10 - Radar Vericileri ve Alıcıları: Mimari ve Teknolojiler
Radar vericisi ve alıcısı, sistemin enerji üretim ve algılama kalbidir. Verici, düşük güçlü dalga formunu milyonlarca kata kadar güçlendirir; alıcı ise mikrowatt seviyesindeki yankıları algılar ve işler. Bu makalede, yüksek güç amplifikatörlerinden dalga formu üretecilerine, duplexer'lardan farklı sistem mimarilerine kadar verici-alıcı teknolojilerini inceleyeceğiz.
Verici-Alıcı Genel Yapısı
Basitleştirilmiş blok diyagramı:
Verici zinciri:
Dalga formu üreteci → Yukarı dönüştürme → Güçlendirme → Duplexer → Anten
Alıcı zinciri:Anten → Duplexer → Filtreleme → Güçlendirme → Aşağı dönüştürme → A/D dönüştürücü
Güç seviyeleri dramatik ölçüde değişir:
• Dalga formu üreteci: mV seviyesi
• Verici çıkışı: kW - MW
• Alınan eko: µW - mW
• Toplam dinamik aralık: ~90 dB
Radar Denkleminde Verici-Alıcı
SNR = (P_avg × G² × λ² × σ) / ((4π)³ × R⁴ × k × T_s × L × B)
Verici-alıcı bileşenleri:
• P_avg (ortalama güç): daha yüksek = daha iyi
• T_s (sistem gürültü sıcaklığı): daha düşük = daha iyi
• L (kayıplar): daha düşük = daha iyi
Bu parametrelerin optimizasyonu, verici-alıcı tasarımının temel hedefidir.
Yüksek Güç Amplifikatörleri
Güçlendirme genellikle kademeli olarak yapılır:
1. Sürücü amplifikatörleri: watt seviyesi
2. Ara aşamalar: yüzlerce watt
3. Son aşama (HPA): kilowatt - megawatt
İki temel topoloji:
• Seri: aşamalar ardışık olarak bağlı (tek yol)
• Paralel: çoklu HPA'lar birleştirilir (daha fazla güç, daha karmaşık)
Vakum Tüp Amplifikatörleri
Tür örnekleri:
• Klystron: çok yüksek güç (MW), dar bant
• Gezici dalga tüpü (TWT): geniş bant, orta güç (yüz kW)
• Crossed-field amplifikatör: kompakt, yüksek verimlilik
Karakteristikler:
• Çok yüksek tepe güç (MW)
• Düşük görev çevrimi (%1-10)
• Birim başına yüksek maliyet ($300-500K)
• Büyük fiziksel boyut
• Watt başına düşük maliyet ($1-3)
Örnek: Millstone Radar
• 2 klystron, L-band (1.3 GHz)
• 3 MW tepe güç, 120 kW ortalama güç
• Tüp: 7 ft yükseklik, 600 lb ağırlık, $400K maliyet
• 84 ft çap parabolik anten, 42 dB kazanç
Katı Hal Amplifikatörleri
Karakteristikler:
• Düşük tepe güç (10-1000 W per modül)
• Yüksek görev çevrimi (%20-100)
• Birim başına düşük maliyet ($100-1000)
• Küçük fiziksel boyut
• Watt başına yüksek maliyet (aktif dizilerde $50-100)
Örnek: PAVE PAWS
• 1792 aktif T/R modülü
• 340 W tepe güç/modül
• 75 ft çap faz dizisi
• >150.000 saat MTBF
Duplexer
Duplexer, verici ve alıcı arasında kritik izolasyon sağlayan bir anahtardır. Gereksinimler:
• Verici açıkken: anten vericiye bağlı, alıcı korumalı
• Alım sırasında: anten alıcıya bağlı, verici kesilmiş
• İzolasyon: ~90 dB (MW'dan µW'a)
Alıcı koruması için ek limiter devreleri kullanılır - güçlü bir sinyal alıcıya sızarsa, limiter onu güvenli seviyelere keser.
Dalga Formu Üreteci ve Frekans Dönüştürme
Dalga formu üreteci, radarın ilettiği modüle edilmiş sinyali oluşturur. Düşük frekansta
(<100 MHz) üretim:
• Daha stabil
• Daha ucuz
• Daha iyi kontrol
Ardından yukarı dönüştürme ile mikrodalga frekansına taşınır:
f_out = f_LO + f_IF (yukarı dönüştürme)
f_IF = f_RF - f_LO (aşağı dönüştürme)
Burada LO yerel osilatör, IF ara frekans ve RF radyo frekansıdır.
Aşağı dönüştürme avantajları:
• A/D dönüştürücüler düşük frekansta daha iyi dinamik aralık sunar
• Dijital işleme daha kolay
• Maliyet daha düşük
Sistem Mimarileri
Çanak Radar
Yapı:
• Merkezi verici (genellikle tüp)
• Merkezi alıcı
• Dalga kılavuzu ile antene bağlantı
• Mekanik tarama
Avantajlar:
• En düşük maliyet
• Basit tasarım
• Frekans değişimi kolay
Dezavantajlar:
• Tek hedefe odaklı
• Yavaş tarama
• Yüksek dalga kılavuzu kayıpları
• Özel verici gerekli
Pasif Faz Dizisi
Yapı:
• Merkezi verici
• Ferrit faz kaydırıcılar her elemanda
• Kurumsal besleme ağı
Avantajlar:
• Işın çevikliği (µs seviyesinde)
• Esnek kaynak yönetimi
Dezavantajlar:
• Besleme ağı kayıpları
• Yüksek güç faz kaydırıcılar gerekli
• Çanak radardan daha yüksek maliyet
Aktif Faz Dizisi (AESA)
Yapı:
• Her elemanda T/R modülü
• Katı hal amplifikatörler
• Dağıtık verici ve alıcı
Avantajlar:
• Düşük kayıp (amplifikatör antende)
• Yüksek güvenilirlik (graceful degradation)
• Işın çevikliği ve kaynak yönetimi
Dezavantajlar:
• En yüksek maliyet
• Karmaşık soğutma sistemi
• Uzun tasarım süresi
Dijital Dizi
Gelişmiş yapı:
• Dijital alımda: her elemanda A/D
• Dijital verici ve alıcıda: T/R modülünde dalga formu üretimi
Avantajlar:
• Çoklu eşzamanlı ışın oluşturma
• Tam adaptif işleme yeteneği
• Maksimum esneklik
Dezavantajlar:
• En yüksek hesaplama gereksinimi
• En yüksek karmaşıklık
• Gelişmekte olan teknoloji
Aktif T/R Modülü Yapısı
Tipik bir T/R modülü:
• Düşük güç girişi (dalga formu üretecinden)
• Sürücü amplifikatör
• Yüksek güç amplifikatör (10-100W katı hal)
• T/R anahtarı (duplexer)
• Düşük gürültülü amplifikatör (LNA)
• Faz kaydırıcı
• Kontrol elektroniği
Tüm bu bileşenler, küçük bir modülde (birkaç inç) entegre edilir ve soğutma, güç ve kontrol hatları ile beslenir.
Sonuç
Radar vericileri ve alıcıları, performansı doğrudan belirleyen kritik alt sistemlerdir. Vakum tüp amplifikatörleri çok yüksek güç sağlar ancak büyük, pahalı ve düşük görev çevrimlidir. Katı hal amplifikatörler kompakt ve güvenilirdir ancak birim güç maliyeti yüksektir. Duplexer, milyonlarca watt ile mikrowatt'lar arasında izolasyon sağlamalıdır. Frekans dönüştürme, düşük frekansta dalga formu üretimi ve işleme avantajları sunar. Mimari seçimi - çanak, pasif dizi, aktif dizi veya dijital dizi - maliyet, performans ve esneklik arasında temel değiş-tokuşları içerir. Aktif ve dijital diziler geleceğin teknolojileri olarak öne çıkmakta, ancak belirli uygulamalar için çanak ve pasif diziler maliyet etkin çözümler olmaya devam etmektedir.