http___radartutorial.de_06.antennas_Faz_20Dizi_20Antenler.tr.html_2.xml
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 10.2 10.3 11.1 12.1 13.1 13.2 14.1 14.2 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 17.1 18.1 19.1 20.1 20.2 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 30.2 30.3 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 37.2 37.3 37.4 37.5 37.6 38.1 38.2 39.1 40.1 41.1 41.2 42.1 43.1 44.1 44.2 45.1 46.1 47.1 48.1 49.1 50.1 50.2 50.3 51.1
Phased Array Antenna Figure 1: left: two antenna elements, fed with the same phase, right: two antenna elements, fed with different phase shift Figure 1: left: two antenna elements, fed with the same phase, right: two antenna elements, fed with different phase shift A phased array antenna is composed of lots of radiating elements each with a phase shifter. Beams are formed by shifting the phase of the signal emitted from each radiating element, to provide constructive/destructive interference so as to steer the beams in the desired direction. In the figure 1 (left) both radiating elements are fed with the same phase. The signal is amplified by constructive interference in the main direction. The beam sharpness is improved by the destructive interference. Figure 2: electronic beam-deflection, left: Boresight, right: Deflected In the figure 1 (right), the signal is emitted by the upper radiating element with a phase shift of 22 degrees later than of the lower radiating element. Because of this the main direction of the emitted sum-signal is moved slightly upwards. (Note: Radiating elements have been used without reflector in the figure. Therefore the back lobe of the shown antenna diagrams is just as large as the main lobe.) The main beam always points in the direction of the increasing phase shift. Well, if the signal to be radiated is delivered through an electronic phase shifter giving a continuous phase shift then the beam direction will be electronically adjustable. However, this cannot be extended unlimitedly. The highest value, which can be achieved for the Field of View (FOV) of a olanar phased array antenna is 120° (60° left and 60° right). With the sine theorem the necessary phase moving can be calculated. The following figure graphically shows the matrix of radiating elements. Arbitrary antenna constructions can be used as a spotlight in an antenna field. For a phased array antenna is decisive that the single radiating elements are steered for with a regular phase moving and the main direction of the beam therefore is changed. E.g. the antenna of the RRP 117 consists of 1584 radiating elements arranged in an analogue beamforming architecture. More sophsticated radar sets use the benefits of a Digital Beamforming architecture. Possible Arrangements Linear Arrays Figure 3: linear array of a phased-array antenna These antennae consist of lines whose elements are fed about a common phase shifter. A number of vertically about each other mounted linear arrays form a flat antenna. - Advantage: simple arrangement - Disadvantage: Ray deflection only in a single plane possible - Examples given: - PAR-80 (horizontal beam-deflection) and - RRP-117 (vertical beam-deflection) - Large Vertical Aperture (LVA), an antenna with fixed beam pattern. This kind of the phased-array antenna is commonly used, if the beam-deflection is required in a single plane only because a turn of the complete antenna is anyway carried out ( RRP-117). Figure 4: planar array of a phased-array antenna Planar Arrays These antenna arrays completely consist of singles radiating elements and each of it gets an own phase shifter. The elements are ordered in a matrix array. The planar arrangement of all elements forms the complete phased-array antenna. - Advantages: Beam steering in two planes or even the digital beamforming is possible. - Disadvantage: complicated arrangement and more electronically controlled phase shifter needed - Examples given: AN-FPS-85 and Thomson Master-A Figure 5: frequency scanning array Figure 5: frequency scanning array Frequency Scanning Array Frequency scanning is a special case of the phased array antenna where the main beam steering occurs by the frequency scanning of the exciter. The beam stearing is a function of the transmitted frequency. This type of antenna is called a frequency scanning array. The normal arrangement is to feed the different radiating elements from one folded waveguide. The frequency scanning array is a special case of serial feeding type of a phased array antenna and is based on a particular property of wave propagation in waveguides. The phase difference between two radiating elements is n·360° at the normal frequency. By changing the frequency, the angle Θs between the axis of the main beam and the normal on the array antenna changes. Height information is generated using the following philosophy: - If the transmitted frequency rises then the beam travels up the face of the antenna; - If the transmitted frequency falls then the beam travels down the face of the antenna. As frequency is varied, the beam axis will change, and scanning can be accomplished in elevation. The radar set is designed so that it keeps track of the frequencies as they are transmitted and then detects and converts the returned frequencies into 3D display data. Note that frequency scanning reduces the value of using frequency change as a means of achieving other valuable effects (benefits of pulse compression). Phase-increment Calculating The phase shift Aφ between two successive elements is constant and is called phase-increment. How large is this phase shift to reach a certain value of the beam steering? A linear arrangement by isotropic radiating elements is looked at. Figure 6: grafic derivation of the formula We start with the calculation of the phase-increment. Because of the trigonometrical function we need a calculator anyway: Aφ =(360°·15 cm/10 cm)·sin(40°) = 347.1°. This means the radiating element no. 8 needs the phase shift value φ8 = 7 · 347.1 = 2429.7°. On reason of the periodicity of the sine function a phase shifting of n·360° is the same as 0°. Therefore we can as long as deduct 360° till there is a angle between 0° and 360° of the result. We get therefore for the phase shifter number 8 (left corner) a phase shift value of φ8 = 269.7°. A part of this phase shift is realized by the delay in the feeding line yet.
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 40.1 41.1 42.1 43.1 44.1 45.1 46.1 47.1 48.1 49.1 50.1 51.1 52.1 53.1 54.1 55.1 56.1 57.1 58.1 59.1 60.1 61.1 63.1 65.1 66.1 67.1 68.1 70.1
Faz Dizi Antenler Resim 1: Solda, eş fazlı beslenen iki anten ışıyıcısı, sağda ise farklı fazlarda beslenen iki anten ışıyıcısı görülüyor Resim 1: Solda, eş fazlı beslenen iki anten ışıyıcısı, sağda ise farklı fazlarda beslenen iki anten ışıyıcısı görülüyor (büyütme linki bir etkileşimli grafiği açıyor) Faz Dizi Antenler nedir? Faz Dizi Antenler Faz Dizi Antenler, her bireysel ışıyıcısının (radiator) farklı faz açılarıyla beslenebildiği bir anten grubudur. Böylece elektronik olarak kumanda edilebilen bir anten ışıma çizgesi meydana gelir. Sonuçta tüm anten çizgesi elektronik saptırılabilir. Elektronik saptırma, antenin mekanik saptırılmasına göre çok daha esnektir ve daha az bakım gerektirir. Çalışma şekli Bu antenin prensibinde önemli olan girişim (interference) etkisidir; yani, iki ya da genellikle daha fazla sayıdaki ışıma kaynağının faz açısına bağlı olarak binişmesidir (overlapping). 1 nolu resimdeki grafikte aynı renge sahip eş fazlı işaretlerin kuvvetlendiğine ve zıt fazlı işaretlerin ise birbirini yok ettiğine dikkat ediniz. İki ışıyıcıdan eşzamanlı iki darbe gönderildiğinde bir girişim meydana gelir; işaret ana yönde kuvvetlenirken, yan yönlerde zayıflar. Resimdeki grafikte solda yer alan ışıyıcı grubundaki her iki ışıyıcı da eş fazlı beslenmektedir. İşaret bu durumda ana yönde kuvvetlenir. İkinci grafikte, üstteki ışıyıcıdan yayınlanan işaret alttaki ışıyıcıya göre yaklaşık 22° lik bir faz farkıyla (yani bir miktar gecikmeli) gönderilmektedir. Bu nedenle toplam ışıyan işaretinin ana yönü hafifçe yukarıya doğru kaymış bulunuyor. Grafikte ışıyıcılar, yansıtıcı olmaksızın gösterilmiştir. Bu nedenle anten ışıma çizgesinin (antenna radiation diagram) geri topuzunun (back lobe) büyüklüğü ana topuzla aynıdır. Geri topuzun yönü de yine yukarıya doğrudur. İpucu: Resme büyütülmüş durumda bakınız ve faz kaydırıcı anahtarını çevirerek alttaki ışıyıcının ışıma karakteristiğinin değiştiğini gözlemleyiniz. Resim 2: Anten ışımasının elektronik olarak saptırılması, Sol taraf: Işıma anten cephesi yönünde, Sağ taraf: Saptırılmış ışıma Yayınlanan işaret şimdi bir faz kontrol devresinden geçirilirse, yayının yönü elektronik olarak kontrol edilebilir. Ancak bu sınırsız değildir, çünkü bu anten düzeninin verimi anten düzlemine dik ana yayın yönünde en büyük değere ulaşırken, ana yayın yönündeki bir aşırı sapma, istenmeyen yan topuzların sayısını ve büyüklüğünü arttırır ve etken anten yüzeyini azaltır. Gerekli faz kayma miktarının hesaplanmasında sinüs kuralı kullanılabilir. Bir anten alanında herhangi bir anten yapısı ışıyıcı olarak kullanılabilir. Bir Faz Dizi Antenin en öne çıkan özelliği; her bir ışıyıcının faz kayma miktarının ayarlanabilmesi ve bunun sonucu olarak ışıma demetinin ana yönünün değiştirilebilmesidir. Bir anten düzleminde hem yatay ve hem de düşey ışıma demeti elde edebilmek için çok sayıda ışıyıcı kullanılır. Örneğin, AN/FPS-117 radar anteninde, alım işaretinin antenin anten çizgesine halâ benzer biçimde bağlı olduğu bu bireysel ışıyıcılardan 1548 adet bulunmaktadır. Buna karşılık modern çok işlevli radar aygıtları alım yolunda anten çizgesinin sayısal biçimleme tekniğini kullanılır. Üstünlükleri - yan topuzlar kuvvetle bastırılırken, bir eşzamanlı daha yüksek anten kazancı - demet yönünü çok hızlı değiştirebilme (µs bölgesinde) - çizge biçiminin çok hızlı şekillenmesi ve –yeniden değiştirilebilmesi (demet ataklığı (beam agility)) - rasgele tarama - hedefi aydınlatma süresini (dwell time) seçme olanağı - aynı anda birden daha fazla sayıda demet oluşturarak çok işlevli çalışma imkânı - bir ışıyıcının arızalanması durumunda sistemin çökmemesi Kusurları - yatayda ve düşeyde sınırlı tarama bölgesi (yatayda en fazla 120°)[1] - demetlerin saptırılması sırasında demetlerde meydana gelen şekil bozulması - ışıma çizgelerinin frekansa olan bağımlılığı (düşük frekans ataklığı (low frequency agility)) - çok karmaşık yapı (işlemci ve faz kaydırıcılar) - yüksek maliyetler (bu durum devam etmekte) - Not: Tarama bölgesinin sınırı ışıyıcıları 3-boyutlu yerleştirerek aşılabilir. Işıyıcıların bu düzenine Karga-yuvası anten denilmektedir. Olası düzenleme biçimleri Resim 3: Doğrusal Faz Dizi Anten alanı Düzlemsel diziler Bu tür Faz Dizi Antenler bir faz-kaydırıcı tarafından ortak kumanda edilen ışıyıcı satırlarından meydana gelir. (Bu nedenle her bir anten satırı için yalnızca bir adet faz kaydırıcı devre gerekir.) Üst üste dikey olarak yerleştirilmiş çok sayıda doğrusal dizi bir düzlemsel anten oluşturur. - Üstünlüğü: Basit yerleşim - Kusuru: Taramanın yalnızca bir düzlemde olabilmesi - Örnek: - PAR-80 (yatay demet saptırma) ve - AN/FPS-117 (düşey demet saptırma) - 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 Faz Dizi Anten alanı Düzlemsel Diziler Bu Faz Dizi Antenler, tamamı, her biri kendisine ait bir faz kaydırıcıya sahip tekli ışıyıcılardan oluşur. (Her bir ışıyıcının kendine ait bir faz değiştiricisi olmalıdır!) Işıyıcılar bir matriste dizildiği gibi dizilmiş olup, ışıyıcıların düzlemsel yerleşimi toplam anteni meydana getirir. - Üstünlüğü: Tarama iki düzlemde yapılabilir. - Sakıncası: Karmaşık düzenleme ve çok sayıda faz-kaydırıcı gereksinimi - 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 saptırma, Faz Dizi Antenlerin hiç bir faz kaydırıcı devre kullanmaksızın besleme ışıyıcısının gönderim frekansı ile kumanda edildiği bir özel durumudur. Demetlerin saptırılması frekansın bir işlevidir. Bu tür Faz Dizi Antenler eski radarlarda sıkça kullanıldı. Bir düşey anten grubu seri beslenir. Tüm ışıyıcılar, F1 temel frekansında n · 360° lik bir faz kayması meydana gelecek şekilde, eşit uzunlukta ayarlanmış dolanan hatlar üzerinden aynı faz açısıyla beslenirler. Tüm ışıyıcılar aynı anda ve aynı fazda yayın yaparlar. Sonuçta anten düzlemine dik yönde bir demet meydana gelir. Gönderim frekansı yüzde birkaç arttırıldığında dolambaçlı hatların yapısal olarak belirlenmiş uzunluğu artık geçerli olamayacaktır. Dolambaçlı hattın uzunluğu şimdi bir miktar daha uzundur. Işıyıcıdan ışıyıcıya bir faz kayması meydana gelir. İlk ışıyıcı, bir sonraki ışıyıcıya göre bu yüzde miktarı kadar daha erken bir ışıma yapar, bu süreç takip eden ışıyıcılarda aynen devam eder. F2 frekansında oluşan ışıma çizgesi Θs açısı kadar yine yukarı yöne doğru kaymıştır. Demetin bu şekilde saptırılması çok basit olsa da, bu yöntemde kullanılan kurulu sabit gönderim frekanslarının sayısı sınırlıdır. Gürültü duygunluğu (noise susceptibility) yanında başka kısıtlamaları da vardır; örneğin, bu radar aygıtları bant genişliklerinin az olması nedeniyle darbe sıkıştırma tekniğini kullanamazlar. Faz kayma açısının hesaplanması Belirli bir ışıma açısını elde etmek için bir ışıyıcıdan diğerine faz kayma miktarı x= Aφ ne olmalıdır? Burada yönbağımsız (isotropic) bireysel ışıyıcıların bir doğrusal dizilimi ele alınacaktır. Işıyıcılar arasında, faz kayması uygulanmış demet açısının ilgili demeti arasında, x kısa kenarı ışıma hattı üzerinde bulunan bir dik açılı üçgen çizilebilir. Üçgenin hipotenüsü iki ışıyıcı arasındaki d açıklığıdır. Üçgenin üçüncü kenarı ise bir önceki ışıma yönüne dik olarak çizilen bir yardımcı çizgidir. Resim 6: Faz kayma oluşumunun grafiksel gösterimi Işık hızıyla yayılan bir elektromanyetik dalgada 360° lik bir faz açısı λ dalga boyuna karşılık gelir. x açıklığına karşılık gelen faz farkı Aφ aşağıdaki orantı ile hesaplanabilir: - Aφ = Ardışık iki ışıyıcı arasındaki faz açısı farkı - d = Işıyıcılar arasındaki açıklık - Θs = Işıma açısı Bu iki eşitliğin ortak çözümünden Aφ bulunur: Bu arada, Resim 6 da bir Faz Dizi Antenin daha büyük bir saptırma açısında neden daha kötü odakladığı görülmektedir. Ana ışıma yönünde, sapma açısı kadar bir açı farkıyla bitişik ışıyıcıya çizilen dik yardımcı çizgi ışıyıcılar arası d açıklığından daima daha küçüktür. Bununla birlikte, bu yardımcı çizgi, ışıyıcılar arası açıklığın bu sapma açısından „görülen” izdüşümüdür. Eğer, bu sapma yönünden „görülen” ışıyıcılar arası açıklık, en uygun ışıyıcılar arası açıklıktan daha küçükse, o zaman anten kazancı kötüleşir ve bunun sonucu olarak anten çizgesinin genişliği artar.