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 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 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.