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 9.1 10.1 11.1 11.2 11.3 12.1 13.1 14.1 14.2 15.1 15.2 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 18.1 19.1 20.1 21.1 21.2 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 31.2 31.3 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 38.1 38.2 38.3 38.4 38.5 38.6 39.1 39.2 40.1 41.1 42.1 42.2 43.1 44.1 45.1 45.2 46.1 47.1 48.1 49.1 50.1 51.1 51.2 51.3 52.1
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 Phased Array Antenna 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
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