Page 118 - bilgem-teknoloji-dergisi-5

Bahattin TÜRETKEN, Koray SÜRMELİ, Aziz U. ÇALIŞKAN Radar Antenleri – V: Faz Dizili Antenler – Besleme, Uygulama ve Gelişim Yönü
2
1
bu yapının CMOS üretim adımları ile beraber üretilebilir c) ASARS ESA
olması da önemli bir gelişmedir. Si kristaline Ge katkısıyla Bu dizi anten yapısı yapay açıklık radarı içerisinde keşif
yüksek performanslı MMIC üretimi gerçekleştirilebilmek- amaçlı kullanılmaktadır. Paralel besleme yapısındaki bu
tedir.
anten X bandında çalışmakta ve ışıma elemanı olarak 2400
Standart CMOS ve SiGe HBT teknolojilerinde en küçük adet açık sonlandırmalı dikdörtgen dalga kılavuzundan
boyuta göre kesim frekansının değişimi Lawrence tarafından oluşmaktadır. Dizinin her bir sütununda analog kontrollü
ayrıntılı olarak incelenmiştir [15]. döner alan ferrit faz kaydırıcılar bulunmaktadır.
5 UYGULAMALAR VE GELİŞİM YÖNÜ 5.2 Aktif Faz Dizili Antenler
Şimdiye kadar bir çok faz dizili anten uygulamasında Bu tür antenler aşağıdaki radar sistemlerinde
pasif faz dizili antenler kullanılmıştı. Çünkü aktif faz dizili kullanılmaktadır:
antenler henüz olgunlaşmamışlardı ve çok pahalı yapılardı. a) AMSAR
3
GaAs MMIC teknolojisinin gelmesiyle aktif faz dizili anten
konusu üzerinde daha geniş çalışmalar gerçekleştirildi. Tasarlanan aktif anten X bandında çalışan ve 60 cm çap
MMIC teknolojisinin otomotik modül montaj teknikleriyle içerisine yerleştirilmiş 1000 adet verici/alıcı biriminden
birlikte kullanılması aktif faz dizili antenlerin maliyetini oluşan bir dizi yapısıdır. Verici/alıcı birimleri MMIC
önemli ölçüde azaltmış ve böylece aktif faz dizili antenler teknolojisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir [17]. Bu dizi
tercih edilmeye başlanmıştır. anten tuğla mimarisinde tasarlanmıştır. Verici/alıcı birimleri
dizi yüzeyine dik olacak biçimde, doğrusal, düşey bir soğuk
5.1 Pasif Faz Dizili Antenler plaka üzerine monte edilmiştir. Birimler paralel güç
ayırıcılarına bağlanmıştır. Alt diziler yığın (stacked) şeklinde
a) AN/SPY-1 Radarı
yerleştirilerek tüm diziyi oluştururlar. Her bir verici/alıcı
S bandı AN/SPY-1 anteni pasif melez bir faz dizili anten birimi çift polarizasyonlu bir ışıma elemanına bağlanır.
yapısıdır. Dizi yüzeyinin temel yapı blokları her biri 32 ışıma Işıma elemanları ise üçgen bir ızgara yapısında
elemanından oluşan dizi modülleri ile sonlandırılmıştır. İki yerleştirilmiştir.
dizi modülü bir alıcı alt dizi yapısını meydana getirmektedir
[16]. Ana dizi fonksiyonları için 68 adet dizi modülü b) F-22 Radarı
mevcuttur. Yardımcı fonksiyonlar için 2 adet dizi modülü F-22 radarı tuğla mimarisi ile tasarlanmış ayrık
kullanılmaktır. Dörder tane dizi modülü bir verici alt dizi verici/alıcı birimlerinden oluşan ve X bandında çalışan bir
yapısını meydana getirmektedir. Verici alt kesimleri aktif faz dizili anten uygulamasıdır. Ayrık verici/alıcı
içerisinde 32 adet yüksek güçlü, yürüyen dalga tüp birimleri verici/alıcı fonksiyonları arasında yüksek yalıtım
kuvvetlendiricisi yer almaktadır. sağlamaktadır. Ayrıca üretim maliyetlerini de azaltmaktadır.
Her bir dizi modülü üzerinde 32:1 güç bölücü ile entegre c) F-15 C
edilmiş 32 tane faz kaydırıcı ve sekiz tane de faz kaydırıcı Bu anten F-15 savaş uçaklarının burun kısmına
sürücü kartı bulunmaktadır. Bu modüller üçgen ızgara yerleştirilmektedir. Tuğla mimarisi ile tasarlanmış olan bu
biçiminde yerleştirilmiş 32 adet huni (horn) antene monte dizi anten F-15 uçaklarının dünyanın aktif elektronik
edilmiştir.
taramalı dizi (‘Active Electronically Scanned Array’, AESA)
Faz kaydırma fonksiyonunu gerçekleştirebilmek için teknolojisini kullanan ilk savaş jetleri olmasını sağlamıştır.
karşılı olmayan halka ferrit faz kaydırıcılar kullanılmıştır. d) GBR
4
Düşük maliyet sağlayabilmek için yüklemeli melez jonksiyon
yapısı kullanan ağlar yerine reaktif bölücü ağ yapısı X bandında çalışan ve yüksek irtifa alan savunmasında
2
kullanılmıştır. Alıcı hüzme biçimlendirme ağı ağırlığı kullanılan bu radar 9,2 m ’lik yüzey alanına sahip olup, bu
azaltılmış dalga kılavuzu kullanmaktadır. dizi anten içerisinde ışıma elemanı olarak 25344 tane
dielektrik yüklü dairesel dalga kılavuzu kullanılmıştır [18].
b) B-1 Radarı
Her bir eleman yüksek güç verici/alıcı birimi tarafından
Bu dizide paralel dalga kılavuzu besleme yapısı beslenmektedir. Dizi her biri 352 eleman içeren 72 alt
kullanılmaktadır. Faz kontrol modülleri dizinin her bir diziden oluşmaktadır. Her bir alt dizi 11 adet verici/alıcı
elemanı için karşılı olmayan halka ferrit faz kaydırıcılar
içermektedir. Işıma elemanı olarak dielektrik yüklü dairesel 1 Advanced Synthetic Aperture Radar System
dalga kılavuzları kullanılmıştır. 2 European Space Agency
3 Airborne Multirole Solid-State Active Array Radar
4 Ground Based Radar
116 Sayı 05 Ocak-Nisan 2011
·
eleman tümleşkesi (‘T/R Element Assembly’, TREA), alt dizi takip yapabilmektedir. Bunun yanında, füzeye yol gösterme
modülü (SAM) ve bir ‘AC/DC’ dönüştürücüden oluşmaktadır. (missile guidance), su üstü top ateşi (gunfire support) desteği de
Bir TREA 32 adet ışıma elemanı, 32 adet verici/alıcı birimi, sağlamaktadır.
sekiz adet ‘DC/DC’ dönüştürücü, dört adet hüzme
5.6 Sayısal Hüzme Biçimlendirme
biçimlendirme kontrol birimi ve RAM biriminden oluşur.
Her bir SAM bir alt diziyi sürmek için kullanılır ve alt dizi Aktif faz dizili antenler programlanabilir fonksiyonellik
düzeyinde hüzme tarama kontrol devre kartı, her bir
ile tamamen sayısal olan çok fonksiyonlu dizilerdir. Sayısal
verici/alıcı kanalı için zaman geciktirme birimleri, düşük hüzme biçimlendirme yapısında sadece yüksek güç ve düşük
gürültülü kuvvetlendiriciler (LNA), kuvvetlendiriciler ve gürültülü kuvvetlendirici birimleri analogtur. Hüzme
anahtarlar içerir. TREA dizinin içerisine ön taraftan, SAM ise biçimlendirmenin yanında tüm genlik ve faz kaydırma
arka taraftan eklenir.
fonksiyonları da sayısal olarak gerçekleştirilir. Gönderilen
dalga şekilleri doğrudan sayısal sentezciler tarafından
5.3 IRIDIUM üretilir. Alınan işaretler çok hızlı analog sayısal
IRIDIUM küresel kişisel haberleşme sistemi, L bandında dönüştürücüler ile yakalanır. Çok büyük dizilerde hüzme
çalışan üç adet aktif faz dizili anten paneli içermektedir [19]. tarama için doğru zaman gecikmeleri sayısal olarak
Her bir faz dizisi paneli, eş zamanlı ve sabit 16 hüzme gerçekleştirilebilir. Açıkça görüldüğü üzere, bu mimari çok
oluşturmaktadır. Toplamda elde edilen 48 hüzme hızlı veri işleme gerektirmektedir.
kullanıcıları kapsamakta ve böylece kullanıcılar haberleşme
ağı yoluyla, uydu sistemi ile haberleşebilmektedir. 5.7 Akıllı Antenler
Her bir dizi paneli 100’ün üzerinde yama anten Akıllı (smart) antenler, en genel tanımıyla, sayısal işaret
içermektedir ve her bir anten bir verici/alıcı birimi ile işleme kapasitesine sahip; hüzme biçimlendirme, hüzme
beslenmektedir. Hüzme biçimlendirici yapısı sekiz adet tarama, sıfır noktası oluşturma, hüzme yönlendirme gibi
16×16 Butler matrisinden oluşmaktadır. işlevleri gerçekleştiren anten sistemleridir. Üç ana
elemandan oluşur: anten birimi, RF birimi ve DSP
5.4 CTS Dizileri algoritmaları. Son yıllarda kablosuz haberleşme
CTS (Continuous Transverse Stab) dizi yapısı uygun sistemlerinin oldukça yaygın kullanılmasıyla bazı
tasarlanmış, iki boyutlu elektronik tarama yapabilme gereksinimler ortaya çıkmış ve bu gereksinimlerin
yeteneğine sahip, düşük ağırlıklı ve düşük maliyetli, yürüyen karşılanması da bir takım problemleri beraberinde
dalgalı düzlemsel dizidir. getirmiştir. Bu problemler; kapasite, menzil, yüksek veri
aktarım oranı, hareketlilik (mobility), spektral verim ve
CTS elemanları düşük Q değerlerine sahiptir. Bu biyolojik etkilerin sınırlandırılması olarak özetlenebilir. Bu
nedenle, yarık veya yama antenlere göre bant genişliği, problemlerin üstesinden gelmenin yolu Akıllı Anten
polarizasyon saflığı ve tarama kapasitesi parametreleri Sistemlerinin (AAS) kullanılmasıdır. AAS ile hüzme istenilen
açısından önemli avantajlara sahiptir.
kullanıcıya yönlendirildiği gibi, istenilmeyen etkilerin
CTS dizisinde H düzlemi taraması, diziyi besleyen (girişim) azaltılması amacıyla, ilgilenilmeyen bölge yönünde
doğrusal verici/alıcı birimi aracılığıyla, dizinin paralel plaka anten kazancını en küçük kılıp, ışıma diyagramının sıfır
bölgesi içindeki yürüyen dalganın fazı değiştirilerek sağlanır. noktalarının buralara denk düşmesi sağlanabilir. Aynı
zamanda bu sistemler, çoklu yol (multipath) işaretlerini en
E düzleminde tarama ise paralel tabaka bölgesi içerisinde aza indirmek veya işaret/gürültü oranını geliştirebilmek için
etkin yayılma sabitinin değişimi kontrol edilerek sağlanır. H gerçek zamanda anten hüzmelerini uyarlayabilirler.
ve E düzlemi tarama teknikleri, birlikte iki boyutlu
elektronik tarama sağlarlar.
Akıllı anten sistemlerin üç çeşidi vardır: anahtarlamalı,
5.5 APAR faz dizili ve uyarlamalı (aktif) faz dizili. Anahtarlamalı hüzme
5
yapısında sabit bir hüzme, anahtarlar yardımıyla dizinin
Çok fonksiyonlu aktif faz dizili gemi radarı APAR Thales uygun elemanlarının kaydırılarak beslenmesi yoluyla
istenilen noktaya döndürülebilir. Basit bir yapısı olup, düşük
(Hollanda) firması tarafından geliştirilmiştir. X bandında
çalışan bu radarın 4 ana yüzü mevcut olup, her yüzünde çözünürlük gerektiren uygulamalarda kullanılabilir. Akıllı
3424 T/R modülü bulunmaktadır. Hacim arama mesafesi anten yapısı ile hüzme biçimlendirme ve yönlendirme
150 km, ufuk arama mesafesi 75 km olup, aynı anda 200 örneği Şekil 5’te gösterilmiştir.
hava hedefini, 150 su üstü hedefini, angajman, arama ve Faz dizili yapı pasif bir yapı olup, faz kaydırıcılarla tek bir
hüzmenin döndürülmesi işlemidir. Bu yapı anahtarlamalı
5 Active Phased Array Radar
http://www.bilgem.tubitak.gov.tr/ 117