بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
آنتن های راداری
چکیده:
این مقاله به بررسی برخی از آنتن های مورد استفاده در رادار می پردازد . ابتدا رادار معرفی می شود و رابطه توان و بهره آن نیـز بیـان مـی شود.در ادامه عملکرد چهار نمونه از آنتن های پر کاربرد در صـنعت راداری ( Parabolic antenna, Antenna With Cosecant Squared Pattern, (The Cassegrain antenna,Array antennaبررسی خواهد شد و مزیت ها و معایب های هر کدام بیان می شود و در آنتن های آرایه ای بـا شـبیه سازی در MATLAB ویژگی های بهترین آنتن را بدست می آوریم. در آخر سعی شده است برای برخی از آنان تصاویری گویا و همچنین نمونه های
عملی معرفی شود.
کلید واژه- آنتن ها با الگوی مربع کوسکانتی1، آنتن های آرایه ای2، آنتن های سهموی3، آنتن های 4Cassegrain، رادار5
-1 مقدمه
در محیط اطراف ما خواص بسیاری وجود دارد که روز به روز به موارد بیشتری از آنها پی می بریم. یکی از این خـواص ویژگـی بازتاب امواج الکترومغناطیسی است. رادار از همین ویژگـی سـاده استفاده می کند.
نام رادار هم بیانگر همین امر است؛ آشکار سازی بـه وسـیله امواج ماکروویو. یعنی ما به جای استفاده از ابزار بصـری بـا انجـام کارها و فرایند هایی امواج را وسیله ای برای آشـکار سـازی قـرار می دهیم.
در واقع رادار در ابتدا امواجی منتشر می کند؛ این امواج پس از برخورد به یک جسم بـاز مـی گردنـد و توسـط آنـتن گیرنـده راداری دریافت می شوند. در داخـل سیسـتم رادار بـا اسـتفاده از داده هایی چون زمان رفت و برگشـت، میـزان انـرژی دریـافتی ، چگونگی تغییر فرکـانس و فـاز و ... بـه نتـایجی از جملـه وجـود اجسام، فاصله از ما، سرعت و حتی شکل آنها می رسد.
شاید توانایی هایی چون برد زیاد(تا حد چند صـد کیلـومتر)، توانایی کار در شبانه روز و شرایط آب و هوایی مختلـف، عبـور از
موانع و دقیق بودن باعث شده است که رادار در جاهای مختلف و به صورت گسترده مورد استفاده قرار گیرد.
علم راداری به شدت رو به پیشرفت است و کشورها سـرمایه گذاری های هنگفتی برای طراحی و ساخت آنها انجام می دهند.
این پیشرفت تا به حدی بوده که در نوع جدیـدی از رادارهـا به نام SAR ما با استفاده از امواج و بدون نیاز به هیچ عدسـی یـا دوربینی به تصویر برداری می پردازیم و می توانیم از محیط مورد نظر تصاویری تهیه کرده و به پردازش آن بپردازیم.
این پیشرفت ها ما را وا می دارد که بـیش از پـیش بـه ایـن مقوله از علم توجه کنیم. در اینجا ما سعی در معرفی رادار و آنتن های پر کاربرد در آن را داریم.
-2 رادار
همان طور که اشاره شد رادار با قانون بازتاب از اجسـام کـار می کند.
ابتدا رادار موجی میفرستد و با توجه به نوع ارسال- پالسی و یا سینوسی- منتظر بازتاب می ماند. بسـته بـه نـوع رادار از نظـر فرسـتندگی و گیرنـدگی- تـک پایـه6 و یـا چنـد پایـه- 7 پـس از دریافت بازتاب بـه تحلیـل آن در سیسـتم داخلـی مـی پـردازد و اطلاعات مورد نظر را به ما می دهد.
شکل (1) معرف ساختار داخلی رادار تـک پایـه بـه صـورت ساده است.
شکل : 1 ساختار داخلی رادار
همان گونه که مشاهده می شود ابتدا فرستنده مـوج را پـس از مدوله سازی و تقویت به سوئیچینگ می فرستد. بـا توجـه بـه توان بالا بودن قطعات فرستنده و برعکس آن در گیرنده، در ایـن بخش با توجه به نـوع آنـتن- پالسـی یـا سینوسـی- از TRS یـا Circulator استفاده مـی شـود. پـس از رفـت و برگشـت مـوج توسط آنتن، گیرنده وظیفه پردازش های اولیه و تقویـت را انجـام می دهد و بخش های دیگـر چـون پـردازش سـیگنال و داده بـه آشکار سازی اهداف و پیگیری آن از طریـق مـاتریس دریـافتی از گیرنده می پردازند.
در ایـن میـان آنــتن بـه عنــوان پـل ارتبـاطی بـین ســاختار الکتریکی رادار و محیط بیرون از اهمیت ویژه ای بر خوردار است. بررسی پارامتر هایی چون توان و بهره و جهت دهـی از مهـم ترین عوامل در آنالیز یک رادار می باشد.
-1-2 معادله توان راداری
مــی بیــنم کــه در تــوان رادار عــواملی چــون : تــوان آنــتن فرستنده((Pt، بهره فرستنده((Gt، مساحت موثر(-(Aeکه رابطـه مستقیم با مساحت آنتن دارد-، سطح مقطع راداری( (، ضریب پخش الگو((F،و فاصله آنتن فرستده و گیرنـده از هـدف بسـتگی دارد.
که در آن بهره و مساحت موثر رابطه ای به صورت زیر دارد.
معادله بالا اگر خطی باشد Ka=1 ،ولی در حالت کلی Ka<1(Ae ≤ A) می باشد. با توجه به این معادله بازده بالا به وسیله سطح بالای انتشار گلبرگ اصلی بدست می آید.
بنابراین آنتنهایی که پراکندگی بیشتری دارند و دارای گلبرگ های فرعی قوی تری هستند، بازده روزنه کمتری دارند.قابل مشاهده است که با افزایش فرکانس و یا سطح فیزیکـی رادار بهره و در نتیجه توان دریافتی بیشتر می شود. با توجه به بزرگ بودن مخرج کسر بالا و ضرب صورت در عواملی چون F که از یک کوچکترند به راحتی قابل درک است که توان دریافتی توسط Receiver چقدر کوچکتر از توان ورودی می تواند باشد. پس برای استفاده و پردازش نیاز به تقویت دارد.در معادله بالا می توانیم جهت ساده سازی از F=1 برای خلاء بدون تداخل استفاده کنیم.
-2-2 آنتن های سهموی
آنتن با دیش سهموی پرکاربردترین آنتن در مهندسی رادار می باشد. این نوع آنتن از یک بازتابنده سهمی وار دایره ای1 و یک منبع نقطه ای2 واقع شده در نقطه کانونی آن تشکیل می شود.
شکل : 3 آنتن های سهموی و اجزای آن
بازتابنده سهمی وار از یک قاب فلزی ساخته شده است که در بیشتر موارد به وسیله فلز مشبک در سطح داخلی پوشیده شده است. پهنای شکاف ها در آنتن های مشبک باید از λ/10 کمتر باشد. پس هر چه فرکانس بالاتری داشته باشیم از فلز های مشبکی با فشردگی بیشتر استفاده می کنیم.
در واقع پوشش فلزی در بازتابنده های فعال نقش آینه را برای انرژی رادار بازی می کنند.
طبق قوانین هندسه تحلیلی و فیزیک نوری ( Optics (Physic در این نوع بازتاب – به دلیل اینکه منبع تغذیه در نقطه کانونی واقع شده است – تمام بازتاب ها موازی یکدیگر و هم راستا با محور اصلی می باشند. میدان، نوک منبع تغذیه را به صورت یک جبهه موج کروی ترک می کند. سپس هر قسمت از جبهه ی موج که به سطح بازتابنده برسد 181 درجه اختلاف فاز پیدا می کند و همه ی قسمت های میدان در زاویه ای فرستاده می شوند که در مسیرهای موازی قرار گیرند .
حالت بالا – که آنتنی ایده آل است – در عمل اتفاق نمی افتد و الگوی آنتن سهمی وار واقعی به دلیل یک سری بی نظمی در تولید به صورت مخروطی است. به همین دلیل آنها را آنتن های پرتو مدادی (Pencil Beam Antenna) می نامند.
این گلبرگ اصلی می تواند پهنای زاویه ای متنوعی داشته باشد. از یک درجه تا حتی 21 درجه در بعضی از آنها.
الگوی بازتابی ( (Radiation Pattern آنتن سهموی یک گلبرگ اصلی دارد که در جهت محور انتشاری است و همچنین دارای چند گلبرگ فرعی دیگر نیز می باشد.
با این نوع بازتاب پرتوهای خیلی باریکی قابل تولید است.(جهت دهی خوبی میتوان تولید کرد)
شکل (3) الگوی تشعشعی یک آنتن سهموی در حالت عملی را نشان می دهد. می بینیم که پرتو اصلی باریک است و این برای ما مطلوب است ولی پرتوهای فرعی زیادی تولید می شود که این باعث می شود مقدار زیادی از انرژی ما هدر رود.
شکل : 4 الگوی تشعشعی آنتن های سهموی
می توانیم بهره ی این نوع آنتن ها را با استفاده از رابطه ی زیر بدست آوریم. رابطه زیر، رابطه ای تقریبی است ولی می توان از آن نتایج قابل قبولی بدست آورد که در بسیاری موارد قابل استفاده است.
که در آن بهره با حاصلضرب زاویه سمت و برآمدگی رابطه عکس دارد.
-3-2 آنتن ها با الگوی مربع کوسکانتی
آنتن با الگوی مربع کوسکانتی یک طراحی ویژه است که در رادارهای مراقبت هوایی کاربرد دارد. در این الگو یک توزیع به صورت تابش پرتوهای هماهنگ صورت می گیرد که باعث اسکن بیشتر فضای مورد نظر می شود.
با توجه به معادله توان آنتن – که قـبلا ذکـر شـده اسـت – توان با فاصله به توان 4 رابطه عکس دارد-البته با فرض تک پایـه بودن آنتن -Rt=Rr و چون در آنتن های معمـولی بهـره عـددی ثابت است با دور شدن از آنتن توان به شدت کاهش می یابد.
شکل : 5 رابطه توان با فاصله
برای حل این مشکل و تولید الگوی تشعشعی که به فاصله وابسته نباشد از آنتن هایی با نام Cosecant squared استفاده می کنیم. در این ساختار ما برای آنکه بتوانیم توان را ثابت نگه داریم از بهره وابسته به فاصله استفاده می کنیم.
دو روش برای بدست آوردن الگوی مربع کوسکانتی وجود دارد.
-1-3-2انحراف در یک بازتابنده ی سهموی
یک الگوی مربع شده ی کوسکانتی را می توان به وسیله انحراف فیزیکی در شکل آنتن سهموی بدست آورد. همانطور که بیان شد یک نوک تغذیه (Feed) در نقطه کانونی بازتابنده سهموی وجود دارد که گلبرگ اصلی در جهت محور اصلی ایجاد می کند. (Pencil beam)
در حالت پرتو مدادی - همه ی بازتاب ها به صورت موازی – در عمل حاشیه ها ضعیف ترند و انرژی کمتری دارند. پس شعاع ظاهر شده واقعی غلظت توان بزرگی ندارد. ما با استفاده از جا به جا کردن سطح بازتابنده از فرم سهمی وار اصلی – مطابق شکل
– می توانیم یک الگوی مربع کوسکانتی بدست بیاوریم.
