Page 120 - bilgem-teknoloji-dergisi-4

Bahattin TÜRETKEN, Koray SÜRMELİ Radar Antenleri – IV: Faz Dizili Anten Kuramına Genel Bakış
Radar Antenleri – IV:
2 FAZ DİZİLİ ANTENLERİN ELEKTRİKSEL
Faz Dizili Anten Kuramına Genel Bakış MİMARİSİ
Faz dizili antenler, Şekil 2’de gösterildiği gibi iki temel
Bahattin TÜRETKEN, Koray SÜRMELİ mimariyle ifade edilirler: pasif faz dizileri ve aktif faz
dizileri. Her bir yapı kendine has özelliklere, avantajlara ve
dezavantajlara sahiptir [7].
Özet - Bu çalışmada, haberleşme, radar ve radyoastronomide sık vericilere yönlendirerek, bir haberleşme sistemi olarak da
kullanılan faz dizili antenlerin temel kuramı, mimari yapıları ve anten çalışabilir. Faz dizili antenlerde muazzam bir esneklik söz
tasarımları ile ilgili bilgiler verilecek ve örnek bir uygulama üzerinden konusudur. Özel durumları en iyi şekilde karşılayabilmek
tasarım teknikleri incelenecektir.
amacıyla tarama ve izleme hızları ayarlanabilir. Örneğin
Anahtar Sözcükler - Aktif diziler, dizi antenler, elektronik taramalı hedeflerin manevraları gibi belirsizlik durumlarında veri hızı
diziler, faz dizili antenler, pasif diziler, radar.
artırılmaktadır. Faz değiştirme yoluyla anten hüzme
genişliği elektronik olarak değiştirilebilir. Böylece, belirli Besleme Ağı
alanları çok daha hızlı bir biçimde, ancak daha düşük
1 GİRİŞ kazançla kapsamak mümkündür. Açıklık boyunca
Günümüzde mikrodalga ve yazılım tekniklerindeki yerleştirilen çok katlı güç üreteçleri sayesinde çok yüksek güç
gelişmelerle birlikte, radar uygulamalarında kullanılan değerleri elde edilebilmektedir. Güç dağılımı, tarama Alıcı
antenlerden çok daha farklı görevler beklemek olağan hale alanında bilgisayar yardımıyla kontrol edilebilir. Elektronik Koruma
gelmiştir; zira, klasik radarlar tehditlere karşı etkisiz olarak kontrol edilen faz dizili antenler eldeki belirli bir
kalmaya başlamıştır. Bundan dolayı çok fonksiyonlu ve çoklu görevi en iyi biçimde yerine getirebilmek için gerek duyulan
görev ifa eden akıllı sistemleri kullanmak kaçınılmaz çeşitli fonksiyonların tamamını gerçekleştirebilme LNA
ve
olmuştur. Böylelikle, modern radarlar birçok işlevi yerine yeteneğine sahiptir. Örneğin ters sentetik açıklık gibi hedef Alıcı
getirmek için faz dizili yapılar kullanmaya başlamıştır sınıflama fonksiyonlarını desteklerler. Fonksiyonlar sayısal
(Şekil 1). hüzme tarama bilgisayarları ile hızlı bir biçimde
programlanabilirler. Faz dizili antenler kargaşayı (clutter) (a)
Bilindiği gibi anten dizileri, istenilen ışıma özelliklerini daha etkili bir biçimde bastırabilirler [2].
verecek şekilde uygun genlik ve faz ilişkileri bulunan özdeş
antenlerin değişik biçimlerde düzenlenmiş gruplarına denir Yukarıdaki avantajlarından dolayı faz dizili radarlar
[1]. Dizi antenler anten hüzmesini daraltmak, hüzmeyi 1950’li yıllardan beri birçok askeri ve sivil radar
şekillendirmek, yönlendirmek ve kazancı artırmak için uygulamalarında yoğun olarak kullanılmaktadır [2]–[6].
kullanılırlar. Dizi antenlerin önemli ışıma özellikleri; ana
demet doğrultusu, yan kulakçık düzeyleri ve yarım güç Besleme Ağı
hüzme genişliğidir.
Faz dizili antenler ise, istenilen bir hüzme yapısını
oluşturabilmek amacıyla, diziyi oluşturan elemanların her
birinin besleme genlik ve faz değerlerinin ayrı ayrı kontrol
edilebildiği bir dizi yapısıdır. Hüzmenin konumu diziyi Alıcı
oluşturan elemanların besleme faz değerlerinin ayarlanması
ile elektronik olarak kontrol edilir. Böylece ana hüzme
anteni fiziksel olarak hareket ettirmeden yönlendirilebilir.
Faz dizili antenlerin mikrosaniye mertebesinde hızlı ve
doğru (accurate) hüzme tarama (beam steering) yapabilme
Faz
yetenekleri, sistemlerin birçok fonksiyonu birden Kaydırıcı
gerçekleştirebilmesine izin vermektedir. Elektronik olarak LNA
hüzme tarama yapabilen radarlar çok sayıdaki hedefleri
izleme ve bu hedeflerden bazılarını radyo frekans (RF) (b)
enerjisi ile aydınlatabilme yeteneklerine sahiptir. Böyle bir
radar yüksek kazançlı hüzmelerini uzak mesafedeki alıcı ve Şekil 1. Faz dizili anten fonksiyonları
Şekil 2. Temel faz dizisi mimarileri: (a) Doğrusal pasif dizi, (b) aktif dizi.
118 Sayı 03 Mayıs-Ağustos 2010 http://www.uekae.tubitak.gov.tr/
·
Pasif diziler merkezi bir verici ve bir alıcı birimi
kullanırlar. Hüzme tarama yapabilmek için gerek duyulan
faz kaymasını sağlamak amacıyla eleman düzeyinde faz
kaydırıcılar kullanılır, ancak genellikle bunlar genlik
kontrolü sağlamazlar. Pasif dizilerde sistem hassasiyetini ve
verimliliğini artırmak için besleme ağı ve faz kaydırıcılar
içerisindeki kayıpları en düşük düzeye indirmek
gerekmektedir.
Pasif diziler elektronik olarak tarama yapan dizi
antenlerin en düşük maliyetli olanıdır; çünkü bileşenlerinin
Faz sayısı ve maliyetleri düşüktür. Eğer çok düşük yan kulakçık
Kaydırıcı düzeyleri isteniyorsa, uygun genlik ağırlıklandırılmasının
kullanıldığı ayrı bir alıcı besleme ağının kullanılması
gerekmektedir.
Aktif dizilerde eleman başına bir verici/alıcı birimi
kullanılarak genlik ve faz kontrolü sağlanmaktadır. Pasif
dizilerde kullanılan merkezi verici birimi her bir verici/alıcı
Yüksek Güçlü birimi içerisinde kullanılan ayrı güç kuvvetlendiricileriyle yer
Verici değiştirmiştir. Bu kuvvetlendiriciler verici durumda yüksek
güç kuvvetlendiricisi, alıcı durumda ise düşük gürültülü
Besleyici kuvvetlendiricidir. Bu durum Şekil 2’deki verici/alıcı
biriminin basitleştirilmiş şemasından da görülmektedir.
Aktif dizilerde sistem hassasiyeti, sistem gürültü faktörünün
ayarlanması ve RF gücünün açıklıkta üretilmesiyle
artırılmaktadır. Aktif dizilerde kullanılan verici/alıcı
birimleri hem alıcı hem de verici durumda tamamen esnek
genlik ve faz kontrolü sağlar. Aktif dizilerde besleme ağının
en düşük kayıp için optimize edilmesine gerek duyulmaz. Bu
nedenle, aktif diziler tasarım esnekliğine ve sistemin hacim
ve ağırlık değerlerinin en düşük düzeye indirilebilme
yeteneklerine sahiptir. Aktif dizilerin bu avantajları sistemin
karmaşıklığını ve maliyetini de doğal olarak artırmaktadır.
1980’lerden itibaren düşük maliyetli GaAs tek parça
mikrodalga tümdevreleri, yüksek hızlı sayısal işleme
bileşenlerinin geliştirilmesiyle birlikte, aktif dizilerin birçok
radar ve haberleşme uygulamasında tercih edilen dizi yapısı
Besleyici haline gelmesini sağlamıştır. Ancak GaAs teknolojisi,
maliyeti, yüksek yoğunlukta tümleştirme yapılamaması, güç
tüketiminin yüksek olması nedenleriyle, yerini 1955’lerde
HPA başlayan, 2000 yıllarında hızla artan Silisyum-Germanyum
Anten (SiGe) teknolojisine bırakmıştır ve bu pazar bu yönde hızla
ilerlemektedir [8], [9].
Melez bir faz dizisi yapısı aktif ve pasif dizilerin bazı
Sınırlayıcı özelliklerini birleştirir. Pasif faz dizili antenlerde olduğu
gibi, merkezi bir verici birimi diziyi besler; fakat sistemin
toplam gürültü faktörünü iyileştirebilmek amacıyla her bir
faz kaydırıcının önüne bir düşük gürültülü kuvvetlendirici
eklenmiştir. Düşük yan kulakçık düzeyleri elde edebilmek
için ayrık bir alıcı besleme ağı kullanılmaktadır.
119