Anteny radiolokacyjne

Antena radaru jest elementem najbardziej rzucającym się w oczy i chętnie fotografowanym, przynajmniej w tej dziedzinie sprawdza się stwierdzenie, że „duże jest piękne”. Mówiąc serio, więcej można dowiedzieć się o naturze radaru z fotografii jego anteny, niż „wnętrzności”.

Antena radiolokacyjna jest bardzo istotnym i kosztownym elementem składowym radaru. Pełni ona następujące funkcje:

Anteny radiolokacyjne należą do grupy anten aperturowych. Pewna grupa anten charakteryzuje się wyraźnie wyróżnioną powierzchnią, zwaną aperturą, przez którą fala elektromagnetyczna przechodzi z wolnej przestrzeni do linii transmisyjnej. Najbardziej znane anteny tego typu to antena tubowa i antena paraboliczna.

Ważnym parametrem każdej anteny aperturowej jest jej powierzchnia skuteczna. Jeśli apertura fizyczna, (czyli pole powierzchni) anteny wynosi A, to zależność miedzy powierzchnią skuteczną Ae i aperturą jest następująca:

równanie 70

Współczynnik ν (grecka literka ni) nazywamy współczynnikiem wykorzystania apertury. Dla anten o rozmiarach znacznie większych od długości fali, a do takich należą anteny radarów, współczynnik ten nie przekracza 1. Przy optymalnym rozkładzie pola w antenie oraz przy dopasowaniu impedancyjnym, można przyjąć, że

równanie 71

oraz

równanie 72

Podstawowe parametry anten

Charakterystyka anteny. Charakterystyka promieniowania anteny nadawczej lub charakterystyka odbiorcza anteny odbiorczej są takie same, jest to tzw. zasada odwracalności. Charakterystyka anteny określa jej zdolność do koncentrowania promieniowanej energii elektromagnetycznej w określonym kierunku lub zdolność do kierunkowego jej odbioru.

charakterystyka anteny w układzie biegunowym

Charakterystyka anteny jest to miejsce geometryczne punktów w przestrzeni o jednakowym natężeniu pola elektromagnetycznego promieniowanego przez antenę. Jest to trójwymiarowa bryła, ale dla celów praktycznych wygodnie jest rozpatrywać jej dwa przekroje, w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach. Zwykle mówi się wówczas o charakterystykach azymutalnej (w płaszczyźnie poziomej) i elewacyjnej (w płaszczyźnie pionowej). Przekroje charakterystyk wykreśla się w układzie współrzędnych biegunowych (rysunek po lewej) lub prostokątnych (rysunek po prawej), co jest wygodniejsze i praktyczniejsze, ponieważ wykres można rozciągnąć dla odwzorowania drobnych szczegółów. W drugim przypadku na osi poziomej odmierza się kąt, a na osi pionowej względny poziom promieniowania odniesiony do promieniowania maksymalnego.

charakterystyka anteny w układzie prostokątnym

Idealna antena kierunkowa, tzn. taka, która promieniuje w danym kącie bryłowym z jednakową intensywnością i nie promieniuje nic poza tym kątem, nie może być w praktyce zrealizowana. Rzeczywista antena kierunkowa ma charakterystykę promieniowania różniącą się od idealnej występowaniem dwóch efektów. Po pierwsze, nie istnieje wyraźna granica sektora promieniowania, a intensywność promieniowania zmniejsza się mniej lub bardziej łagodnie ze wzrostem kąta między osią wiązki i danym kierunkiem. Po drugie, oprócz wiązki, w której koncentruje się największa część promieniowanej energii, występują tzw. listki boczne, czyli dodatkowe kierunki promieniowania. Ponieważ dąży się do zminimalizowania promieniowania w listkach bocznych, to ich poziom jest niekiedy o 2 lub 3 rzędy wielkości mniejszy od listka głównego. Dla ich zobrazowania oś pionową wykresu charakterystyki często skaluje się w decybelach.

Szerokość wiązki w danej płaszczyźnie stanowi kąt głównego listka znajdujący się pomiędzy kierunkami, w których natężenie pola elektromagnetycznego spada o 3 dB.

Zysk kierunkowy jest miarą kierunkowości anteny. Jest to liczba wskazująca, ile razy trzeba zwiększyć moc promieniowaną przez antenę izotropową, tzn. promieniującą jednakowo we wszystkich kierunkach, ażeby uzyskać w pewnym punkcie przestrzeni taką samą wartość natężenia pola, jakie wytwarza antena kierunkowa na kierunku swego maksymalnego promieniowania. Zysk kierunkowy dla odbioru można interpretować jako „kierunkową czułość” anteny. W radiolokacji zwykle stosuje się pojęcie zysku kierunkowego tak dla procesu nadawania, jak i odbioru. Anteny radiolokacyjne często mają zysk kierunkowy wynoszący kilkaset, a nawet kilka tysięcy.

Anteny reflektorowe

Anteny reflektorowe dominowały w radarach od początków radiolokacji ze względu na ich niskie koszty produkcji i zadowalające parametry. Anteny te zbudowane są z zaledwie dwóch elementów, a mianowicie reflektora będącego wycinkiem paraboloidy obrotowej oraz umieszczonego w ognisku paraboloidy elementu promieniującego.

parabola

Parabola dzięki swoim właściwościom jest bardzo dobrym reflektorem i stała się podstawą wielu anten radiolokacyjnych. Dwie własności geometryczne paraboli umożliwiają skupienie promieniowanej energii. Po pierwsze, parabola jest miejscem geometrycznym punktów jednakowo odległych od punktu F zwanego ogniskiem i od linii prostej y” – y”, zwanej kierownicą. Na rysunku widać, że linia ta jest prostopadła do osi symetrii paraboli, zwanej osią paraboli. Po drugie, styczne do paraboli w dowolnym jej punkcie tworzą równe kąty φ z prostą przechodzącą przez ten punkt i ognisko oraz z prostą równoległą do osi paraboli. Z drugiej własności wynika, że promienie biegnące od ogniska i odbite w dowolnym punkcie paraboli, będą po odbiciu równoległe do jej osi, zgodnie z zasadą, że kąt odbicia jest równy kątowi padania. Z pierwszej własności wynika natomiast, że fala o czole kulistym, emitowana w ognisku, po odbiciu od paraboli przekształci się w falę o czole płaskim, ponieważ całkowita droga, jaką przebywa dowolny promień od ogniska do czoła fali płaskiej y’ – y’ jest równa odległości między kierownicą i czołem fali, czyli niezależnie od tego, w którym punkcie paraboli odbije się promień, zawsze do czoła fali płaskiej przebywa jednakową drogę.

Oczywiście parabola jest linią krzywą dwuwymiarową, a reflektor anteny jest powierzchnią trójwymiarową, zwaną paraboloidą obrotową. Powierzchnia ta powstaje w efekcie obrotu paraboli wokół osi o kąt pełny, i zachowuje własności opisane powyżej. Jeżeli zostanie „oświetlona” przez źródło umieszczone w ognisku, paraboloida uformuje symetryczną wiązkę o kształcie cygara, zwaną też wiązką szpilkową lub ołówkową. Szerokość wiązki Θ w płaszczyźnie pionowej i poziomej jest jednakowa i w przybliżeniu wynosi (w radianach)

równanie 73

gdzie λ – długość fali, D – średnica reflektora.

antena paraboliczna

Wiązka szpilkowa jest wykorzystywana w radarach śledzących, natomiast w przypadku radarów obserwacyjnych, w których przeszukiwanie przestrzeni odbywa się poprzez obroty anteny, najbardziej pożądaną jest wiązka szeroka w płaszczyźnie pionowej i wąska w płaszczyźnie poziomej, w polskiej literaturze fachowej zwana „płetwową”, a w angielskiej – „fan beam”, czyli o kształcie łopatki wentylatora. Wiązkę o takim kształcie otrzymamy, jeżeli reflektor nie będzie okrągłym, lecz eliptycznym wycinkiem paraboloidy, tzn. rozpiętość pozioma anteny jest wielokrotnie większa od pionowej (foto).

W dokumentacji technicznej stacji radiolokacyjnej często umieszczany jest wykres charakterystyki jego anteny w płaszczyźnie pionowej. Wykres ten, zwany po angielsku „Vertical Coverage Diagram” obrazuje zasięg radaru i jest jednym ze środków stosowanych przez producentów dla pokazania osiągów określonego typu radaru (przykład na rysunku poniżej). Oczywiście rzeczywiste osiągi radaru rozwiniętego na innej pozycji nie muszą odpowiadać temu, co pokazuje taki wykres ze względu na zróżnicowanie terenu, obecność przeszkód terenowych, np. góry, wzgórza, wysokie drzewa, budynki, itp. Dlatego każdy radar naziemny po rozwinięciu podlega procesowi tzw. oblotu i wbrew nazwie to nie radar lata, ale samolot przydzielony w celu określenia rzeczywistych zasięgów radaru na różnych wysokościach i kątach azymutu.

Vertical Coverage Diagram

Na rysunku widać, że górna granica kąta elewacji charakterystyki jest daleka od 90 stopni; z reguły wynosi 30 – 40 stopni. Przy założeniu, że ta górna granica jest linią prostą (dla uproszczenia rozważań), jeżeli antena radaru w czasie jego pracy obróci się o 360 stopni, to linia ta zakreśli w przestrzeni stożek, wewnątrz niego radar praktycznie nie jest w stanie wykryć obiektu, stąd nazwa: stożek martwy (ang. cone of silence). Dla przykładu, jeżeli samolot pasażerski leci na poziomie lotu FL310 (31000 stóp, czyli trochę ponad 10000 metrów), to jeżeli zbliży się do radaru na odległość mniejszą niż 35 – 40 km, zniknie z ekranu. Jest takie powiedzenie: pod latarnią jest najciemniej. W radiolokacji jest jeszcze gorzej – i pod i nad latarnią jest ciemno!

Wiązka cosecans2. Z wykresu powyżej można wnioskować, że charakterystyka promieniowania anteny w płaszczyźnie pionowej jest równie symetryczna jak w płaszczyźnie poziomej, a zniekształcenia spowodowane obecnością ziemi „lekko” pozbawiły ją symetrii. Nie do końca jest to prawdą. Współczesne samoloty latają na umiarkowanych wysokościach, rzadko przekraczają wysokość 12 km, chyba że mamy do czynienia z SR-71. Nie ma sensu marnować energii promieniując ją w kosmos. Lepiej skierować ją tak, żeby wykrywać odległe obiekty powietrzne, a do wykrywania obiektów bliskich, ale lecących na zbliżonych wysokościach, czyli na wyższych kątach elewacji, kierować jej mniej. Najlepiej tak sterować polem elektromagnetycznym w płaszczyźnie pionowej, żeby samolot zbliżający się do radaru na stałej wysokości był opromieniowywany zbliżoną energią w całym zakresie odległości w granicach jego wykrywania.

tworzenie wiązki cosec2

Na obrazku obok samolot leci w kierunku radaru na stałej wysokości, jego odległość pochyła R do radaru jest iloczynem jego wysokości H i cosecansa kąta elewacji β (ponieważ w matematyce odwrotność sinusa czyli 1/sinus = cosecans. Dla zachowania tej zależności charakterystyka anteny w płaszczyźnie pionowej powinna być tak ukształtowana, żeby natężenie pola elektromagnetycznego sygnału było proporcjonalne do cosecansa kąta elewacji, a ponieważ moc sygnału jest proporcjonalna do kwadratu odległości pochyłej, to moc jest proporcjonalna do kwadratu cosecansa kąta elewacji – to wyjaśnia tę dziwną nazwę podaną w tytule powyżej. Podobnie w pokładowych radarach nawigacyjnych pożądana jest antena o charakterystyce cosecans2. W celu uzyskania takiej charakterystyki stosowane są anteny paraboliczne, w których część powierzchni jest nieco odkształcona.

Elektronicznie sterowane fazowane szyki antenowe

antena płaska

Od początku lat 60-tych rozwój radiolokacji oprócz szeregu innych kierunków, kroczył także drogą konstruowania systemów radiolokacyjnych z fazowanymi szykami antenowymi, potocznie zwanymi antenami płaskimi. Szyk fazowany jest anteną kierunkową składającą się z dużej liczby indywidualnych anten, lub inaczej mówiąc, elementów promieniujących. Kształt charakterystyki kierunkowej promieniowania i odbioru szyku jest zdeterminowana amplitudami i fazami prądu w każdym z jego elementów. Jedną z zalet fazowanych szyków antenowych jest możliwość elektronicznego sterowania położeniem wiązki antenowej poprzez zmianę fazy prądu w elementach promieniujących. Wiązka dużej, nieruchomej anteny może być bardzo szybko przemieszczana w przestrzeni od jednego położenia do innego bez konieczności mechanicznego pozycjonowania dużej i ciężkiej anteny. Antena fazowana typowego radaru może mieć nawet kilka tysięcy indywidualnych elementów promieniujących o konstrukcji opartej, na przykład, na ferrytowych lub diodowych przesuwnikach fazy, które pozwalają na przemieszczanie wiązki antenowej w ciągu mikrosekund.

Zalety takich systemów są nie do przecenienia; w sposób bezinercyjny można praktycznie jednocześnie kształtować wiązkę typu cosec2 i kilka wiązek ołówkowych. Dzięki tej właściwości mogą być konstruowane radary wielofunkcyjne do wykrywania celów, ich identyfikacji i jednoczesnego śledzenia wielu wcześniej wykrytych celów, przy czym system taki potrafi zapewnić bardzo dużą częstotliwość odnawiania informacji o nich. W związku z brakiem ruchomych mechanizmów i możliwością szerokiego zastosowania elementów na ciele stałym, a także dzięki istnieniu dużej ilości równolegle pracujących kanałów, wzrasta znacznie niezawodność radaru. Cechą radaru z płaską anteną może być bardzo wysoki poziom promieniowanej mocy generowanej przez dużą liczbę źródeł energii. Do wad tych systemów należy ich większa złożoność i wysoki koszt.

Rozwój radarów z szykami fazowanymi spowodował powstanie dwóch głównych kierunków w ich konstrukcji:

  1. stacjonarne systemy naziemne i okrętowe;
  2. samolotowe wielofunkcyjne radary zapewniające wykrywanie celów, śledzenie wielu celów i uzyskiwania danych nawigacyjnych.

Zasilanie współczesnych szyków antenowych realizowane jest jednym z trzech sposobów, pokazanych na rysunkach:

zasilanie przejściowe

W szyku z przestrzennym przejściowym sposobem zasilania opromieniowanie dokonywane jest od tylnej strony anteny, a przesunięcie faz zachodzi w trakcie przychodzenia sygnałów przez przesuwniki fazy do elementów promieniujących.

zasilanie odbiciowe

W szyku z przestrzennym odbiciowym sposobem zasilania opromieniowanie realizowane jest od przodu anteny. Odebrane przez elementy promieniujące fale przechodzą przez przesuwniki fazy, następnie odbijają się i są emitowane przez te same elementy promieniujące z nową fazą.

zasilanie przewodowe

W szykach z zasilaniem przewodowym (fider) źródło sygnału koherentnego połączone jest z każdym elementem promieniującym za pośrednictwem linii. System taki pozwala instalować wzmacniacz mocy blisko promiennika, w konsekwencji przesuwniki fazy oblicza się na mniejszą moc. Oprócz tego istnieje możliwość stosowania dowolnej liczby źródeł o mniejszej mocy w miejsce jednego źródła energii o dużej mocy. Położenie wiązki antenowej określone jest odpowiednim doborem długości linii między głównym źródłem drgań koherentnych, a elementami promieniującymi. Istnieje wiele sposobów konfigurowania tego rodzaju szyków antenowych. Jedna z metod polega na użyciu w każdym promienniku przesuwnika fazy o dużej mocy oraz jednego nadajnika o dużej generowanej mocy i jednego odbiornika (rysunek obok). Taka konstrukcja nosi nazwę anteny z pasywną aperturą lub antenowym szykiem pasywnym, dla odróżnienia od anteny z aktywną aperturą (lub aktywnego szyku antenowego), która posiada nadajniki małej lub średniej mocy w każdym indywidualnym elemencie, każdy taki element wyposażony jest również w indywidualny odbiornik, przesuwnik fazy, przełącznik nadawanie-odbiór i układ sterowania. Można powiedzieć, że każdy element, będąc urządzeniem nadawczo-odbiorczym, jest miniaturowym „radarkiem” (angielska nazwa: module T/R albo transceiver).

Różne są również sposoby przeszukiwania przestrzeni:

Reasumując, elektronicznie sterowane fazowane szyki antenowe umożliwiają: