РАДАР - это система обнаружения на основе электромагнитного излучения, которая излучает электромагнитные волны и затем изучает эхо или отраженные обратные волны.

Полная форма RADAR является RAдио Dобнаружение And Rгнев. Обнаружение относится к тому, присутствует ли цель или нет. Цель может быть неподвижной или подвижной, т. Е. Нестационарной. Под дальностью понимается расстояние между радаром и целью.

Радары могут использоваться для различных целей на земле, в море и в космосе. Вapplications радаров перечислены ниже.

• Управление воздушным движением
• Безопасность на судне
• Чувствуя отдаленные места
• Военное применение

В любом приложении Radar основной принцип остается неизменным. Давайте теперь обсудим принцип работы радара.

Основной принцип радара

Радар используется для обнаружения объектов и определения их местоположения. Мы можем понятьbasic principle радара со следующего рисунка.

Как показано на рисунке, радар в основном состоит из передатчика и приемника. Он использует одну и ту же антенну как для передачи, так и для приема сигналов. Функцияtransmitter заключается в передаче радиолокационного сигнала в направлении присутствующей цели.

Цель отражает полученный сигнал в разных направлениях. Сигнал, который отражается обратно в Антенну, принимаетсяreceiver.

Терминология радиолокационных систем

Ниже приведены основные термины, которые используются в этом руководстве.

• Range
• Частота повторения импульсов
• Максимальный однозначный диапазон
• Минимальный диапазон

Теперь давайте обсудим эти основные термины один за другим.

Спектр

Расстояние между радаром и целью называется Range цели или просто дальности, R. Мы знаем, что радар передает сигнал на цель, и, соответственно, цель посылает на радар эхо-сигнал со скоростью света C.

Пусть время, необходимое для прохождения сигнала от радара к цели и обратно к радару, будет «T». Двустороннее расстояние между радаром и целью будет 2R, так как расстояние между радаром и целью равно R.

Теперь следующая формула для Speed.

$$Speed= \frac{Distance}{Time}$$

$$\Rightarrow Distance=Speed\times Time$$

$$\Rightarrow 2R=C\times T$$

$$R=\frac{CT}{2}\:\:\:\:\:Equation\:1$$

Мы можем найти range of the target путем подстановки значений C & T в уравнение 1.

Частота повторения импульсов

Радиолокационные сигналы должны передаваться при каждом тактовом импульсе. Длительность между двумя тактовыми импульсами должна быть правильно выбрана таким образом, чтобы эхо-сигнал, соответствующий текущему тактовому импульсу, должен был быть получен до следующего тактового импульса. ТипичныйRadar wave form показано на следующем рисунке.

Как показано на рисунке, радар передает периодический сигнал. Он имеет серию узких импульсов прямоугольной формы. Временной интервал между последовательными тактовыми импульсами называетсяpulse repetition time, $T_P$.

Обратная величина времени повторения импульсов называется pulse repetition frequency, $f_P$. Математически это можно представить как

$$f_P=\frac{1}{T_P}\:\:\:\:\:Equation\:2$$

Следовательно, частота повторения импульсов - это не что иное, как частота, с которой радар передает сигнал.

Максимальный однозначный диапазон

Мы знаем, что сигналы радара должны передаваться при каждом тактовом импульсе. Если мы выберем меньшую длительность между двумя тактовыми импульсами, то эхо-сигнал, соответствующий текущему тактовому импульсу, будет получен после следующего тактового импульса. Из-за этого дальность действия цели кажется меньше реальной.

Итак, мы должны выбрать длительность между двумя тактовыми импульсами таким образом, чтобы эхо-сигнал, соответствующий текущему тактовому импульсу, был принят до начала следующего тактового импульса. Тогда мы получим истинный диапазон цели, который также называется максимальной однозначной дальностью цели или просто,maximum unambiguous range.

Замена, $R=R_{un}$ и $T=T_P$ в уравнении 1.

$$R_{un}=\frac{CT_P}{2}\:\:\:\:\:Equation\:3$$

Из уравнения 2 мы получим время повторения импульсов, $T_P$ как величина, обратная частоте следования импульсов, $f_P$. Mathematically, его можно представить как

$$T_P=\frac{1}{f_P}\:\:\:\:\:Equation\:4$$

Замените уравнение 4 на уравнение 3.

$$R_{un}=\frac{C\left ( \frac{1}{f_P} \right )}{2}$$

$$R_{un}=\frac{C}{2f_P}\:\:\:\:\:Equation\:5$$

Мы можем использовать либо уравнение 3, либо уравнение 5 для расчета максимального однозначного диапазона цели.

• Получим значение максимальной однозначной дальности цели, $R_{un}$ подставив значения $C$ и $T_P$ в уравнении 3.

• Аналогичным образом мы получим значение максимальной однозначной дальности цели, $R_{un}$ подставив значения $C$ и $f_P$ в уравнении 5.

Минимальный диапазон

Мы получим minimum rangeцели, когда мы рассматриваем время, необходимое для приема эхо-сигнала на радаре после того, как сигнал передается с радара, как ширину импульса. Его еще называют кратчайшей дальностью до цели.

Замена, $R=R_{min}$ и $T=\tau$ в уравнении 1.

$$R_{min}=\frac{C\tau}{2}\:\:\:\:\:Equation\:6$$

Получим значение минимальной дальности цели, $R_{min}$ подставив значения $C$ и $\tau$ в уравнении 6.

Уравнение дальности действия радара полезно для определения дальности цели. theoretically. В этой главе мы обсудим стандартную форму уравнения дальности радара, а затем обсудим две модифицированные формы уравнения дальности радара.

Мы получим эти модифицированные формы уравнения дальности радара из стандартной формы уравнения дальности радара. Теперь давайте обсудим вывод стандартной формы уравнения дальности радара.

Вывод уравнения дальности действия радара

Стандартная форма уравнения дальности радара также называется простой формой уравнения дальности радара. Теперь давайте выведем стандартную форму уравнения дальности действия радара.

Мы знаем это power densityесть не что иное, как соотношение мощности и площади. Итак, удельная мощность,$P_{di}$ на расстоянии R от радара можно математически представить как -

$$P_{di}=\frac{P_t}{4\pi R^2}\:\:\:\:\:Equation\:1$$

Где,

$P_t$

Вышеуказанная плотность мощности действительна для изотропной антенны. Как правило, в радарах используются направленные антенны. Следовательно, плотность мощности,$P_{dd}$ из-за направленной антенны будет -

$$P_{dd}=\frac{P_tG}{4\pi R^2}\:\:\:\:\:Equation\:2$$

Цель излучает мощность в разных направлениях от полученной входной мощности. Количество энергии, которое отражается обратно к радару, зависит от его поперечного сечения. Итак, удельная мощность$P_{de}$ эхо-сигнала на радаре можно математически представить как -

$$P_{de}=P_{dd}\left (\frac{\sigma}{4\pi R^2}\right )\:\:\:\:\:Equation\:3$$ Замените уравнение 2 на уравнение 3.

$$P_{de}=\left (\frac{P_tG}{4\pi R^2}\right )\left (\frac{\sigma}{4\pi R^2}\right )\:\:\:\:\:Equation\:4$$

Количество power, $P_r$ received по радару зависит от эффективной апертуры, $A_e$ приемной антенны.

$$P_r=P_{de}A_e\:\:\:\:\:Equation\:5$$

Подставим уравнение 4 в уравнение 5.

$$P_r=\left (\frac{P_tG}{4\pi R^2}\right )\left (\frac{\sigma}{4\pi R^2}\right )A_e$$

$$\Rightarrow P_r=\frac{P_tG\sigma A_e}{\left (4\pi\right )^2 R^4}$$

$$\Rightarrow R^4=\frac{P_tG\sigma A_e}{\left (4\pi\right )^2 P_r}$$

$$\Rightarrow R=\left [\frac{P_tG\sigma A_e}{\left (4\pi\right )^2 P_r}\right ]^{1/4}\:\:\:\:\:Equation\:6$$

Стандартная форма уравнения дальности действия радара

Если мощность эхо-сигнала меньше, чем мощность минимально обнаруживаемого сигнала, то радар не может обнаружить цель, так как он выходит за максимальный предел дальности действия радара.

Следовательно, мы можем сказать, что дальность до цели считается максимальной, когда принимаемый эхо-сигнал имеет мощность, равную мощности минимально обнаруживаемого сигнала. Мы получим следующее уравнение, подставив$R=R_{Max}$ и $P_r=S_{min}$ в уравнении 6.

$$R_{Max}=\left [\frac{P_tG\sigma A_e}{\left (4\pi\right )^2 S_{min}}\right ]^{1/4}\:\:\:\:\:Equation\:7$$

Уравнение 7 представляет standard formуравнения дальности радара. Используя приведенное выше уравнение, мы можем найти максимальную дальность до цели.

Модифицированные формы уравнения дальности действия радара

Нам известно следующее соотношение между усилением направленной антенны, $G$ и эффективная диафрагма, $A_e$.

$$G=\frac{4\pi A_e}{\lambda^2}\:\:\:\:\:Equation\:8$$

Подставим уравнение 8 в уравнение 7.

$$R_{Max}=\left [ \frac{P_t\sigma A_e}{\left ( 4\pi \right )^2S_{min}}\left ( \frac{4\pi A_e}{\lambda^2} \right ) \right ]^{1/4}$$

$$\Rightarrow R_{Max}=\left [\frac{P_tG\sigma {A_e}^2}{4\pi \lambda^2 S_{min}}\right ]^{1/4}\:\:\:\:\:Equation\:9$$

Уравнение 9 представляет modified formуравнения дальности радара. Используя приведенное выше уравнение, мы можем найти максимальную дальность до цели.

Мы получим следующее соотношение между эффективной апертурой, $A_e$ и усиление направленной антенны, $G$ из уравнения 8.

$$A_e=\frac{G\lambda^2}{4\pi}\:\:\:\:\:Equation\:10$$

Подставим уравнение 10 в уравнение 7.

$$R_{Max}=\left [\frac{P_tG\sigma}{\left (4\pi\right )^2 S_{min}}(\frac{G\lambda^2}{4\pi})\right ]^{1/4}$$

$$\Rightarrow R_{Max}=\left [\frac{P_tG^2 \lambda^2 \sigma}{\left (4\pi\right )^2 S_{min}}\right ]^{1/4}\:\:\:\:\:Equation\:11$$

Уравнение 11 представляет another modified form уравнения дальности радара. Используя приведенное выше уравнение, мы можем найти максимальную дальность до цели.

Note - Исходя из приведенных данных, мы можем найти максимальную дальность до цели, используя одно из этих трех уравнений, а именно

• Уравнение 7
• Уравнение 9
• Уравнение 11

Примеры проблем

В предыдущем разделе мы получили стандартную и модифицированную формы уравнения дальности радара. Теперь давайте решим несколько задач, используя эти уравнения.

Проблема 1

Рассчитайте maximum range of Radar для следующих спецификаций -

• Пиковая мощность, передаваемая радаром, $P_t=250KW$
• Коэффициент усиления передающей антенны, $G=4000$
• Эффективная апертура приемной антенны, $A_e=4\:m^2$
• Радиолокационное сечение цели, $\sigma=25\:m^2$
• Мощность минимально обнаруживаемого сигнала, $S_{min}=10^{-12}W$

Решение

Мы можем использовать следующие standard form уравнения дальности действия радара, чтобы рассчитать максимальную дальность действия радара для заданных характеристик.

$$R_{Max}=\left [\frac{P_tG \sigma A_e}{\left (4\pi \right )^2 S_{min}}\right ]^{1/4}$$

Substitute все указанные параметры в приведенном выше уравнении.

$$R_{Max}=\left [\frac{ \left ( 250\times 10^3 \right )\left ( 4000 \right )\left ( 25 \right )\left ( 4 \right )}{\left ( 4\pi \right )^2 \left ( 10^{-12} \right )} \right ]^{1/4}$$

$$\Rightarrow R_{Max}=158\:KM$$

Следовательно maximum range of Radar для данных спецификаций $158\:KM$.

Проблема 2

Рассчитайте maximum range of Radar для следующих спецификаций.

• Рабочая частота, $f=10GHZ$
• Пиковая мощность, передаваемая радаром, $P_t=400KW$
• Эффективная апертура приемной антенны, $A_e=5\:m^2$
• Радиолокационное сечение цели, $\sigma=30\:m^2$
• Мощность минимально обнаруживаемого сигнала, $S_{min}=10^{-10}W$

Решение

Нам известна следующая формула для operating wavelength, $\lambda$ по рабочей частоте, ф.

$$\lambda =\frac{C}{f}$$

Замена, $C=3\times 10^8m/sec$ и $f=10GHZ$ в приведенном выше уравнении.

$$\lambda =\frac{3\times 10^8}{10\times 10^9}$$

$$\Rightarrow \lambda=0.03m$$

Так что operating wavelength,$\lambda$ равно $0.03m$, когда рабочая частота, $f$ является $10GHZ$.

Мы можем использовать следующие modified form уравнения дальности действия радара, чтобы рассчитать максимальную дальность действия радара для заданных характеристик.

$$R_{Max}=\left [\frac{P_t \sigma {A_e}^2}{4\pi \lambda^2 S_{min}}\right ]^{1/4}$$

Substitute, данные параметры в приведенном выше уравнении.

$$R_{Max}=\left [ \frac{\left ( 400\times 10^3 \right )\left ( 30 \right )\left ( 5^2 \right )}{4\pi\left ( 0.003 \right )^2\left ( 10 \right )^{-10}} \right ]^{1/4}$$

$$\Rightarrow R_{Max}=128KM$$

Следовательно maximum range of Radar для данных спецификаций $128\:KM$.

Факторы, которые влияют на производительность радара, известны как факторы производительности радара. В этой главе давайте обсудим эти факторы. Мы знаем, что следующиеstandard form уравнения дальности действия радара, которое полезно для расчета максимальной дальности действия радара для заданных характеристик.

$$R_{Max}=\left [\frac{P_tG\sigma A_e}{\left (4\pi\right )^2 S_{min}}\right ]^{1/4}$$

Где,

$P_t$ пиковая мощность, передаваемая радаром

$G$ усиление передающей антенны

$\sigma$ радиолокационное сечение цели

$A_e$ эффективная апертура приемной антенны

$S_{min}$ мощность минимально обнаруживаемого сигнала

Из приведенного выше уравнения можно сделать вывод, что следующее conditions следует учитывать, чтобы получить максимальную дальность действия радара.

• Пиковая мощность, передаваемая радаром $P_t$ должен быть высоким.
• Коэффициент усиления передающей антенны $G$ должен быть высоким.
• Радиолокационное сечение цели $\sigma$ должен быть высоким.
• Эффективная апертура приемной антенны $A_e$ должен быть высоким.
• Мощность минимально обнаруживаемого сигнала $S_{min}$ должно быть низким.

Трудно предсказать дальность до цели из стандартной формы уравнения дальности радара. Это означает, что степень точности, обеспечиваемая уравнением дальности радара относительно дальности цели, меньше. Потому что такие параметры, как сечение радара цели,$\sigma$ и минимально обнаруживаемый сигнал, $S_{min}$ находятся statistical in nature.

Минимальный обнаруживаемый сигнал

Если эхо-сигнал имеет минимальную мощность, обнаружение этого сигнала радаром называется minimum detectable signal. Это означает, что радар не может обнаружить эхо-сигнал, если этот сигнал имеет меньшую мощность, чем минимальная мощность.

Как правило, радар принимает эхо-сигнал в дополнение к шуму. Если пороговое значение используется для обнаружения присутствия цели по принятому сигналу, то это обнаружение называетсяthreshold detection.

Мы должны выбрать правильное пороговое значение в зависимости от силы обнаруживаемого сигнала.

• Если мощность детектируемого сигнала высока, следует выбирать высокое пороговое значение, чтобы исключить присутствующий в нем нежелательный шумовой сигнал.

• Точно так же следует выбирать низкое пороговое значение, когда мощность обнаруживаемого сигнала низкая.

Следующее figure иллюстрирует эту концепцию -

А typical waveformрадиолокационного приемника показан на рисунке выше. Ось x и ось y представляют время и напряжение соответственно. Среднеквадратичное значение шума и пороговое значение обозначены пунктирными линиями на рисунке выше.

Мы рассмотрели три точки, A, B и C на приведенном выше рисунке, для идентификации действительных и отсутствующих обнаружений.

• Значение сигнала в точке A больше порогового значения. Следовательно, этоvalid detection.

• Значение сигнала в точке B равно пороговому значению. Следовательно, этоvalid detection.

• Несмотря на то, что значение сигнала в точке C ближе к пороговому значению, это missing detection. Потому что значение сигнала в точке C меньше порогового значения.

Итак, точки A и B являются действительными обнаружениями. Тогда как точка C - это пропущенное обнаружение.

Шум приемника

Если приемник создает шумовую составляющую в сигнал, который принимается приемником, то такой шум называется шумом приемника. Вreceiver noiseявляется нежелательным компонентом; мы должны попытаться устранить это с некоторыми предосторожностями.

Однако существует один вид шума, известный как тепловой шум. Это происходит за счет теплового движения электронов проводимости. Математически мы можем написатьthermal noise power, $N_i$ производится на ресивере как -

$$N_i=KT_oB_n$$

Где,

$K$ - постоянная Больцмана и равна $1.38\times 10^{-23}J/deg$

$T_o$ - абсолютная температура и равна $290^0K$

$B_n$ ширина полосы приемника

Рисунок заслуг

В Figure of Merit, F - не что иное, как отношение входного SNR, $(SNR)_i$ и выходной сигнал / шум, $(SNR)_o$. Математически это можно представить как -

$$F=\frac{(SNR)_i}{(SNR)_o}$$

$$\Rightarrow F=\frac{S_i/N_i}{S_o/N_o}$$

$$\Rightarrow F=\frac{N_oS_i}{N_iS_o}$$

$$\Rightarrow S_i=\frac{FN_iS_o}{N_o}$$

Замена, $N_i=KT_oB_n$ в приведенном выше уравнении.

$$\Rightarrow S_i=FKT_oB_n\left ( \frac{S_o}{N_o}\right )$$

Мощность входного сигнала будет иметь минимальное значение, когда выходное отношение сигнал / шум имеет минимальное значение.

$$\Rightarrow S_{min}=FKT_oB_n\left ( \frac{S_o}{N_o}\right )_{min}$$

Заменить, указанное выше $S_{min}$ в следующей стандартной форме уравнения дальности действия радара.

$$R_{Max}=\left [\frac{P_tG\sigma A_e}{\left (4\pi\right )^2 S_{min}}\right ]^{1/4}$$

$$\Rightarrow R_{Max}=\left [\frac{P_tG\sigma A_e}{\left (4\pi\right )^2 FKT_oB_n\left ( \frac{S_o}{N_o}\right )_{min}}\right ]^{1/4}$$

Из приведенного выше уравнения можно сделать вывод, что следующее conditions следует учитывать, чтобы получить максимальную дальность действия радара.

• Пиковая мощность, передаваемая радаром, $P_t$ должен быть высоким.
• Коэффициент усиления передающей антенны $G$ должен быть высоким.
• Радиолокационное сечение цели $\sigma$ должен быть высоким.
• Эффективная апертура приемной антенны $A_e$ должен быть высоким.
• Показатель качества F должен быть низким.
• Пропускная способность приемника $B_n$ должно быть низким.

В этой главе мы кратко обсудим различные типы радара. В этой главе содержится краткая информация о типах радаров. Радары можно разделить на следующиеtwo types в зависимости от типа сигнала, с которым может работать радар.

• Импульсный радар
• Радар непрерывного действия

Теперь давайте поговорим об этих двух типах радаров один за другим.

Импульсный радар

Радар, работающий с импульсным сигналом, называется Pulse Radar. Импульсные радары можно разделить на следующие два типа в зависимости от типа обнаруживаемой цели.

• Базовый импульсный радар
• Радар индикации движущихся целей

Давайте теперь кратко обсудим два радара.

Базовый импульсный радар

Радар, работающий с импульсным сигналом для обнаружения неподвижных целей, называется Basic Pulse Radarили просто Pulse Radar. Он использует одну антенну для передачи и приема сигналов с помощью дуплексера.

Антенна будет передавать импульсный сигнал при каждом тактовом импульсе. Длительность между двумя тактовыми импульсами должна быть выбрана таким образом, чтобы эхо-сигнал, соответствующий текущему тактовому импульсу, приходился до следующего тактового импульса.

Радар индикации движущихся целей

Радар, который работает с импульсным сигналом для обнаружения нестационарных целей, называется радаром индикации движущихся целей или просто, MTI Radar. Он использует одну антенну для передачи и приема сигналов с помощью дуплексера.

MTI Radar использует принцип Doppler effect для отличия нестационарных целей от неподвижных объектов.

Радар непрерывного действия

Радар, который работает с непрерывным сигналом или волной, называется Continuous Wave Radar. Они используют эффект Доплера для обнаружения нестационарных целей. Радары непрерывного действия можно разделить на следующие два типа.

• Немодулированный радар непрерывного излучения
• Радиолокатор непрерывного действия с частотной модуляцией

Теперь давайте кратко обсудим два радара.

Немодулированный радар непрерывного излучения

Радар, который работает с непрерывным сигналом (волной) для обнаружения нестационарных целей, называется немодулированным радаром непрерывной волны или просто, CW Radar. Его также называют CW Doppler Radar.

Для этого радара требуются две антенны. Из этих двух антенн одна антенна используется для передачи сигнала, а другая антенна используется для приема сигнала. Он измеряет только скорость цели, но не расстояние до цели от радара.

Радиолокатор непрерывного действия с частотной модуляцией

Если CW доплеровский радар использует частотную модуляцию, то этот радар называется частотно-модулированной непрерывной волной. (FMCW)Радар или доплеровский радар FMCW. Его также называют радаром с непрерывной частотной модуляцией или CWFM-радаром.

Для этого радара требуются две антенны. Среди них одна антенна используется для передачи сигнала, а другая антенна - для приема сигнала. Он измеряет не только скорость цели, но и расстояние до цели от радара.

В наших последующих главах мы подробно обсудим работу всех этих радаров.

Радар, который работает с импульсным сигналом для обнаружения неподвижных целей, называется базовым импульсным радаром или просто, Pulse Radar. В этой главе давайте обсудим работу импульсного радара.

Блок-схема импульсного радара

Импульсный радар использует одну антенну как для передачи, так и для приема сигналов с помощью дуплексера. Ниже приводитсяblock diagram импульсного радара -

Давайте теперь посмотрим function каждого блока Pulse Radar -

• Pulse Modulator - Он вырабатывает импульсно-модулированный сигнал и подается на передатчик.

• Transmitter - Он передает импульсно-модулированный сигнал, который представляет собой последовательность повторяющихся импульсов.

• Duplexer- Это микроволновый переключатель, который попеременно подключает антенну к секции передатчика и секции приемника. Антенна передает сигнал с импульсной модуляцией, когда дуплексер подключает антенну к передатчику. Точно так же сигнал, принимаемый антенной, будет передан на малошумящий РЧ-усилитель, когда дуплексер подключает антенну к малошумящему РЧ-усилителю.

• Low Noise RF Amplifier- Усиливает слабый радиочастотный сигнал, принимаемый антенной. Выход этого усилителя подключен к микшеру.

• Local Oscillator- Выдает сигнал стабильной частоты. Выход локального осциллятора подключен к микшеру.

• Mixer- Мы знаем, что микшер может производить как сумму, так и разность приложенных к нему частот. Среди которых разница частот будет иметь тип промежуточной частоты (IF).

• IF Amplifier- Усилитель ПЧ усиливает сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Усилитель ПЧ, показанный на рисунке, допускает только промежуточную частоту, которая получается от микшера и усиливает ее. Это улучшает отношение сигнал / шум на выходе.

• Detector - Демодулирует сигнал, который получается на выходе усилителя ПЧ.

• Video Amplifier - Как следует из названия, усиливает видеосигнал, получаемый на выходе детектора.

• Display - В общем, он отображает усиленный видеосигнал на экране ЭЛТ.

В этой главе мы обсудили, как работает импульсный радар и как он полезен для обнаружения неподвижных целей. В наших последующих главах мы обсудим радары, которые полезны для обнаружения нестационарных целей.

В этой главе мы узнаем об эффекте Доплера в радиолокационных системах.

Если цель не неподвижна, то будет изменение частоты сигнала, который передается с радара и принимается радаром. Этот эффект известен какDoppler effect.

Согласно эффекту Доплера, мы получим следующие два возможных случая:

• В frequency полученного сигнала будет increase, когда цель движется в направлении радара.

• В frequency полученного сигнала будет decrease, когда цель удаляется от радара.

Теперь давайте выведем формулу для доплеровской частоты.

Вывод доплеровской частоты

Расстояние между радаром и целью - не что иное, как Range цели или просто дальности R. Следовательно, общее расстояние между радаром и целью в двустороннем канале связи будет 2R, поскольку радар передает сигнал цели и, соответственно, цель отправляет эхо-сигнал на радар.

Если $\lambda$ - одна длина волны, то количество длин волн N, присутствующих на пути двусторонней связи между радаром и целью, будет равно $2R/\lambda$.

Мы знаем, что одна длина волны $\lambda$ соответствует угловому вылету $2\pi$радианы. Так чтоtotal angle of excursion создаваемое электромагнитной волной во время двусторонней связи между радаром и целью будет равно $4\pi R/\lambda$ радианы.

Ниже приводится математическая формула для angular frequency, $\omega$ -

$$\omega=2\pi f\:\:\:\:\:Equation\:1$$

Следующее уравнение показывает математическую зависимость между угловой частотой. $\omega$ и фазовый угол $\phi$ -

$$\omega=\frac{d\phi }{dt}\:\:\:\:\:Equation\:2$$

Equate члены правой части уравнения 1 и уравнения 2, поскольку члены левой части этих двух уравнений одинаковы.

$$2\pi f=\frac{d\phi }{dt}$$

$$\Rightarrow f =\frac{1}{2\pi}\frac{d\phi }{dt}\:\:\:\:\:Equation\:3$$

Substitute,$f=f_d$ и $\phi=4\pi R/\lambda$ в уравнении 3.

$$f_d =\frac{1}{2\pi}\frac{d}{dt}\left ( \frac{4\pi R}{\lambda} \right )$$

$$\Rightarrow f_d =\frac{1}{2\pi}\frac{4\pi}{\lambda}\frac{dR}{dt}$$

$$\Rightarrow f_d =\frac{2V_r}{\lambda}\:\:\:\:\:Equation\:4$$

Где,

$f_d$ доплеровская частота

$V_r$ относительная скорость

Мы можем найти значение доплеровской частоты $f_d$ подставив значения $V_r$ и $\lambda$ в уравнении 4.

Substitute, $\lambda=C/f$ в уравнении 4.

$$f_d =\frac{2V_r}{C/f}$$

$$\Rightarrow f_d =\frac{2V_rf}{C}\:\:\:\:\:Equation\:5$$

Где,

$f$ частота передаваемого сигнала

$C$ скорость света и она равна $3\times 10^8m/sec$

Мы можем найти значение доплеровской частоты, $f_d$ подставив значения $V_r,f$ и $C$ в уравнении 5.

Note - И уравнение 4, и уравнение 5 показывают формулы доплеровской частоты, $f_d$. Мы можем использовать уравнение 4 или 5 для нахожденияDoppler frequency, $f_d$ на основании приведенных данных.

Пример проблемы

Если радар работает на частоте $5GHZ$, затем найдите Doppler frequency самолета, движущегося со скоростью 100 км / ч.

Решение

Дано,

Частота передаваемого сигнала, $f=5GHZ$

Скорость самолета (цель), $V_r=100KMph$

$$\Rightarrow V_r=\frac{100\times 10^3}{3600}m/sec$$

$$\Rightarrow V_r=27.78m/sec$$

Мы преобразовали заданную скорость самолета (цели), выраженную в км / ч, в ее эквивалент м / сек.

Мы знаем, что скорость света, $C=3\times 10^8m/sec$

Теперь следующее formula for Doppler frequency -

$$f_d=\frac{2Vrf}{C}$$

Substitute значения ð ?? '‰ ð ??' Ÿ, $V_r,f$ и $C$ в приведенном выше уравнении.

$$\Rightarrow f_d=\frac{2\left ( 27.78 \right )\left ( 5\times 10^9 \right )}{3\times 10^8}$$

$$\Rightarrow f_d=926HZ$$

Следовательно, значение Doppler frequency, $f_d$ является $926HZ$ для заданных спецификаций.

Базовый радар использует одну и ту же антенну как для передачи, так и для приема сигналов. Мы можем использовать этот тип радара, когда цель неподвижна, то есть не движется, и / или когда этот радар может работать с импульсным сигналом.

Радар, который работает с непрерывным сигналом (волной) для обнаружения нестационарных целей, называется Continuous Wave Radar или просто CW Radar. Для этого радара требуются две антенны. Среди них одна антенна используется для передачи сигнала, а другая антенна - для приема сигнала.

Блок-схема CW Radar

Мы знаем, что CW доплеровский радар содержит две антенны - передающую антенну и приемную антенну. На следующем рисунке показанblock diagram CW Radar -

Блок-схема CW Doppler Radar содержит набор блоков и function каждого блока упоминается ниже.

• CW Transmitter - Он выдает аналоговый сигнал с частотой $f_o$. Выход CW-передатчика подключен как к передающей антенне, так и к микшеру-I.

• Local Oscillator - Он выдает сигнал с частотой $f_l$. Выход локального осциллятора подключен к Mixer-I.

• Mixer-I- Смеситель может производить как сумму, так и разницу частот, которые к нему применяются. Сигналы с частотами$f_o$ и $f_l$применяются к Mixer-I. Итак, Mixer-I будет выдавать выходной сигнал с частотами$f_o+f_l$ или же $f_o−f_l$.

• Side Band Filter- Как следует из названия, фильтр боковой полосы позволяет использовать определенные частоты боковой полосы - либо частоты верхней боковой полосы, либо частоты нижней боковой полосы. Фильтр боковой полосы, показанный на рисунке выше, производит только частоту верхней боковой полосы, т. Е.$f_o+f_l$.

• Mixer-II- Смеситель может производить как сумму, так и разницу частот, которые к нему применяются. Сигналы с частотами$f_o+f_l$ и $f_o\pm f_d$применяются к Mixer-II. Таким образом, Mixer-II будет выдавать выходной сигнал с частотами 2$f_o+f_l\pm f_d$ или же $f_l\pm f_d$.

• IF Amplifier- Усилитель ПЧ усиливает сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Усилитель ПЧ, показанный на рисунке, допускает только промежуточную частоту,$f_l\pm f_d$ и усиливает его.

• Detector - Обнаруживает сигнал, имеющий доплеровскую частоту, $f_d$.

• Doppler Amplifier - Как следует из названия, доплеровский усилитель усиливает сигнал, имеющий доплеровскую частоту, $f_d$.

• Indicator - Он указывает относительную скорость, относящуюся к информации, и то, является ли цель входящей или исходящей.

Доплеровские радары CW обеспечивают точное измерение relative velocities. Следовательно, они используются в основном там, где информация о скорости более важна, чем фактический диапазон.

Если CW доплеровский радар использует частотную модуляцию, то этот радар называется FMCW. Doppler Radar или просто, FMCW Radar. Его также называют радаром с непрерывной частотной модуляцией или CWFM-радаром. Он измеряет не только скорость цели, но и расстояние до цели от радара.

Блок-схема FMCW радара

FMCW Radar в основном используется в качестве радиовысотомера для измерения точной высоты при посадке самолета. На следующем рисунке показанblock diagram FMCW Radar -

FMCW Radarсодержит две антенны - передающую антенну и приемную антенну, как показано на рисунке. Передающая антенна передает сигнал, а принимающая антенна принимает эхо-сигнал.

Блок-схема FMCW Radar похожа на блок-схему CW Radar. Он содержит несколько модифицированных блоков и некоторые другие блоки в дополнение к блокам, которые присутствуют на блок-схеме CW Radar. Вfunction каждого блока FMCW Radar упоминается ниже.

• FM Modulator - Он производит частотно-модулированный (FM) сигнал с переменной частотой, $f_o\left (t \right )$ и применяется к FM-передатчику.

• FM Transmitter- Он передает FM-сигнал с помощью передающей антенны. Выход FM-передатчика также подключен к Mixer-I.

• Local Oscillator- Обычно локальный осциллятор используется для генерации радиосигнала. Но здесь он используется для создания сигнала с промежуточной частотой,$f_{IF}$. Выход локального осциллятора подключен как к Mixer-I, так и к сбалансированному детектору.

• Mixer-I- Смеситель может производить как сумму, так и разницу частот, которые к нему применяются. Сигналы с частотами$f_o\left (t \right )$ и $f_{IF}$применяются к Mixer-I. Таким образом, Mixer-I будет выдавать выходной сигнал с частотой либо$f_o\left (t \right )+f_{IF}$ или же $f_o\left (t \right )-f_{IF}$.

• Side Band Filter- Допускаются только частоты одной боковой полосы, то есть либо частоты верхней боковой полосы, либо частоты нижней боковой полосы. Фильтр боковой полосы, показанный на рисунке, производит только нижнюю частоту боковой полосы. т.е.$f_o\left (t \right )-f_{IF}$.

• Mixer-II- Смеситель может производить как сумму, так и разницу частот, которые к нему применяются. Сигналы с частотами$f_o\left (t \right )-f_{IF}$ и $f_o\left (t-T \right )$применяются к Mixer-II. Таким образом, Mixer-II будет выдавать выходной сигнал с частотой либо$f_o\left (t-T \right )+f_o\left (t \right )-f_{IF}$ или же $f_o\left (t-T \right )-f_o\left (t \right )+f_{IF}$.

• IF Amplifier- Усилитель ПЧ усиливает сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Усилитель ПЧ, показанный на рисунке, усиливает сигнал с частотой$f_o\left (t-T \right )-f_o\left (t \right )+f_{IF}$. Этот усиленный сигнал подается на вход сбалансированного детектора.

• Balanced Detector - Используется для получения выходного сигнала с частотой $f_o\left (t-T \right )-f_o\left (t \right )$ от приложенных двух входных сигналов, которые имеют частоты $f_o\left (t-T \right )-f_o\left (t \right )+f_{IF}$ и $f_{IF}$. Выход сбалансированного детектора применяется как вход усилителя низкой частоты.

• Low Frequency Amplifier- Усиливает выходной сигнал балансного детектора до необходимого уровня. Выходной сигнал усилителя низкой частоты подается как на счетчик частоты переключения, так и на счетчик средней частоты.

• Switched Frequency Counter - Это полезно для получения значения доплеровской скорости.

• Average Frequency Counter - Это полезно для получения значения Range.

Если радар используется для обнаружения подвижной цели, то радар должен получать только эхо-сигнал от этой подвижной цели. Этот эхо-сигнал является желаемым. Однако на практике радар принимает эхо-сигналы от неподвижных объектов в дополнение к эхосигналу от этой подвижной цели.

Эхо-сигналы от неподвижных объектов (мест), таких как суша и море, называются cluttersпотому что это нежелательные сигналы. Следовательно, мы должны выбрать радар таким образом, чтобы он учитывал только эхо-сигнал от подвижной цели, но не отражал помехи.

С этой целью радар использует принцип эффекта Доплера для различения нестационарных целей от неподвижных объектов. Этот тип радара называется радар с индикатором движущейся цели или простоMTI Radar.

В соответствии с Doppler effect, частота принимаемого сигнала будет увеличиваться, если цель движется в направлении радара. Точно так же частота принимаемого сигнала будет уменьшаться, если цель удаляется от радара.

Типы радаров MTI

Мы можем классифицировать радары MTI на следующие two types в зависимости от типа используемого передатчика.

• Радар MTI с передатчиком-усилителем мощности
• Радар MTI с передатчиком-генератором мощности

Теперь давайте обсудим эти два радара MTI по ​​очереди.

Радар MTI с передатчиком-усилителем мощности

MTI Radar использует одну антенну как для передачи, так и для приема сигналов с помощью дуплексера. Вblock diagram РЛС MTI с передатчиком с усилителем мощности показан на следующем рисунке.

В function каждого блока MTI Radar с передатчиком усилителя мощности упомянуты ниже.

• Pulse Modulator - Он вырабатывает сигнал с импульсной модуляцией и подается на усилитель мощности.

• Power Amplifier - Он усиливает уровни мощности импульсно-модулированного сигнала.

• Local Oscillator - выдает сигнал стабильной частоты $f_l$. Следовательно, его также называют стабильным локальным осциллятором. Выход локального осциллятора применяется как к Mixer-I, так и к Mixer-II.

• Coherent Oscillator - Он производит сигнал с промежуточной частотой, $f_c$. Этот сигнал используется как опорный сигнал. Выходной сигнал когерентного осциллятора подается как на Mixer-I, так и на фазовый детектор.

• Mixer-I- Смеситель может производить либо сумму, либо разницу частот, которые к нему применяются. Сигналы с частотами$f_l$ и $f_c$применяются к Mixer-I. Здесь Mixer-I используется для создания выходного сигнала с частотой$f_l+f_c$.

• Duplexer- Это микроволновый переключатель, который подключает антенну либо к секции передатчика, либо к секции приемника в зависимости от требований. Антенна передает сигнал частотой$f_l+f_c$когда дуплексер подключает антенну к усилителю мощности. Аналогичным образом антенна принимает сигнал с частотой$f_l+f_c\pm f_d$ когда дуплексер подключает антенну к Mixer-II.

• Mixer-II- Смеситель может производить либо сумму, либо разницу частот, которые к нему применяются. Сигналы, имеющие частоты$f_l+f_c\pm f_d$ и $f_l$применяются к Mixer-II. Здесь Mixer-II используется для создания выходного сигнала с частотой$f_c\pm f_d$.

• IF Amplifier- Усилитель ПЧ усиливает сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Усилитель ПЧ, показанный на рисунке, усиливает сигнал с частотой$f_c+f_d$. Этот усиленный сигнал подается на вход фазового детектора.

Phase Detector - Используется для создания выходного сигнала с частотой $f_d$ от приложенных двух входных сигналов, которые имеют частоты $f_c+f_d$ и $f_c$. Выход фазового детектора можно подключить к компенсатору линии задержки.

Радар MTI с передатчиком-генератором мощности

Блок-схема радара MTI с передатчиком генератора мощности похожа на блок-схему радара MTI с передатчиком усилителя мощности. Блоки, соответствующие секции приемника, будут одинаковыми на обеих блок-схемах. При этом блоки, соответствующие секции передатчика, могут отличаться на обеих блок-схемах.

В block diagram РЛС MTI с передатчиком-генератором мощности показан на следующем рисунке.

Как показано на рисунке, радар MTI использует одну антенну как для передачи, так и для приема сигналов с помощью дуплексера. Вoperation РЛС MTI с передатчиком генератора мощности упоминается ниже.

• Выходной сигнал осциллятора магнетрона и выход локального осциллятора подаются на Mixer-I. Это в дальнейшем приведет кIF signal, фаза которого напрямую связана с фазой передаваемого сигнала.

• Выходной сигнал Mixer-I подается на когерентный осциллятор. Следовательно, фаза выходного сигнала когерентного осциллятора будетlockedфазе сигнала ПЧ. Это означает, что фаза выходного сигнала когерентного генератора также будет напрямую связана с фазой передаваемого сигнала.

• Таким образом, выходной сигнал когерентного генератора может быть использован в качестве опорного сигнала для сравнения принятого сигнала эха с соответствующим передаваемым сигналом с помощью phase detector.

Вышеуказанные задачи будут повторяться для каждого вновь передаваемого сигнала.

Радиолокационные системы - устройства подавления линий задержки

В этой главе мы узнаем о компенсаторах линии задержки в радиолокационных системах. Как следует из названия, линия задержки вводит определенную задержку. Таким образом, линия задержки в основном используется в компенсаторе линии задержки, чтобы ввестиdelay времени следования импульсов.

Delay line cancellerпредставляет собой фильтр, который удаляет составляющие постоянного тока эхо-сигналов, полученных от неподвижных целей. Это означает, что он позволяет компонентам переменного тока эхо-сигналов, полученных от нестационарных целей, то есть движущихся целей.

Типы компенсаторов линии задержки

Компенсаторы линии задержки можно разделить на следующие: two types исходя из количества присутствующих в нем линий задержки.

• Прерыватель одиночной линии задержки
• Устройство отмены двойной задержки линии

В наших последующих разделах мы обсудим больше об этих двух компенсаторах линии задержки.

Прерыватель одиночной линии задержки

Комбинация линии задержки и вычитателя известна как компенсатор линии задержки. Он также называется компенсатором одиночной линии задержки. Вblock diagram приемника MTI с одиночным компенсатором линии задержки показан на рисунке ниже.

Мы можем написать mathematical equation принятого эхо-сигнала после эффекта Доплера как -

$$V_1=A\sin\left [ 2\pi f_dt-\phi_0 \right ]\:\:\:\:\:Equation\:1$$

Где,

A - амплитуда видеосигнала

$f_d$ доплеровская частота

$\phi_o$ - фазовый сдвиг и равен $4\pi f_tR_o/C$

Мы получим output of Delay line canceller, заменив $t$ по $t-T_P$ в уравнении 1.

$$V_2=A\sin\left [ 2\pi f_d\left ( t-T_P\right )-\phi_0 \right ]\:\:\:\:\:Equation\:2$$

Где,

$T_P$ время повторения импульсов

Мы получим subtractor output путем вычитания уравнения 2 из уравнения 1.

$$V_1-V_2=A\sin\left [ 2\pi f_dt-\phi_0 \right ]-A\sin\left [ 2\pi f_d\left ( t-T_P\right )-\phi_0 \right ]$$

$$\Rightarrow V_1-V_2=2A\sin\left [ \frac{ 2\pi f_dt-\phi_0-\left [ 2\pi f_d\left ( t-T_P \right )-\phi_0 \right ]}{2}\right ]\cos\left [ \frac{ 2\pi f_dt-\phi_o+2\pi f_d\left ( t-T_P \right )-\phi_0 }{2}\right ]$$

$$V_1-V_2=2A\sin\left [ \frac{2\pi f_dT_P}{2} \right ]\cos\left [ \frac{2\pi f_d\left ( 2t-T_P \right )-2\phi_0}{2} \right ]$$

$$\Rightarrow V_1-V_2=2A\sin\left [ \pi f_dT_p \right ]\cos\left [ 2\pi f_d\left ( t-\frac{T_P}{2} \right )-\phi_0 \right ]\:\:\:\:\:Equation\:3$$

Выходной сигнал вычитателя используется как вход для полноволнового выпрямителя. Следовательно, выходной сигнал полноволнового выпрямителя выглядит так, как показано на следующем рисунке. Это не что иное, какfrequency response компенсатора одиночной линии задержки.

Из уравнения 3 можно заметить, что частотная характеристика компенсатора одиночной линии задержки становится равной нулю, когда $\pi f_dT_P$ равно integer multiples of $\pi$ Это означает, $\pi f_dT_P$ равно $n\pi$ Математически это можно записать как

$$\pi f_dT_P=n\pi$$

$$\Rightarrow f_dT_P=n$$

$$\Rightarrow f_d=\frac{n}{T_P}\:\:\:\:\:Equation\:4$$

Из уравнения 4 можно сделать вывод, что частотная характеристика компенсатора одиночной линии задержки становится равной нулю, когда доплеровская частота $f_d$ равно целому кратному обратному времени повторения импульсов $T_P$.

Известно следующее соотношение между временем следования импульсов и их частотой.

$$f_d=\frac{1}{T_P}$$

$$\Rightarrow \frac{1}{T_P}=f_P\:\:\:\:\:Equation\:5$$

Мы получим следующее уравнение, подставив уравнение 5 в уравнение 4.

$$\Rightarrow f_d=nf_P\:\:\:\:\:Equation\:6$$

Из уравнения 6 мы можем сделать вывод, что частотная характеристика компенсатора одиночной линии задержки становится равной нулю, когда доплеровская частота $f_d$ равно целому кратному частоте следования импульсов $f_P$.

Слепые скорости

Из того, что мы узнали, подавитель одиночной линии задержки устраняет составляющие постоянного тока эхо-сигналов, полученных от неподвижных целей, когда $n$равно нулю. В дополнение к этому, он также устраняет компоненты переменного тока эхо-сигналов, принимаемых от нестационарных целей, когда доплеровская частота$f_d$ равно целому числу (other than zero) кратные частоты следования импульсов $f_P$.

Итак, относительные скорости, для которых частотная характеристика компенсатора одиночной линии задержки становится равной нулю, называются blind speeds. Математически мы можем написать выражение для слепой скорости$v_n$ как -

$$v_n=\frac{n\lambda}{2T_P}\:\:\:\:\:Equation\:7$$

$$\Rightarrow v_n=\frac{n\lambda f_P}{2}\:\:\:\:\:Equation\:8$$

Где,

$n$ является целым числом, равным 1, 2, 3 и т. д.

$\lambda$ это рабочая длина волны

Пример проблемы

Радар MTI работает на частоте $6GHZ$ с частотой следования импульсов $1KHZ$. Найдите первое, второе и третьеblind speeds этого радара.

Решение

Дано,

Рабочая частота РЛС МТИ, $f=6GHZ$

Частота следования импульсов, $f_P=1KHZ$.

Ниже приводится формула для operating wavelength $\lambda$ по рабочей частоте, ф.

$$\lambda=\frac{C}{f}$$

Замена, $C=3\times10^8m/sec$ и $f=6GHZ$ в приведенном выше уравнении.

$$\lambda=\frac{3\times10^8}{6\times10^9}$$

$$\Rightarrow \lambda=0.05m$$

Так что operating wavelength $\lambda$ равно $0.05m$, когда рабочая частота f равна $6GHZ$.

Мы знаем следующее formula for blind speed.

$$v_n=\frac{n\lambda f_p}{2}$$

Подставив, $n$= 1,2 и 3 в приведенном выше уравнении, мы получим следующие уравнения для первой, второй и третьей скоростей слепых соответственно.

$$v_1=\frac{1\times \lambda f_p}{2}=\frac{\lambda f_p}{2}$$

$$v_2=\frac{2\times \lambda f_p}{2}=2\left ( \frac{\lambda f_p}{2} \right )=2v_1$$

$$v_3=\frac{3\times \lambda f_p}{2}=3\left ( \frac{\lambda f_p}{2} \right )=3v_1$$

Substitute ценности $\lambda$ и $f_P$ в уравнении первой слепой скорости.

$$v_1=\frac{0.05\times 10^3}{2}$$

$$\Rightarrow v_1=25m/sec$$

Следовательно first blind speed $v_1$ равно $25m/sec$ для заданных спецификаций.

Мы получим значения second & third blind speeds в виде $50m/sec$& $75m/sec$ соответственно, подставив значение ð ?? '£ 1 в уравнения для второй и третьей слепых скоростей.

Устройство отмены двойной задержки линии

Мы знаем, что один компенсатор линии задержки состоит из линии задержки и вычитателя. Если два таких компенсатора линии задержки соединены каскадом вместе, то эта комбинация называется двойным компенсатором линии задержки. Вblock diagram Двойной компенсатор линии задержки показан на следующем рисунке.

Позволять $p\left ( t \right )$ и $q\left ( t \right )$быть входом и выходом первого компенсатора линии задержки. Мы получим следующее математическое соотношение изfirst delay line canceller.

$$q\left ( t \right )=p\left ( t \right )-p\left ( t-T_P \right )\:\:\:\:\:Equation\:9$$

Выходной сигнал первого компенсатора линии задержки применяется как входной сигнал второго компенсатора линии задержки. Следовательно,$q\left ( t \right )$будет входом второго компенсатора линии задержки. Позволять$r\left ( t \right )$быть выходом второго компенсатора линии задержки. Мы получим следующее математическое соотношение изsecond delay line canceller.

$$r\left ( t \right )=q\left ( t \right )-q\left ( t-T_P \right )\:\:\:\:\:Equation\:10$$

Заменить $t$ по $t-T_P$ в уравнении 9.

$$q\left ( t-T_P \right )=p\left ( t-T_P \right )-p\left ( t-T_P-T_P \right )$$

$$q\left ( t-T_P \right )=p\left ( t-T_P \right )-p\left ( t-2T_P \right )\:\:\:\:\:Equation\:11$$

Substitute, Уравнение 9 и уравнение 11 в уравнении 10.

$$r\left ( t \right )=p\left ( t \right )-p\left ( t-T_P \right )-\left [ p\left ( t-T_P \right )-p\left ( t-2T_P \right ) \right ]$$

$$\Rightarrow r\left ( t \right )=p\left ( t \right )-2p\left ( t-T_P \right )+p\left ( t-2T_P \right )\:\:\:\:\:Equation\:12$$

В advantageОдной из особенностей двойного компенсатора линии задержки является то, что он полностью отклоняет помехи. Выходной сигнал двух каскадных компенсаторов линии задержки будет равен квадрату выхода подавителя одиночной линии задержки.

Таким образом, величина выходного сигнала компенсатора двойной линии задержки, присутствующего на приемнике РЛС MTI, будет равна $4A^2\left ( \sin\left [ \pi f_dT_P \right ] \right )^2$.

Частотные характеристики компенсатора двойной линии задержки и каскадной комбинации двух компенсаторов линии задержки одинаковы. Вadvantage Компенсатора линии задержки во временной области заключается в том, что он может работать во всех частотных диапазонах.

Радарные системы - радар слежения

Радар, который используется для отслеживания пути одной или нескольких целей, известен как Tracking Radar. Как правило, перед началом отслеживания активности он выполняет следующие функции.

• Обнаружение цели
• Дальность цели
• Определение углов места и азимута
• Обнаружение доплеровского сдвига частоты

Итак, Tracking Radar отслеживает цель, отслеживая один из трех параметров - дальность, угол, доплеровский сдвиг частоты. Большинство радаров слежения используютprinciple of tracking in angle. Теперь давайте обсудим, что такое угловое отслеживание.

Угловое отслеживание

Угловые лучи антенны радара отслеживают угол. Ось антенны радара считается опорным направлением. Если направление цели и опорное направление не совпадает, то будетangular error, что есть не что иное, как разница между двумя направлениями.

Если сигнал угловой ошибки подается на систему сервоуправления, она перемещает ось антенны радара в направлении цели. Как ось антенны радара, так и направление цели будутcoincideкогда угловая ошибка равна нулю. В радаре слежения существует механизм обратной связи, который работает до тех пор, пока угловая ошибка не станет равной нулю.

Ниже приведены two techniques, которые используются при угловом слежении.

• Последовательная резка
• Коническое сканирование

Теперь давайте обсудим эти две техники один за другим.

Последовательная резка

Если лучи антенны переключаются между двумя диаграммами направленности поочередно для отслеживания цели, то это называется sequential lobing. Это также называется последовательным переключением и переключением лепестков. Этот метод используется для определения угловой ошибки в одной координате. Он дает подробную информацию как о величине, так и о направлении угловой ошибки.

На следующем рисунке показан пример последовательного переключения в polar coordinates.

Как показано на рисунке, антенные лучи попеременно переключаются между положением 1 и положением 2. Угловая погрешность θ указана на рисунке выше. Последовательный лопинг позволяет определить положение цели с высокой точностью. Это главноеadvantage последовательного долбления.

Коническое сканирование

Если луч антенны постоянно вращается для отслеживания цели, то это называется conical scanning. Модуляция конического сканирования используется для определения положения цели. На следующем рисунке показан пример конического сканирования.

Squint angle- угол между осью луча и осью вращения, показанный на рисунке выше. Эхо-сигнал, полученный от цели, модулируется с частотой, равной частоте вращения луча антенны.

Угол между направлением цели и осью вращения определяет amplitude of the modulated signal. Таким образом, модуляция конического сканирования должна быть извлечена из эхо-сигнала и затем применена к системе сервоуправления, которая перемещает ось луча антенны в направлении цели.

Радиолокационные системы - Параметры антенн

An Antenna или Антенна - преобразователь, который преобразует электрическую энергию в электромагнитные волны и наоборот.

Антенна имеет следующие параметры -

• Directivity
• Эффективность диафрагмы
• Эффективность антенны
• Gain

Теперь давайте подробно обсудим эти параметры -

Направленность

Согласно стандартному определению, «Отношение максимальной интенсивности излучения исследуемой Антенны к интенсивности излучения изотропной или эталонной Антенны, излучающей ту же полную мощность, называется Directivity. »

Хотя антенна излучает энергию, направление, в котором она излучает, имеет большое значение. Исследуемая антенна называетсяsubject Antenna. Его интенсивность излучения сфокусирована в определенном направлении во время передачи или приема. Следовательно, говорят, что антенна имеет свою направленность в этом конкретном направлении.

• Отношение интенсивности излучения в заданном направлении от Антенны к интенсивности излучения, усредненной по всем направлениям, называется Directivity.

• Если это конкретное направление не указано, то направление, в котором наблюдается максимальная интенсивность, может быть принято как направленность этой антенны.

• Направленность неизотропной антенны равна отношению интенсивности излучения в заданном направлении к интенсивности излучения изотропного источника.

Mathematically, мы можем записать выражение для Направленности как -

$$Directivity=\frac{U_{Max}\left (\theta,\phi\right )}{U_0}$$

Где,

$U_{Max}\left (\theta,\phi\right )$ - максимальная интенсивность излучения исследуемой антенны

$U_0$ - интенсивность излучения изотропной антенны.

Эффективность диафрагмы

Согласно стандартному определению, “Aperture efficiency антенны - это отношение эффективной излучающей площади (или эффективной площади) к физической площади апертуры ».

Антенна излучает мощность через отверстие. Это излучение должно быть эффективным с минимальными потерями. Следует также учитывать физическую площадь апертуры, поскольку эффективность излучения зависит от площади апертуры физически на антенне.

Mathematically, мы можем записать выражение для апертурной эффективности $\epsilon_A$ в виде

$$\epsilon _A=\frac{A_{eff}}{A_p}$$

Где,

$A_{eff}$ эффективная площадь

$A_P$ это физическая область

Эффективность антенны

Согласно стандартному определению, “Antenna Efficiency это отношение излучаемой мощности антенны к входной мощности, принимаемой антенной ».

Любая антенна предназначена для излучения энергии с минимальными потерями при заданном входе. Эффективность антенны объясняет, насколько антенна способна эффективно передавать свой выходной сигнал с минимальными потерями в линии передачи. Его еще называютRadiation Efficiency Factor антенны.

Mathematically, мы можем записать выражение для эффективности антенны как -

$$\eta _e=\frac{P_{Rad}}{P_{in}}$$

Где,

$P_{Rad}$ это количество излучаемой мощности

$P_{in}$ входная мощность для антенны

Усиление

Согласно стандартному определению, “Gain Антенны - это отношение интенсивности излучения в заданном направлении к интенсивности излучения, которое было бы получено, если бы мощность, принимаемая антенной, изотропно излучалась ».

Просто, GainАнтенны учитывает направленность антенны наряду с ее эффективными характеристиками. Если мощность, принимаемая антенной, излучается изотропно (то есть во всех направлениях), то полученная нами интенсивность излучения может быть принята как справочная.

• Срок Antenna gain описывает, сколько мощности передается в направлении пикового излучения к изотропному источнику.

• Прирост обычно измеряется в dB.

• В отличие от направленности, коэффициент усиления антенны также учитывает возникающие потери и, следовательно, фокусируется на эффективности.

Mathematically, мы можем написать выражение для усиления антенны $G$ как -

$$G=\eta_eD$$

Где,

$\eta_e$ эффективность антенны

$D$ это направленность антенны

Радиолокационные системы - Радиолокационные антенны

В этой главе давайте узнаем об антеннах, которые полезны при радиолокационной связи. Мы можем разделить радарные антенны на следующиеtwo types на основе физической структуры.

• Параболические рефлекторные антенны
• Объективные антенны

В наших последующих разделах мы подробно обсудим два типа антенн.

Параболические рефлекторные антенны

Параболические рефлекторные антенны - это микроволновые антенны. Знание параболического отражателя необходимо для глубокого понимания работы антенн.

Принцип действия

Parabola представляет собой не что иное, как геометрическое место точек, которые перемещаются таким образом, что расстояние до фиксированной точки (называемое фокусом) плюс расстояние от прямой линии (называемое директрисой) постоянно.

На следующем рисунке показан geometry of parabolic reflector. Точки F и V являются фокусом (подача дана) и вершиной соответственно. Линия, соединяющая F и V, является осью симметрии.$P_1Q_1, P_2Q_2$ и $P_3Q_3$отраженные лучи. Линия L представляет собой директрису, на которой лежат отраженные точки (чтобы сказать, что они коллинеарны).

Как показано на рисунке, расстояние между F и L остается постоянным по отношению к фокусируемым волнам. Отраженная волна образует коллимированный волновой фронт параболической формы. Отношение фокусного расстояния к размеру апертуры (т. Е.$f/D$ ) известен как “f over D ratio”. Это важный параметр параболического отражателя и его значение варьируется от0.25 to 0.50.

В law of reflectionутверждает, что угол падения и угол отражения равны. При использовании этого закона вместе с параболой луч фокусируется. Форма параболы, когда она используется для отражения волн, демонстрирует некоторые свойства параболы, которые полезны для построения антенны, использующей отраженные волны.

Свойства параболы

Ниже приведены различные свойства Параболы -

• Все волны, исходящие от фокуса, отражаются обратно к параболической оси. Следовательно, все волны, достигающие апертуры, находятся в фазе.

• Поскольку волны синфазны, луч излучения вдоль параболической оси будет сильным и сосредоточенным.

Следуя этим пунктам, параболические отражатели помогают обеспечить высокую направленность при меньшей ширине луча.

Конструкция и работа параболического отражателя

Если параболическая рефлекторная антенна используется для transmitting a signal, Сигнал из канала выходит из дипольной антенны или рупорной антенны, чтобы сфокусировать волну на параболу. Это означает, что волны выходят из фокуса и ударяются о параболоидный отражатель. Эта волна теперь отражается в виде коллимированного волнового фронта, как обсуждалось ранее, чтобы пройти.

Та же антенна используется как receiver. Когда электромагнитная волна попадает в форму параболы, волна отражается на точку питания. Дипольная антенна или рупорная антенна, которая действует как приемная антенна в своем питании, принимает этот сигнал, чтобы преобразовать его в электрический сигнал и направить его в схему приемника.

Коэффициент усиления параболоида зависит от светосилы. $D/\lambda$. Эффективная излучаемая мощность(ERP) Антенны - это произведение входной мощности, подаваемой на антенну, и ее усиления.

Обычно волноводная рупорная антенна используется в качестве излучателя для параболоидной рефлекторной антенны. Наряду с этим методом на параболоидную рефлекторную антенну подаются следующие два типа сигналов.

• Кассегрен Корм
• Григорианский корм

Кассегрен Корм

В этом типе корма расположена в вершине параболоида, в отличие от параболического отражателя. Отражатель выпуклой формы, который действует как гиперболоид, расположен напротив источника питания антенны. Он также известен какsecondary hyperboloid reflectorили вспомогательный отражатель. Он размещен таким образом, чтобы один из его фокусов совпадал с фокусом параболоида. Таким образом, волна отражается дважды.

На приведенном выше рисунке показана рабочая модель подачи кассегрена.

Григорианский корм

Тип питания, при котором имеется пара определенных конфигураций и ширина луча питания постепенно увеличивается, а размеры антенны остаются неизменными, известен как Gregorian feed. Здесь выпуклый гиперболоид Кассегрена заменен параболоидным отражателем вогнутой формы, который, конечно, меньше по размеру.

Эти отражатели григорианского типа с питанием можно использовать следующими четырьмя способами:

• Григорианские системы, использующие рефлекторный эллипсоидальный субрефлектор в фокусах F1.

• Григорианские системы с использованием отражателя эллипсоидального субрефлектора в фокусах F2.

• Системы Кассегрена с гиперболоидным субрефлектором (выпуклым).

• Системы Кассегрена с использованием гиперболоидного вспомогательного отражателя (вогнутый, но подача находится очень близко к нему).

Среди различных типов рефлекторных антенн наиболее часто используются простые параболические рефлекторы и параболические рефлекторы с питанием Кассегрена.

Объективные антенны

Линзовые антенны имеют изогнутую поверхность как для передачи, так и для приема сигналов. Эти антенны изготовлены из стекла, в котором учитываются свойства линзы сходящейся и расходящейся. Вfrequency range использования линзовой антенны начинается в 1 GHz но его использование больше в 3 GHz and above.

Для глубокого понимания работы линзовой антенны требуется знание объектива. Напомним, что обычный стеклянный объектив работает наprinciple of refraction.

Конструкция и работа линзовой антенны

Если предполагается, что источник света присутствует в фокусной точке линзы, которая находится на фокусном расстоянии от линзы, тогда лучи проходят через линзу как коллимированные или parallel rays на фронте плоской волны.

Когда лучи падают с разных сторон линзы, происходят два явления. Они приведены здесь -

• Лучи, проходящие через центр линзы, меньше преломляются, чем лучи, проходящие через края линзы. Все лучи направляются параллельно фронту плоской волны. Это явление линзы называетсяDivergence.

• Та же процедура меняется на противоположную, если луч света направлен с правой стороны на левую сторону той же линзы. Затем луч преломляется и встречается в точке, называемой фокусной точкой, на фокусном расстоянии от линзы. Это явление называетсяConvergence.

Следующая диаграмма поможет нам лучше понять это явление.

В ray diagramпредставляет точку фокусировки и фокусное расстояние от источника до объектива. Полученные параллельные лучи также называются коллимированными лучами.

На приведенном выше рисунке источник в фокусной точке на фокусном расстоянии от линзы коллимирован во фронте плоской волны. Это явление можно обратить вспять, что означает, что свет, направленный с левой стороны, сходится с правой стороны линзы.

Это из-за этого reciprocity, объектив можно использовать как антенну, поскольку одно и то же явление помогает использовать одну и ту же антенну как для передачи, так и для приема.

Для достижения фокусирующих свойств на более высоких частотах показатель преломления должен быть меньше единицы. Каким бы ни был показатель преломления, цель линзы - выпрямить форму волны. На основе этого были разработаны линзы в плоскости E и H, которые также задерживают или ускоряют волновой фронт.

Радарные системы - согласованный фильтр-приемник

Если фильтр производит выходной сигнал таким образом, что он максимизирует отношение выходной пиковой мощности к средней мощности шума в его частотной характеристике, то этот фильтр называется Matched filter.

Это важный критерий, который учитывается при проектировании любого радиолокационного приемника. В этой главе давайте обсудим функцию частотной характеристики согласованного фильтра и импульсную характеристику согласованного фильтра.

Функция частотной характеристики согласованного фильтра

Частотная характеристика согласованного фильтра будет пропорциональна комплексно-сопряженной величине спектра входного сигнала. Математически мы можем написать выражение дляfrequency response function, $H\left (f\right )$ согласованного фильтра как -

$$H\left (f\right )=G_aS^\ast\left (f\right )e^{-j2\pi ft_1}\:\:\:\:\:Equation\:1$$

Где,

$G_a$ это максимальное усиление согласованного фильтра

$S\left (f\right )$ - преобразование Фурье входного сигнала, $s\left (t\right )$

$S^\ast\left (f\right )$ является комплексным сопряжением $S\left (f\right )$

$t_1$ момент времени, в который наблюдается максимум сигнала

В целом стоимость $G_a$считается как одно целое. Мы получим следующее уравнение, подставив$G_a=1$ в уравнении 1.

$$H\left (f\right )=S^\ast\left (f\right )e^{-j2\pi ft_1}\:\:\:\:\:Equation\:2$$

Функция частотной характеристики, $H\left (f\right )$ согласованного фильтра имеет magnitude из $S^\ast\left (f\right )$ и phase angle из $e^{-j2\pi ft_1}$, которая равномерно меняется с частотой.

Импульсная характеристика согласованного фильтра

В time domain, мы получим результат, $h(t)$ приемника с согласованным фильтром путем применения обратного преобразования Фурье функции частотной характеристики, $H(f)$.

$$h\left (t\right )=\int_{-\infty }^{\infty }H\left (f\right )e^{-j2\pi ft_1}df\:\:\:\:\:Equation\:3$$

Substitute, Уравнение 1 в Уравнение 3.

$$h\left (t\right )=\int_{-\infty }^{\infty }\lbrace G_aS^\ast\left (f\right )e^{-j2\pi ft_1}\rbrace e^{j2\pi ft}df$$

$$\Rightarrow h\left (t\right )=\int_{-\infty }^{\infty }G_aS^\ast\left (f\right )e^{-j2\pi f\left (t_1-t\right )}df\:\:\:\:\:Equation\:4$$

Нам известна следующая связь.

$$S^\ast\left (f\right )=S\left (-f\right )\:\:\:\:\:Equation\:5$$

Substitute, Уравнение 5 в Уравнении 4.

$$h\left (t\right )=\int_{-\infty }^{\infty }G_aS(-f)e^{-j2\pi f\left (t_1-t\right )}df$$

$$\Rightarrow h\left (t\right )=\int_{-\infty }^{\infty }G_aS^\left (f\right )e^{j2\pi f\left (t_1-t\right )}df$$

$$\Rightarrow h\left (t\right )=G_as(t_1−t)\:\:\:\:\:Equation\:6$$

В целом стоимость $G_a$считается как одно целое. Мы получим следующее уравнение, подставив$G_a=1$ в уравнении 6.

$$h(t)=s\left (t_1-t\right )$$

Вышеприведенное уравнение доказывает, что impulse response of Matched filter - зеркальное отображение принятого сигнала примерно в момент времени $t_1$. Следующие рисунки иллюстрируют эту концепцию.

Полученный сигнал, $s\left (t\right )$ и импульсный отклик, $h\left (t\right )$ согласованного фильтра, соответствующего сигналу, $s\left (t\right )$ показаны на рисунках выше.

Радарные системы - радарные дисплеи

Электронный инструмент, который используется для визуального отображения данных, известен как дисплей. Итак, электронный инструмент, который визуально отображает информацию о цели РЛС, известен какRadar display. Он визуально отображает информацию об эхо-сигнале на экране.

Типы радиолокационных дисплеев

В этом разделе мы узнаем о различных типах радиолокационных дисплеев. Дисплеи радара можно разделить на следующие типы.

A-Scope

Это двухмерный дисплей радара. Горизонтальные и вертикальные координаты представляют собой дальность и амплитуду эхо-сигнала цели соответственно. В A-Scope происходит модуляция отклонения. Это больше подходит дляmanually tracking Radar.

B-Scope

Это двухмерный дисплей радара. Горизонтальные и вертикальные координаты представляют собой азимутальный угол и дальность до цели соответственно. В B-Scope происходит модуляция интенсивности. Это больше подходит дляmilitary Radars.

C-Scope

Это двухмерный дисплей радара. Горизонтальные и вертикальные координаты представляют собой азимутальный угол и угол места соответственно. В C-Scope происходит модуляция интенсивности.

D-Scope

Если электронный луч отклоняется или пятно с модулированной интенсивностью появляется на дисплее радара из-за присутствия цели, это называется пятном. C-Scope становится D-Scope, когда метки простираются вертикально, чтобы обеспечить расстояние.

E-Scope

Это двухмерный дисплей радара. Горизонтальные и вертикальные координаты представляют собой расстояние и угол места соответственно. В E-Scope происходит модуляция интенсивности.

F-Scope

Если антенна радара направлена ​​на цель, F-Scope отображает цель в виде централизованной метки. Таким образом, горизонтальное и вертикальное смещения метки представляют собой ошибки наведения по горизонтали и вертикали соответственно.

G-Scope

Если антенна радара направлена ​​на цель, G-Scope отображает цель как горизонтально централизованную точку. Горизонтальное и вертикальное смещения метки представляют собой ошибки наведения по горизонтали и вертикали соответственно.

H-Scope

Это модифицированная версия B-Scope для предоставления информации об угле возвышения цели. Он отображает цель в виде двух близко расположенных меток. Это можно приблизительно представить как короткую яркую линию, и наклон этой линии будет пропорционален синусу угла места.

I-Scope

Если антенна радара направлена ​​на цель, I-Scope отображает цель как circle. Радиус этого круга будет пропорционален расстоянию до цели. Если антенна радара направлена ​​на цель неправильно, I-Scope отображает цель в виде сегмента, а не круга. Длина дуги этого сегмента будет обратно пропорциональна величине ошибки наведения.

J-Scope

Это модифицированная версия A-Scope. Он отображает цель как радиальное отклонение от временной оси.

K-Scope

Это модифицированная версия A-Scope. Если антенна радара направлена ​​на цель, K-Scope отображает цель в виде пары вертикальных отклонений, имеющих одинаковую высоту. Если антенна радара направлена ​​на цель неправильно, возникнет ошибка наведения. Таким образом, величина и направление ошибки наведения зависят от разницы между двумя вертикальными отклонениями.

L-Scope

Если антенна радара направлена ​​на цель, L-Scope отображает цель в виде двух горизонтальных точек с одинаковой амплитудой. Один горизонтальный всплеск находится справа от центральной вертикальной оси времени, а другой - слева от центральной вертикальной оси времени.

M-Scope

Это модифицированная версия A-Scope. Регулируемый сигнал пьедестала необходимо перемещать по базовой линии до тех пор, пока он не совпадет с отклонениями сигнала, исходящими от горизонтального положения цели. Таким образом можно определить расстояние до цели.

N-Scope

Это модифицированная версия K-Scope. Регулируемый сигнал пьедестала используется для измерения расстояния.

O-Scope

Это модифицированная версия A-Scope. Мы получим O-Scope, добавив в A-Scope регулируемую выемку для измерения расстояния.

P-Scope

Это дисплей радара, в котором используется модуляция интенсивности. Он отображает информацию об эхо-сигнале в виде сверху. Дальность и азимутальный угол отображаются в полярных координатах. Следовательно, он называетсяPlan Position Indicator или PPI display.

R-Scope

Это дисплей радара, в котором используется модуляция интенсивности. Горизонтальные и вертикальные координаты представляют собой расстояние и высоту цели соответственно. Следовательно, он называетсяRange-Height Indicator или же RHI display.

Радарные системы - дуплексеры

При двусторонней связи, если предполагается использовать одну и ту же антенну для передачи и приема сигналов, нам потребуется дуплексер. Duplexerпредставляет собой микроволновый переключатель, который соединяет антенну с секцией передатчика для передачи сигнала. Следовательно, радар не может принять сигнал во время передачи.

Точно так же он подключает антенну к секции приемника для приема сигнала. Радар не может передавать сигнал во время приема. Таким образом, дуплексер изолирует секции передатчика и приемника.

Типы дуплексеров

В этом разделе мы узнаем о различных типах дуплексеров. Мы можем классифицировать дуплексеры на следующиеthree types.

• Дуплексер ответвления
• Сбалансированный дуплексер
• Циркулятор как дуплексер

В наших последующих разделах мы подробно обсудим типы дуплексеров.

Дуплексер ответвления

Дуплексер ответвленного типа состоит из двух переключателей - переключателя передачи-приема (TR) и переключателя запрета передачи-приема (ATR). На следующем рисунке показанblock diagram дуплексера ответвительного типа -

Как показано на рисунке, два переключателя TR и ATR расположены на расстоянии $\lambda/4$ от линии передачи, и оба переключателя находятся на расстоянии $\lambda/4$. Вworking дуплексера ответвленного типа упоминается ниже.

• В течение transmission, оба TR и ATR будут выглядеть как разрыв цепи от линии передачи. Следовательно, антенна будет подключена к передатчику через линию передачи.

• В течение reception, ATR будет выглядеть как короткое замыкание в линии передачи. Следовательно, антенна будет подключена к приемнику через линию передачи.

Дуплексер ответвленного типа подходит только для недорогих радаров, так как он имеет меньшую мощность передачи.

Сбалансированный дуплексер

Мы знаем, что two-hole Directional Couplerпредставляет собой 4-портовый волноводный переход, состоящий из первичного и вторичного волноводов. Есть два маленьких отверстия, которые будут общими для этих двух волноводов.

Сбалансированный дуплексер состоит из двух трубок TR. Конфигурация сбалансированного дуплексера дляtransmission назначение показано на следующем рисунке.

Сигнал, который вырабатывается передатчиком, должен достигнуть антенны, чтобы антенна могла передавать этот сигнал во время передачи. Вsolid lines with arrow marks На рисунке выше показано, как сигнал достигает антенны от передатчика.

Пунктирные линии со стрелками, показанные на рисунке выше, представляют сигнал, который выходит из трубок Dual TR; это достигнет только согласованной нагрузки. Итак, на приемник не поступил сигнал.

Конфигурация сбалансированного дуплексера для reception назначение показано на рисунке ниже.

Мы знаем, что антенна принимает сигнал во время приема. Сигнал, который принимает антенна, должен достичь приемника. Вsolid lines with arrow marksНа рисунке выше показано, как сигнал достигает приемника от антенны. В этом случае лампы Dual TR передают сигнал из первой секции волновода в следующую секцию волновода.

Сбалансированный дуплексер имеет высокую мощность передачи и широкую полосу пропускания по сравнению с дуплексером ответвленного типа.

Циркулятор как дуплексер

Мы знаем, что functionality Циркулятора заключается в том, что если мы подаем вход на порт, то он будет производиться в порту, который примыкает к нему по часовой стрелке. На остальных портах циркулятора нет выхода.

Итак, рассмотрим 4-портовый циркулятор и подключите передатчик, антенну, приемник и согласованную нагрузку к порту 1, порту 2, порту 3 и порту 4 соответственно. Теперь давайте разберемся, как4-port circulator работает как дуплексер.

Сигнал, производимый передатчиком, должен достичь антенны, так как антенна будет передавать этот сигнал во время transmissionвремя. Эта цель будет достигнута, когда передатчик генерирует сигнал на порту 1.

Сигнал, который принимает Антенна, должен достичь приемника во время receptionвремя. Эта цель будет достигнута, когда антенна, подключенная к порту 2, получит внешний сигнал.

На следующем рисунке показан block diagram циркулятора как дуплексера -

На рисунке выше изображен 4-портовый циркуляционный насос - передатчик, антенна, и согласованная нагрузка подключена к портам 1, 2 и 4 циркулятора соответственно, как обсуждалось в начале раздела.

Ресивер не подключен напрямую к порту 3. Вместо этого блоки, соответствующие пассивному ограничителю TR, размещаются между портом 3 циркулятора и приемником. Блоки, трубка TR и диодный ограничитель - это блоки, соответствующие пассивному ограничителю TR.

Фактически, сам циркулятор действует как дуплексер. Не требует дополнительных блоков. Однако это не даст никакой защиты приемнику. Следовательно, блоки, соответствующие пассивному ограничителю TR, используются для обеспеченияprotection to the receiver.

Радарные системы - антенны с фазированной решеткой

Одна антенна может излучать определенное количество энергии в определенном направлении. Очевидно, что мощность излучения будет увеличиваться, когда мы будем использовать группу антенн вместе. Группа антенн называетсяAntenna array.

Антенная решетка - это излучающая система, состоящая из излучателей и элементов. Каждый из этих излучателей имеет собственное индукционное поле. Элементы расположены так близко, что каждый лежит в индукционном поле соседнего. Следовательно, полученная ими диаграмма направленности будетvector sum индивидуальных.

Антенны излучают индивидуально, и, находясь в массиве, излучение всех элементов суммируется, образуя луч излучения, который имеет высокое усиление, высокую направленность и лучшие характеристики с минимальными потерями.

Антенная решетка называется Phased Antenna array если форма и направление диаграммы направленности зависит от относительных фаз и амплитуд токов, присутствующих на каждой антенне этой решетки.

Диаграмма излучения

Рассмотрим n изотропных радиационных элементов, которые при объединении образуют array. Рисунок, приведенный ниже, поможет вам понять то же самое. Пусть расстояние между последовательными элементами равно d единицам.

Как показано на рисунке, все элементы излучения принимают одинаковый входящий сигнал. Таким образом, каждый элемент производит одинаковое выходное напряжение$sin \left ( \omega t \right)$. Однако будет равныйphase difference $\Psi$между последовательными элементами. Математически это можно записать как -

$$\Psi=\frac{2\pi d\sin\theta }{\lambda }\:\:\:\:\:Equation\:1$$

Где,

$\theta$ - угол, под которым входящий сигнал падает на каждый излучающий элемент.

Математически мы можем написать выражения для output voltages n радиационных элементов индивидуально как

$$E_1=\sin\left [ \omega t \right]$$

$$E_2=\sin\left [\omega t+\Psi\right]$$

$$E_3=\sin\left [\omega t+2\Psi\right]$$

$$.$$

$$.$$

$$.$$

$$E_n=\sin\left [\omega t+\left (N-1\right )\Psi\right]$$

Где,

$E_1, E_2, E_3, …, E_n$- выходное напряжение первого, второго, третьего,…, n- ^го элементов излучения соответственно.

$\omega$ - угловая частота сигнала.

Мы получим overall output voltage $E_a$массива путем сложения выходных напряжений каждого элемента, присутствующего в этом массиве, поскольку все эти элементы излучения соединены в линейный массив. Математически это можно представить как -

$$E_a=E_1+E_2+E_3+ …+E_n \:\:\:Equation\:2$$

Substitute, значения $E_1, E_2, E_3, …, E_n$ в уравнении 2.

$$E_a=\sin\left [ \omega t \right]+\sin\left [\omega t+\Psi\right ]+\sin\left [\omega t+2\Psi\right ]+\sin\left [\omega t+\left (n-1\right )\Psi\right]$$

$$\Rightarrow E_a=\sin\left [\omega t+\frac{(n-1)\Psi)}{2}\right ]\frac{\sin\left [\frac{n\Psi}{2}\right]}{\sin\left [\frac{\Psi}{2}\right ]}\:\:\:\:\:Equation\:3$$

В уравнении 3 есть два члена. Из первого члена мы можем заметить, что общее выходное напряжение$E_a$ это синусоида с угловой частотой $\omega$. Но он имеет фазовый сдвиг$\left (n−1\right )\Psi/2$. Второй член уравнения 3 - этоamplitude factor.

Величина уравнения 3 будет

$$\left | E_a \right|=\left | \frac{\sin\left [\frac{n\Psi}{2}\right ]}{\sin\left [\frac{\Psi}{2}\right]} \right |\:\:\:\:\:Equation\:4$$

Мы получим следующее уравнение, подставив уравнение 1 в уравнение 4.

$$\left | E_a \right|=\left | \frac{\sin\left [\frac{n\pi d\sin\theta}{\lambda}\right]}{\sin\left [\frac{\pi d\sin\theta}{\lambda}\right ]} \right |\:\:\:\:\:Equation\:5$$

Уравнение 5 называется field intensity pattern. Картина напряженности поля будет иметь значения нулей, когда числитель уравнения 5 равен нулю.

$$\sin\left [\frac{n\pi d\sin\theta}{\lambda}\right ]=0$$

$$\Rightarrow \frac{n\pi d\sin\theta}{\lambda}=\pm m\pi$$

$$\Rightarrow nd\sin\theta=\pm m\lambda$$

$$\Rightarrow \sin\theta=\pm \frac{m\lambda}{nd}$$

Где,

$m$ является целым числом, равным 1, 2, 3 и так далее.

Мы можем найти maximum valuesдиаграммы напряженности поля с использованием правила L-Hospital, когда числитель и знаменатель уравнения 5 равны нулю. Мы можем заметить, что если знаменатель уравнения 5 становится равным нулю, то числитель уравнения 5 также становится нулем.

Теперь давайте получим условие, при котором знаменатель уравнения 5 обращается в ноль.

$$\sin\left [\frac{\pi d\sin\theta}{\lambda}\right ]=0$$

$$\Rightarrow \frac{\pi d\sin\theta}{\lambda}=\pm p\pi$$

$$\Rightarrow d\sin\theta=\pm p\lambda$$

$$\Rightarrow \sin\theta=\pm \frac{p\lambda}{d}$$

Где,

$p$ является целым числом, равным 0, 1, 2, 3 и так далее.

Если мы рассмотрим $p$ как ноль, то получим значение $\sin\theta$как ноль. В этом случае мы получим максимальное значение картины напряженности поля, соответствующееmain lobe. Получим максимальные значения картины напряженности поля, соответствующиеside lobes, если учесть другие значения $p$.

Направление диаграммы направленности фазированной решетки можно регулировать, изменяя относительные фазы тока, присутствующего на каждой антенне. Этоadvantage электронно-сканирующей ФАР.