solution: With serial feeding, part of this phase shift is already realized by the delay time in the feed line. In practice, an individually calibrated table with the phase shift data for each desired angle exists in the computer for the antenna control (extra for each transmission frequency). By the way, Figure 6 also shows the reason why a phased array antenna focuses worse at larger angles. The auxiliary line perpendicular to the adjacent radiator is always smaller than the radiator distance d at an angle that differs from the main beam direction. If the distance “seen” from the deflected beam direction is smaller than the optimum distance d, the antenna quality must deteriorate, which results in a wider antenna pattern.
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 38.1 39.1
Faz Dizi Antenler Resim 1: Solda aynı fazda beslenen iki anten elemanı, sağda ise farklı fazlarda beslenen iki anten elemanı görülüyor Resim 1: Solda aynı fazda beslenen iki anten elemanı, sağda ise farklı fazlarda beslenen iki anten elemanı görülüyor Faz dizi antenler, her bir ışıma elemanı farklı faz açılarıyla beslenebilen bir anten grubudur. Böylece elektronik olarak kumanda edilebilen bir anten ışıma çizgesi meydana gelir. Bu antenlerde ki önemli ilke girişimdir (interference); yani iki (veya çoğu kez daha fazla) sinyalin fazına bağlı olarak birbiriyle girişmesidir. 1.nolu resimde aynı renge sahip, yani aynı fazdaki sinyallerin birbirine eklenerek kuvvetlendiğine ve farklı renkteki, yani zıt faza sahip sinyallerin ise birbirini yok ettiğine dikkat ediniz. İki beslemeden (horn feeder) eşzamanlı iki darbe gönderildiğinde bir girişim meydana gelir; sinyal ana yönde kuvvetlenirken, yan yönlerde zayıflar. Burada her iki besleyiciden yayınlanan sinyaller aynı fazdan beslenmektedir. Sinyal bu durumda ana yönde kuvvetlenir. Resmin sağında yer alan ikinci grafikte ise beslemeden çıkan sinyal, üstteki beslemeye göre yaklaşık 22° farklı fazda (yani daha erken) gönderilmektedir. Bu nedenle toplam ışıma sinyalinin ana yönü yukarıya doğru kaymış bulunuyor. (Grafikte ki besleme boynuzlarında yansıtıcı kullanılmamıştır. Bu nedenle anten ışıma çizgesindeki (anten radiation diagram) topuz (lobe), ana topuzla aynı büyüklükte görülmektedir.) Resim 2: Anten ışımasının elektronik olarak saptırılması, Sol taraf: Işıma anten cephesi yönünde, Sağ taraf: Saptırılmış ışıma Işıma sinyalleri bir faz kaydırma devresi ile kumanda edildiğinden, yayılma yönlerinin de elektronik olarak kontrol edilmesi mümkün olur. Bu anten düzeninin verimi, anten düzlemine dik olan, ana yayılma yönünde en büyük olması nedeniyle sınırsız değildir. Bir faz dizi antenin görüş alanının (FOV, Field of View) en büyük değeri 120° dir (60° sola ve 60° sağa). Diğer taraftan, ana yöndeki aşırı salınımlarla istenmeyen yan lobların sayısı ve kuvveti artarken, eşzamanlı olarak etken anten yüzeyi de küçülür. Sinüs bağıntısı ile gerekli faz açısı kayma miktarı hesaplanabilir. Ana demet daima faz kayma artışının olduğu yöne doğru kayar. Bir anten alanında herhangi bir anten yapısı ışıma elemanı olarak kullanılabilir. Bir faz dizi antenin en öne çıkan özelliği; her bir yayın elemanı için faz kayma miktarının ayarlanabilmesi ve bunun sonucu olarak ışıma ana yönünün değiştirilebilmesidir. Hem yatay ve hem de düşey düzlemde ışıma demeti elde edebilmek için bir anten düzleminde çok sayıda ışıma elemanı kullanmak gerekir. Örneğin, RRP-117 radar anteninde bu ışıma elemanlarından 1548 adet bulunmaktadır. Düzenleme biçimleri Resim 3: Doğrusal dizi Doğrusal Diziler Faz Dizi Antenler, ortak bir faz-kaydırıcı tarafından kumanda edilen ışıma elemanları satırlarından meydana gelmektedir. (Her bir satır için bir faz kaydırıcı devre gerekir.) Çok sayıda, birbiri üzerine düşey istikamette konulmuş doğrusal antenler bir anten düzlemi teşkil ederler. - Üstünlüğü: Basit yerleşim - Kusuru: Taramanın yalnızca bir düzlemde olabilmesi - Örnek: - PAR-80 (yatay tarama) ve - RRP-117 (düşey tarama) - Büyük Dikey Açıklıklı anten (LVA: Large Vertical Aperture) (sabit demet biçimi) Bu tür antenler çoğunlukla yalnızca bir düzlemde tarama yapılması gereken yerlerde kullanılırlar; çünkü RRP-117 radarı örneğinde olduğu gibi anten zaten yatayda dönmektedir. Resim 4: Düzlemsel dizi Düzlemsel Diziler Bu faz dizi antenler, her birisi kendisine ait faz kaydırıcısına sahip tekli elemanlardan oluşur. (Her bir ışıma elemanı için bir faz kaydırıcı devre gerekir.) Elemanlar bir matriste dizildiği gibi dizilmiş olup, elemanların düzlemsel yerleşimi toplam anteni meydana getirir. - Üstünlüğü: Tarama iki düzlemde yapılabilir. - Kusuru: Karışık düzenleme ve faz açısı ile kumandası için çok sayıda faz-kaydırıcı devre ihtiyacı - Örnek: AN-FPS-85 ve Thomson Master-A Resim 5: Frekans taramalı dizi Resim 5: Frekans taramalı dizi Frekansa bağımlı demet kumandası Frekansa bağımlı demet kumandası (yani saptırılması); kumandanın hiç bir faz kaydırıcı devre kullanılmaksızın, besleme elemanının gönderim frekansı ile kumanda edildiği faz dizi antenlerin bir özel durumudur. Demetlerin saptırılması frekansın bir fonksiyonudur. Bu tür faz dizi antenler daha ziyade eski radarlarda kullanıldı. Bir düşey anten grubu seri olarak bir dalga kılavuzu üzerinden beslenir. F1 temel frekansında tüm yayın elemanları, n · 360° faz kayması meydana gelecek şekilde, yapıcı (constructive), eşit uzunlukta dolanan hatlar üzerinden aynı fazda beslenirler. Tüm ışıma elemanları eşzamanlı ve eş fazlı olarak çalışırlar. Oluşan ışıma anten düzlemine dik yöndedir. Gönderim frekansı çok az bir miktar arttırıldığında dolanan hatların belirlenmiş yapıcı uzunluğu artık geçerli olamayacaktır. Dolanan hat uzunluğu şimdi bir miktar daha uzundur. Yayın elemanından yayın elemanına bir faz kayması meydana gelir. İlk yayın elemanında ki yayın, bir sonrakine göre biraz daha az olacaktır ve benzeri şekilde devam eder. F2 frekansında oluşan ışıma diyagramı, Θs açısı kadar yine yukarı yöne kayacaktır. Bu tür demet kumandası biçimi basitçe tesis edilebilir, ancak sınırlı sayıda sabit gönderim frekanslarıyla çalışırlar. Yüksek gürültü içeriği yanında başka kısıtlamaları da vardır; örneğin, bu radarlar darbe sıkıştırma tekniğini kullanamaz. Faz kaydırma hesabı Belirli bir yayın açısını elde etmek için bir elemandan diğerine faz kaydırma miktarı x= Aφ ne olmalıdır? Burada yönbağımsız (her yönde eşit yayın yapan, İng: isotropic) bireysel elemanların doğrusal biçimini ele alacağız. Elemanlar arasında ve bir elemana gelen (ya da giden) yayın hattı arasında meydana gelen dik üçgenin kısa kenarı, ardışık iki elemana gelen yayının kat ettiği mesafeler arasındaki farktır. Çünkü bir elemana göre diğer elemana varış arasında bir zaman farkı vardır. Üçgenin hipotenüsü iki ışıma elemanı arasındaki aralık olup, üçgenin uzun kenarı bir sonraki elemandan bir önceki elemana gelen yayın hattına çizilen dik bir yardımcı çizgidir. Resim 6: Faz kaymasının oluşumu