تاريخ : جمعه شانزدهم مرداد 1388 | | نویسنده : محمد جواد رضایی

فرستنده و گیرنده راداری


چکیده:
در مسایل راداری همواره قسمت زیادی از سیگنال در محیط انتشار هدر می رود و مقدار کم و ضعیفی از آن به همراه مقدار زی ادی سیگنال ناخواسته دریافت می شود . پس باید سیگنال دریافتی ناخواسته را حذف کرد و بعد سیگنال مورد نظر را تقویت و دمدولاسیون نمود ، اختلاف اساسی ای که بین گیرنده های مختلف وجود دارد بعلت نحوه دمدولاسیون سیگنال دریافتی است . از میان انواع مختلف گیرنده های رادیویی که در زمانهای مختلف عرضه شده فقط دو نوع آن از نظر عملی و تجاری دارای اهمیت است، این دو نوع گیرنده عبارتند از و گیرنده های سوپر هترودین که در ادامه به بررسی ومقایسه (TRF) گیرنده های فرکانس رادیویی تطبیق شده آنها خواهیم پرداخت.


در این مقاله سعی بر آن است اص ول رادار و مدارهای فرستنده وگیرنده در رادار به طورکلی مورد بررسی قرار گیرد که در این راستا به بررسی عناوین زیر خواهیم پرداخت:
اصول رادار
فرستنده های راداری
گیرنده های راداری
واژگان کلیدی: رادار، فرستنده، مگنترون، گیرنده، سوپرهترودین
۱) مقدمه:
رادار وسیله ای است برای جمع آوری اطلاعات از اشیا یا هدف های محیط به ویژه در فواصل دورکه در آن از تجزیه و تحلیل امواج الکترومغناطیس برگشتی، فاصله، ابعاد، سرعت و بسیاری از خواص هدف موردنظر تعیین می شود . بطور کلی رادار شامل یک فرستنده و یک گیرنده و یک یا چند آنتن است . فرستنده قادر است که توان زیادی را توسط آنتن ارسال دارد و گیرنده تا حد امکان انرژی برگشتی از هدف را جمع می کند، از آنجا که بیشتر رادارها انرژی فرستنده را به صورت پالس ارسال می کنند، بنابراین استفاده از یک آنتن هم برای فرستنده و هم برای گیرنده توسط یک تقسیم ک ننده زمان امکان پذیر خواهد بود. از موارد مهم در طراحی رادار نوع آنتن و پترن تشعشعی آن می باشد . آنتن های رادار را معمولا برای مرور نواحی بخصوص از فضا طراحی می کنند که مسیر مرور بستگی به کاربرد آن دارد، آنتن ها در بیشتر رادارها منعکس کننده های سهموی با تغذیه شیپور ی یا دو قطبی می باشند. البته در برخی موارد ناچار به استفاده از رادارهایی با آنتن آرایه فازی می باشیم. رادارهای ،MTI ،CW برای تامین برد راداری مطلوب باید فرستنده از توان کافی برخوردار باشد . رادارهای آرایه فازی و ... هر یک ویژگیهای خاصی دارند که بر فرستنده و روش عملکرد آن اثر می گذارد . از مباحثی که باید در طراحی رادار و انتخاب فرستنده مورد توجه قرار گیرد، برد ، ثابت یا متحرك بودن ، وزن، اندازه ، حفاظت و ولتاژ بالا، شرایط مدولاسیون و حتی مسئله خنک کردن آن است. x در برابر اشعه کار گیرنده رادار، آشکار سازی پی امهای اکوی مورد نظر در حضور نویز ، تداخل یا اکوهای ناخواسته (کلاتر ) می باشد . گیرنده باید پیامهای مطلوب را از نامطلوب جدا نموده و پیامهای مطلوب را تا حدی که اطلاعات هدف برای کاربر قابل نمایش بوده و یا د ر داده پرداز خودکار قابل استفاده باشد، تقویت نماید . ساختار گیرنده رادار نه تنها به شکل موج آشکار شونده بستگی دارد، بلکه به ماهیت اکوهای کلاتر، تداخل و نویز که با پیامهای اکو مخلوط می شوند هم بستگی دارد . نویز ممکن است از طریق پایانه آنتن، به همراه پیام مورد نظر، وارد گیرنده خروجی، گیرن ده S/N شود و یا ممکن است در داخل خود گیرنده ایجاد گردد. برای به حداکثر رساندن نسبت و یا معادل آن باشد. بدیهی است که گیرنده باید طوری (Matched Filter) باید دارای یک فیلتر انطباقی طراحی شود که کمترین نویز داخلی را بخصوص در طبقات ورودی که پیام های مطلوب در ضعیف ترین حالت خود هستند، ایجاد نماید.
در سیستم های راداری از گیرنده های سوپر هترودین، بدلیل حساسیت خوب، بهره زیاد، قابلیت گزینش فرکانس و ضریب اطمینان خوب تقریبا همیشه استفاده می شود و هیچ نوع گیرنده ای قابل رقابت با این نوع گیرنده ها نیستند.
۲) اصول رادار:
در واقع اختراع رادار از یک پد یده فیزیکی و بسیار طبیعی به نام انعکاس ناشی شده است . همه ما بارها بازگشت صدا را در مقابل صخره های عظیم تجربه کرده ایم. امواج رادیویی و الکترومغناطیس نیز قابلیت انعکاس و بازتاب دارند و رادار بر اساس همین خاصیت ساده بوجود آمد . به کمک امواج الکترومغناطیسی نه تنها از وجود اجسام در فاصله دور باخبر می شویم، بلکه بطور دقیق می توان تعیین کرد ساکن هستند یا از ما دور و یا به ما نزدیک می شوند. حتی سرعت جسم نیز بخوبی قابل محاسبه است . امواج برگشتی توسط دستگاههای خاص در مبدا تقویت شده و از روی مدت زمان رفت و برگشت این امواج، فاصله بین جسم و رادار اندازه گیری می شود. می توان گفت رادار یک سیستم الکترومغناطیسی است که برای تشخیص و تعیین موقعیت هدفها بکار می رود. این دستگاه بر اساس ارس ال یک شکل موج خاص به طرف هدف و بررسی شکل موج برگشتی کار می کند . با رادار می توان درون محیطی را که برای چشم غیر قابل نفوذ است دید، مثل تاریکی، باران ، مه ، برف ، غبار و غیره، اما مهمترین مزیت رادار، توانائی آن در تعیین فاصله یا موقعیت و حتی ماهیت هدف می باشد. ساده ترین رادارها در حقیقت از یک فرستنده و یک گیرنده رادیویی بوجود آمدند . در ابتدا این وسیله فقط قادر بود وجود شیء را اعلان کند و به هیچ وجه توانایی تشخیص اندازه و ویژه گی های دیگر آن را نداشت. یک رادار ساده شامل آنتن ، فرستنده، گیرنده و عنصر آشکار ساز انرژی برگشتی بصورت قابل شناسایی می باشد . آنتن فرستنده پرتوهای الکترومغناطیسی تولید شده توسط نوسا نگر را دریافت و ارسال می دارد . معمولی ترین شکل موج در رادارها یک قطار از پالسهای باریک مستطیلی است که موج حامل سینوسی را مدوله می کند. اکنون رادارها در روی زمین و در هوا، دریا و فضا بکار گرفته شده اند، رادارهای زمینی بیشتر برای آشکار سازی، تعیین موقعیت و ر دیابی هواپیم ا و یا سایر اهداف هوایی مورد استفاده قرار می گیرند . رادارهای دریایی بعنوان یک وسیله کمکی به کشتیرانی و وسیله ای مطمئن برای تعیین موقعیت شناورها ، خطوط ساحل و دیگر کشتیها و همچنین دیدن هواپیم اها بکار می روند . رادارهای هوایی برای آشکار سازی هواپی م ا، کشتی و وس ایل نقلیه زمینی و یا نقشه برداری زمین ، اجتناب از طوفان جلوگیری از برخورد با زمین و یا ناوبری می توانند مورد استفاده قرار گیرند . در فضا ،رادار به هدایت اجسام پرنده کمک می کند و برای ارتباط راه دور با زمین و دریا بکار می رود.
در رادارهای زمینی قضی ه خیلی پیچیده تر از رادارهای هوایی است، هنگامی که یک رادار پلیس به ارسال پالس موج رادیویی می پردازد بخاطر وجود اجسام بسیار در سر راهش مانند نرده ها، پلها، تپه ها و ساختمانها اکوهای بسیاری را دریافت می کن د، اما از آنجایی که تمام این اجسام به جزء خودروی مورد نظر ثابت هستند ، سیستم رادار خودروهای پلیس، باید از میان امواج منعکس شده، فقط آنهایی را انتخاب کند که در آنها پدیده داپلر قابل شناسایی باشد، آن هم به اندازه ای که جسم متحرك اضافه سرعت داشته باشد در ضمن آنتن این رادارها باید دهانه تنگی داشته باشد ، چرا ک ه فقط بر روی یک خودرو تنظیم می شوند . البته امروزه پلیس در برخی کشورها از جمله کشور خودمان از تکنولوژی لیزر برای تعیین سرعت خودروها در بزرگراهها استفاده می کند. این تکنولوژی به نام لیدار شناخته می شود و در این مدل بجای امواج رادیویی از لیز ر استفاده شده است.
-3 فرستنده های راداری:
اولین رادارهایی که قبل از جنگ جهانی د وم با موفقیت آماده بهره برداری شدند، از لامپ خلا معمولی دارای استفاده می کردند. نوسان ساز مگنترون، که باعث پیدایش و توسعه ،VHF شبکه کنترل و مناسب کار در باند رادارهای مایکروویو در زمان جنگ جهانی دو م شد، یکی از پر مصرف ترین و کاربردی ترین فرستنده های راداری بود همچنین تقویت کننده های کلیسترون امکان کار با شکل موج ه ای پیچیده تر از رشته پالسهای معمولی را فراهم کرد.
که از خانواده مگنترون بود و انواع گوناگونی دارد ساخته (CFA) در دهه 1960 تقویت کننده میدان متقاطع شد. ویژگیهای عمومی آنها باند وسیع، بهره نسبتا کم و کوچکی ابعاد آن می باشد و بیش تر شبیه مگنترون است تا کلیسترون همچنین ابزارهای نیمه هادی از قبیل ترانزیستورها و دیودهای بهمنی نیز به عنوان نوعی فرستنده به کار می روند اما توان هر یک به تنهایی کم است. برای تامین برد راداری مطلوب باید فرستنده از توان کافی برخوردار باشد، ام ا در عین حال سایر شرایط لازم رادارهای آرایه فازی و ... هر یک ویژگیهای خاصی دارند که بر ،MTI ،CW را هم باید بر آورده نماید . رادارهای فرستنده و روش عملکرد آن اثر می گذارد . از مباحثی که باید در طراحی رادار و انتخاب فرستنده مورد توجه و ولتاژ بالا ، شرایط مدولاس یون و x قرار گیرد، برد ، ثابت یا متحرك بودن ، وزن، اندازه ، حفاظت در برابر اشعه حتی مسئله خنک کردن آن است . البته از آنجا که فرستنده بخش بزرگی از رادار می باشد چگونگی انتخاب آن بسیار حائز اهمیت است. با توجه به معادله کلاسیک رادار دیدیم که اگر بخواهیم به 2 برابر برد موجود برسیم باید توان ارسالی رادار را 16 برابر کنیم ولی افزایش برد با این روش بسیار پر هزینه است. فرستنده ها بسیار پیچیده تر از ی ک لامپ هستند و شامل تقویت کننده های راه انداز ، تقویت کننده های توان بالا ، منبع تغذیه برای تولید جریان و ولتاژ
in out P GP A p 2 a R4 = مورد نیاز لامپ، مدولاتور، خنک کننده لامپ، مبدل دما، وسایل ایمنی برای تخلیه جرقه ها، کلید های ایمنی، می باشد. راندمانی که برای بیشتر لامپها تعریف x وسایل نشان دهنده وضعیت سیستم و محافظی در برابر اشعه ورودی که برای DC خروجی لامپ به توان RF می باشد که عبارتست از توان RF می شود ، راندمان تبدیل برقراری جریان الکترونها لازم است . البته مهندسین سیستم بیشتر، راندمان کلی فرستنده را مورد توجه قرار می دهند. دو ساختار اصلی برای رادارها وجود دارد یکی نوسان س از توان بالای خود تحریک از جنس مگنترون و دیگری یک تقویت کننده توان بالا ، که خود شامل یک نوسان ساز پایدار و کم توان است و خروجی آن پس از یک یا چند مرحله تقویت به میزان مورد نیاز تقویت می شود. فرستنده هایی که از تقویت کننده های توان بهره می گیرند عموماً دارای توان بیشتری بوده و نیز حجیم ترند ، در عین حال دارای پایداری بیشتری نیز می باشند و سایر رادارهای داپلر حایز اهمیت است. MTI که این امر برای رادار
مگنترون نوسان سازی است که بیش از هر لامپ دیگری در سیستم های راداری کاربرد دارد . مگنترون کلاسیک دارای وزن و اند ازه مناسب، قیمت کم و بازدهی زیاد می باشد . ولتاژ کاری آن به قدری کم است که آن نیز قابلیت اعتماد، طول عمر (دوام) و پایداری (coaxial) نمی شود و نوع هم محور x باعث تولید اشعه بیشتری نسبت به نوع کلاسیک آن دارد و اما تقویت کننده های کلیسترون توان بالا، بهره زیاد ، پایداری و و تراکم پالس را در اختیار طراح قرار می دهد و د ر رادارهای توان بالا MTI بازدهی خوب و لازم برای رادارهای مشابه تقویت های کلیسترون است با این تفاوت که وسعت کاری و TWT مورد توجه قرار می گیرد . لامپ هم از خانواده CFA پهنای باند آن بسیار وسیع تر می باشد و بهره کمتری دار د. تقویت کننده میدان متقاطع یا از پهنای باند وسیعی برخوردار است اما بهره آن نسبتا کمتر است، بنابراین در یک TWT مگنترون بوده و مانند زنجیره تقویت، بیش از یک مرحله تقویت لازم دارد. نوسان ساز مگنترون: این نوسان ساز توان بالا در سال 1939 اخت راع شد و بیش از هر وسیله دیگری در پیدایش و توسعه رادارهای مایکروویو در زمان جنگ جهانی دوم نقش داشت و از آنجا که میدان الکتریکی آن بر یک میدان مغناطیسی ساکن عمود است، یکی از انواع ابزارهای میدان متقاطع محسوب می شود . این کاربرد حفره های تشدید کننده در ساخت ار مگنترون بود که امکان تولید یک نوسان ساز مایکروویوی کارآمد و با توان و بازدهی زیاد را فراهم کرد.
مگنترون دارای مجموعه ای از حفره ها و شیارهاست که مانند مدارهای تشدید عمل می کنند و کاری مورد استفاده در فرکانس کمتر ) انجام می دهند . حفره ه ا، معادل سیم پیچ های ) LC مشابه مدارهای تشدید و L نامیده می شود) هر یک از p القاگر، و شیار ها معادل خازن می باشند . در حالت کاری مطلوب ( که حالت ها با هم موازی هستند و فرک انس مگنترون تقریبا برابر فرکانس هر یک از تشدیدکننده ها است . کاتد باید از C جنس سختی باشد تا بتواند در مقابل گرما و تجزیه ناشی از برخوردهای الکترونی (بمباران معکوس الکترونی ) مقاومت کند . بمباران معکوس الکترونی موجب افزایش دمای کاتد شده و گسیل الکترونهای ثانویه را به دنبال دارد به همین دلیل است که پس از شروع نوسان، برق سیم گرمساز کم و یا قطع می شود . تقاطع میدانهای الکتریکی و مغناطیسی باعث می شود که الکترونها تقریبا به محض گسیل شدن از کاتد به طور کامل دسته بین حفره های مجاور 180 RF بندی شوند . بهترین حالت کاری مگنترون حالتی است که در آن فاز میدان گویند. p درجه اختلاف فاز داشته باشند که به آن حالت هستند، یعنی می توانند با دو فرکانس (degenerate) از نوع چند فرکانسی p تمام حالتها به جز حالت مختلف متناسب با چرخش نمودار ایستا و عوض شدن جای گره و شکم ، نوسان کنند. بنابراین در یک مگنترون فرکانس وج ود دارد که مگنترون می تواند در هر یک از این حالتها نوسان کند و این مسئله (n- حفره ( 1 n با p ریشه مشکل پایداری است ولی مگنترون باید فقط برای یک حالت کاری غالب طراحی شود که معمولا حالت را ترجیح می دهند زیرا به آسانی از سایر حالتها جدا می شود. در حفره مرکزی ذخیره می شود می توان با وارد کردن یک محور متحرك (مانند RF چون بیشتر انرژی پیستون) در حفره به طوریکه تماسی با جدار آن نداشته باشد، مگنترون را با اطمینان در یک باند وسیع تنظیم نمود. فرکانس مگنترون معمولی با وارد کردن این عنصر تنظیمی که میزان القاگری (اندوکتانس) مدار تشدید را تغییر می دهد قابل تغییر است . لازم نیست که حرکت عناصر تنظیم زیاد باشد بلکه حرکت کسری از اینچ برای تغییر 5 تا 10 درصدی فرکانس کار کافی است . در مگنترونهای معمولی، تغییر فرکانس از طریق تغییر ظرفیت خازنی نیز امکان پذیر است . در رادارهای ب ا تغییر سریع فرکانس، فرکانس مگنترون ممکن است پالس به پالس و به گونه ای تغییر کند که تمام باند تنظیمی را بپوشاند . چنین رادارهایی ممکن است برای تسهیل در کشف هدفهای دارای سطح مقطع متغیر و کاهش اثر لرزش هدف به کار روند . این تنظیم سریع در یک باند باریک به منظور ایجاد تغییرات فوری فرکانس را گاهی تنظیم موتوری یا تنظیم دید می نامند. تقویت کننده کلیسترون:
کلیسترون نمونه ای از لامپهای دارای پرتو خطی می باشد، مشخصه بارز لامپهای دارای پرتو خطی آن است که الکترونهای صادر شده از کاتد، به صورت یک پرتو استوانه ای و بلند درمی آیند که قبل از رسیدن به ناحیه تمام انرژی پتانسیل میدان الکتریکی را دریافت می کند . لامپهای کم قدرت ممکن است برای ،RF واکنش جفت کردن پیام با پرتو در دهانه ورودی خود دارای یک شبکه باشند در حالیکه در لامپهای پر قدرت معمولا در دهانه ورودی شبکه ای وجود ندارد ز یرا شبکه نمی تواند قدرت زیاد را تحمل کند. در مورد پهنای باند باید گفت فرکانس این نوع نوسان ساز به وسیله حفره های تشدید آن تعیین می شود که اگر تمام حفره ها برای یک فرکانس تنظیم شده باشند، بهره لامپ زیاد، اما پهنای باند آن کم خواهد بود . به این روش، تنظیم هماهنگ می چند IF گویند. افزایش پهنای باند کلیسترونهای چند حفره ای به گونه ای مشابه افزایش پهنای باند نوسان ساز مرحله ای است یعنی با تنظیم هر یک از حفره ها به یک فرکانس متفاوت بدست می آید که به آن تنظیم ردیفی گویند. بدین ترتیب پهنای باند گسترش خواهد یافت.
یا لامپ موج سیار: TWT
هم یکی دیگر از انواع لامپهای با پرتو خطی می باشد و از این لحاظ که واکنش بین پرتو الکترونی و TWT که TWT رخ می دهد با کلیسترون تفاوت دارد . ویژگی خاص TWT در سرتاسر فضای انتشار RF میدان مورد توجه مهندسین قرار دارد، پهنای باند نسبتا وسیع آن است ، زیرا در کاربری هایی که به تفکیک فاصله ای خوب نیاز باشد و یا اجتناب از اختلالهای عمومی و یا تداخل بین رادارهای مجاور مورد توجه باشد ، استفاده از مشابه کلیسترون است، اما معمولا مقادیر آنها اندکی کم تر TWT باند وسیع ضرورت دارد . بهره، بازدهی و توان از کلیسترون با همان ابعاد می باشد . در این تقویت کننده ها یک میدان مغناطیسی محوری هم وجود دارد که RF خود را به میدان DC مانند کلیسترون، تمرکز پرتو الکترونی را حفظ می کند ، پس از اینکه الکترونها انرژی تحویل دادند، به وسیله الکترودها جمع آوری می شوند. کلیسترون می تواند د ر گستره نسبتا وسیعی از ولتاژ پرتو کار کند بدون اینکه تغییر عمده ای در بهره آن های پرقدرت در صورتیکه ولتاژ پرتو آنها کاهش یابد دچار نوسان می شوند TWT ایجاد شود در حالیکه بنابراین هر چه پهنای باند لامپ بیشتر باشد، قدرت تحمل پرتو آن در برابر تغییرات ولتاژ هم بیشتر خواهد بود . ها علاوه TWT . هم مشابه نیازهای کلیسترون است اما مشکلتر از آن می باشد TWT نیازهای حفاظتی لامپ بر اینکه بعنوان یک لامپ توان بالا در سیستم های راداری پرقدرت مورد استفاده قرار می گیرد، در سطوح توان پایین تر نیز بعنوان راه انداز لامپ های پرقدرت (از قبیل تقویت کننده های میدان متقاطع )، و در رادارهای آرایه فازی که برای افزایش قدرت از تعداد زیادی لامپ استفاده می کنند، هم به کار می روند.
:CFA تقویت کننده های میدان متقاطع یا

هم مانند مگنترون ، وجود میدانهای الکتریکی و مغناطیسی عمود بر CFA مشخصه بارز تقویت کننده های هم می باشد . اینگونه لامپ ها، بازدهی زیاد حدود 40 تا 60 درصد دارند، ولتاژ نسبتا کم، اندازه کوچک و وزن کم دارند و برای استفاده در سیستم های سیار، مفید هستند. این تقویت کننده ها، طیف وسیع، توان اوج بالا و پایداری فاز ی خوبی دارند اما بهره آنها چندان بالا نمی باشد البته برای دستیابی به قدرت بیشتر می توان را به طور موازی در مدار قرار داد . این لامپها می تواند به عنوان تقویت کننده بعد از مگنترون CFA تعدادی بعنوان بخش راه انداز و TWT و CFA بعنوان بخش تقویت کننده توان نوسان ساز یا به همراه سایر لامپهای یا بعنوان فرستنده مجزا در رادارهای آرایه فازی پرتوان مورد استفاده قرار گیر ند. تقویت کننده میدان متقاطع از اصول واکنش الکترونی مگنترون بهره می گیرند، بنابراین همان ویژگی های مگنترون را دار است و (CFA) TWT از جوانبی نیز مشابه CFA . از نظر ظاهری هم مشابه مگنترون هستند ،CFA حتی بسیاری از لامپهای هستند زیرا تقابل الکترونی در هردوی آنها به رو ش موج متحرك (سیار) صورت می گیرد . اجزای تشکیل دهنده انواع این تقویت کننده ها عموماً عبارتند از : ساختار کاهنده سرعت موج، کاتد، آند و دریچه های ورودی و خروجی الکترون.
فرستنده های نیمه هادی:
دو گروه نیمه هادی وجود دارند که در سیستم های راداری بعنوان منابع بالقوه انرژی مایکروویو تلقی می شوند یکی تقویت کننده های ترانزیستوری و دیگری دیودهای مایکروویو یک قطبی ، که بعنوان نوسان ساز و یا تقویت کننده با مقاومت منفی، عمل می کنند . در گذشته ترانزیستورهای دو قطبی سیلیسی در فرکانسهای و پایین تر) مورد استفاده قرار می گرفتند و دیودها در فرکانسهای بالاتر به کار می L پایین مایکروویو (باند از جنس گالیوم – آرسنید نیز در فرکانسهای بالاتر استفاده می شدند، از ویژگیهای FET رفتند. ترانزیستورهای این دو نوع مولد امواج مایکروویو ترانزیستوری و دیودی، قدرت کم آنها در مقایسه با لامپهای پرتوان (قدرتی ) ذکر شده می باشد . به دلیل قدرت کم و سایر ویژگیهای ابزار نیمه هادی، کاربرد آنها در سیستم های راداری با کاربرد لامپهای پرقدرت متفاوت است . گرچه در زمینه ابزار های نیمه هادی، پیشرفتهای چشمگیری حاصل شده و آنها از ویژگیهایی متفاوت با سایر منابع مایکروویو برخوردارند، اما میزان کاربری آنها در سیستمهای راداری همچنان محدود است.
ترانزیستورهای مایکروویو:
از یک ترانزیستور مایکروویو بدست می آید، مم کن است به دهها وات L مقدار انرژی پیوسته ای که در باند برسد، برخلاف لامپهای خلا، توان اوجی که ترانزیستورها، با پ السهای باریک می توانند ایجاد کنند فقط در حدود دو برابر توان پیوسته آنها می باشد و این امر باعث می شود که ترانزیستورها، با پالسهای پهن و ضریب کاری زیاد، کار کنند ولی در رادارهای تجس سی هوابرد ممکن است پهنای پالس به دهها میکرو ثانیه یا بیشتر هم برسد 0 که خیلی بیشتر از ضریب کار لامپهای مایکروویو است مواجه شویم. این ضریب کاری زیاد، / و با ضریب کاری 1 طراحان سیستم راداری را متقاعد نمود که فرستنده های نیمه هادی نمی توانند جایگزین فرستنده های لامپی گردند و برای استفاده از نیمه هادی ها باید مبانی طراحی سیستم را بطور کلی تغییر داد. به هر حال برای استفاده از نیمه هادی ها در سیستم های راداری، مشکلات زیادی جدا از قیمت نیز وجود دارد، همانطور که اشاره شد فرستنده های نیمه هادی تفاوت چشمگیری با فرستند ه های لامپی دارند . بخش اصلی مولد انرژی نسبتا کوچک است، بنابراین برای کسب انرژی مورد نیاز رادار بخشهای تقویت کننده زیادی باید با هم ترکیب شوند، هر چه فرکانس بالاتر باشد انرژی حاصل از عناصر نیمه هادی کمتر و ترکیب انرژی زیاد PRF بعلت افزایش عناصر مورد نیاز دشوارتر خو اهد بود . رادارهای ترانزیستوری باید پالسهای بلند و یا داشته ب اشند که عموماً هیچکدام برای رادار مطلوب نمی باشد به همین دلیل کاربرد آنها محدود و خاص به می شود، در رادارهای نظامی پالس پهن یک ایراد CW مواردی از قبیل رادارهای پالس داپلر یا رادارهای محسوب می شود زیرا با شروع پالس پهن سیستم های ایجاد نویز و اختلال می توا نن د فرکانس کاری رادار را مشخص نموده و در خلال دوره پالس، بسرعت سیستم ایجاد نویز و اختلال را بر روی فرکانس صحیح تنظیم کنند و ضمنا شناسایی و ردیابی رادار نیز آسان تر می باشد.
مدولاتورها:
کار مدولاتورها روشن و خاموش کردن لامپ فرستنده به منظور تولید شکل موج مورد نظر می باشد، اگر موج ارسالی به صورت پالس باشد، مدولاتور را پالس ساز هم می گویند . هر لامپ توان بالا، ویژگیهای خاص خود را دارد که تعیین کننده نوع مدولاتور مورد نیاز می باشد . مثلا مدولاتور مگنترون باید طوری طراحی شود که و TWT قدرت تحمل تمامی انرژی پالس را داشته باشد و یا از سوی دیگر خواهیم دید که تمام انرژی لامپهای کلیسترون را می توان به وسیله مدولاتورها که فقط بخش کوچکی از کل انرژی پرتو را تحمل می کند قطع و غالبا از نوع کلید کاتدی می باشند CFA وصل نمود . این نوسان ساز ها دارای ک لید آندی هستند ولی لامپهای نیز دارای عملکرد مستقیم هستند یعنی می CFA که به مدولاتور پرقدرت نیاز دارند البته برخی از لامپهای روشن شده و با اعمال یک پالس باریک و کم انرژی به الکترود قطع یا همان خامو ش RF توانند با شروع پالس روشن و خاموش می شوند و به ،RF با شروع و خاتمه پالس CFA شوند، همچنین برخی دیگر از لامپهای مدولاتور نیازی ندارند.
انرژی حاصل از یک منبع ، انرژی در دوره بین پالسی (زمان بین دو پالس )، در یک عنصر ذخیره ساز انرژی ذخیره می گردد . امپدانس شارژ، سرعت تح ویل انرژی به عنصر ذخیره ساز را محدود می کند . در یک زمان بسرعت تخلیه گرد یده و شکل پالس را RF معین، کلید بسته شده و انرژی ذخیره شده از طریق بار یا لامپ عناصر پایه ای یکی
از انواع مدولاتور پالس عنصر ذخیره امپدانس شارژ انرژی منبع انرژی o بار کلید o مسیر دشارژ مسیر شارژ ایجاد می کند . در طول دوره تخلیه بار، امپدانس شارژ از هدر رفتن انرژی موجود در عنصر ذخیره گر جلوگیری می کند.
۴) گیرنده های راداری:
کار گیرنده رادار، آشکار سازی پی امهای اکوی مورد نظر در حضور نویز ، تداخل یا کلاتر می باشد . گیرنده باید پیامهای مطلوب را از نامطلوب جدا نموده و پیامهای مطلوب را تا حدی که اطلاعات هدف برای کاربر قابل نمایش بوده و یا د ر داده پرداز خودکار ق ابل استفاده باشد، تقویت نماید . ساختار گیرنده رادار نه تنها به شکل موج آشکار شونده بستگی دارد، بلکه به ماهیت اکوهای کلاتر ، تداخل و نویز که با پیامهای اکو مخلوط می شوند هم بستگی دارد . نویز ممکن است از طریق پایانه آنتن، به همراه پیام مورد نظر، وارد گیرنده شود و یا ممکن است در داخل خود گیرنده ایجاد گردد البته در فرکانس های مایکروویو که معمولا در رادار به کار می روند، نویزهای خارجی که از طریق آنتن وارد گیرنده می شوند به قدری ناچیز است که معمولا حساسیت گیرنده را بر حسب نویز داخلی گیرنده تنظیم می کنند ، مقدار نویز داخلی گیرنده را عدد نویز می نامند. خوب بودن گیرنده خروجی آن تعیین می شود. برای به حداکثر رساندن (S/N) بر مبنای بیشترین مقدار نسبت سیگنال به نویز و یا معادل آن باشد. (Matched Filter) نسبت سیگنال به نویز خروجی، گیرنده باید دارای یک فیلتر انطباقی گیرنده راداری را مشخص می کند. IF تابع پاسخ فرکانسی بخش Matched Filter قسمت بدیهی است که گیرنده باید طوری طراحی شود که کمترین نویز داخلی را بخصوص در طبقات ورودی که پیام های مطلوب در ضعیف ترین حالت خود هستند، ایجاد نما ید. در طراحی و ساخت گیرنده رادار، همچنین باید دستیا بی به بهره کافی، پایداری فاز و دامنه، برد دینامیک (پویا)، تنظیمات، استحکام و دوام و نیز سادگی و سوختگی های ناشی از تداخل (Over load) مورد توجه قرار گیرد، ابزار ایمن سازی در برابر بار اضافی فرستنده های مجاور هم باید فراهم گردد . همچنین زمانبندی و پیام مبنا هم برای استخراج صحیح اطلاعات رادارهای ردگیر یا رادارهایی که برای به حداقل ،MTI هدف ضروری است . رادارهای خاصی از قبیل رادارهای رساندن کلاتر طراحی شده اند هم هر یک شرایط خاصی را برای گیرنده ایجاب می کنند . گیرنده هایی که با نیاز دارند . (AFC) فرستنده های چند فرکانسی کار می کنند به نوعی سیستم خودکار کنترل فرکانس رادارهایی که با تداخلهای الکترونیکی مهاجم (ناشی از جنگ الکترونیک ) مواجه می شوند، به گیرنده هایی نیازمندند که بتوانند اثرات این گونه تداخلها را به حداقل برسانند . با توجه به مطالب اخیر طراحان سیستم های گیرنده برای تامین شرایط یک سیستم راداری پیشرفته و با کیفیت خوب با مس ایل و ضرورتهای خاصی روبرو هستند.
: TRF
یک گیرنده ساده منطقی می باشد حسن این نوع گیرنده که امروزه تنها به عنوان گیرنده TRF گیرنده فرکانس ثابت مورد استفاده قرار می گیرد، در سادگی و حساسیت زیاد آن می باشد . که این خود نسبت به و... regenation گیرنده هایی که تا آن زمان مورد استفاده قرار می گرفت مانند گیرنده های کریستالی پیشرفت بزرگی بود. که با هم هماهنگ شده اند (تطبیق یافته اند ) برای انتخاب و RF در این نوع گیرنده 2 تا 3 تقویت کننده تقویت فرکانس ورودی و سپس حذف سایر فرکانس ها مورد استفاده قرار می گیرند. سیگنال گزینش شده بعد از اینکه به حد قابل قبولی برسد تقویت و د مدوله (آشکار) می شود. این چنین گیرنده هایی به سادگی برای تنظیم می شوند ولی در فرکانس های بالاتر با مشکلاتی مو اجه KHz ورودی فرکانس های 535 تا 1640 بودند، که این بیشتر به دلیل خطر ناپایداری ناشی از تقویت زیاد یک فرکانس توسط یک تقویت کننده چند طبقه می باشد. تغییر عرض باند در طول فاصله تنظیم گیرنده است بعلاوه به علت استفاده ،TRF یکی از عیوب گیرنده اجباری از مدار های تطبیق شده تک فرک انسی در فرکانس های بالا امکان انتخاب فر کانس های مختلف به اندازه کافی وجود ندارد ، در عین حال تطبیق بین بلوکهای مختلف تقویت کننده نیز با مشکلا ت زیادی همراه است . این ضعف ها به همراه مشکلاتی چون ناپایداری، حذف غیرکافی (نامطلوب ) فرکانس های مجاور و تغییرات وجود داشت با استفاده از گیرنده سوپر هترودین برطرف شد. TRF پهنای باند که در گیرنده های گیرنده سوپر هترودین: در این نوع جدید از گیرنده ها ولتاژ سیگنال ورودی با ولتاژ نوسان ساز محلی جمع شده و معمولا به یک همان نوع مدولاسیون حامل (IF) سیگنال با فرکانس ثابت تبدیل می شوند ، سیگنالی که در این فرکانس میانی اصلی را دارد، در اینجا تقویت و آشکار می شود تا اطلاعات اولیه را تولید نماید بنابراین یک گیرنده سوپر می باشد مضاف ا کًه دارای میکسر ونوسان ساز محلی و تقویت کننده TRF هترودین دارای همان اجزای اساسی معمولا از 2 یا 3 ترانسفورمر استفاده می شود . با این IF نیز است . در تقویت کننده های (IF) فرکانس میانی تعداد زیاد مدارهای تطبیق شده مضاعف که در یک فرکانس ثابت تعیین شده کار می کنند، این تقویت است که تا حد زیادی تقویت مورد نیاز و در نتیجه حساسیت و پهنای باند لازم برای گیرنده را تامین IF کننده می نمایند. شمای کلی گیرنده سوپرهترودین LO fLO = fc ± fIF تقویت کننده آشکارساز دومین صدا تقویت کنند ه توان Demodulator ̃ RF IF آنتن BT < BRF < 2fIF امواج برگشتی سیگنال های ناخواسته BIF ≈ BT اولین تقویت کننده RF مستقل از فرکانسی است که گیرنده روی آن تنظیم شده است، انتخاب گری IF از آنجایی که تقویت کننده و حساسیت گیرنده سوپر هترودین معمولا در تمام باند آن نسبتا یکنواخت بوده و مشکل تغییر پهنای باند که اکثرا برای انتخاب فرکانس RF وجود داشت بوجود نمی آید . در این گیرنده ها از مدارهای TRF در گیرنده موردنظر و ر د فرکانس های تداخلی و ک اهش عدد نویز گیرنده کمک می گیرند. مزایای گیرنده سوپر هترودین گیرنده ه ایی با بان د ،FM و AM باعث شده تا در مواردی که گیرنده رادیویی مورد نیاز است ، مانند مخابرات جانبی تکی و حتی گیرنده های رادار ی، فقط با تغییرات جزیی در اجزای آن به مناس ب ترین نوع گیرنده با همان اصول اولیه هترودین دست یافت. :(Mixers) میکسرها در بسیاری از گیرنده های راداری سوپر هترودین، میکسرها اولین طبقه آنها را تشکیل می دهند . اگر چه عدد نویز گیرنده هایی که در طبقه اول آنها میکسر وجود دارد به کمی گیرنده های دیگر نیست اما برای بسیاری از کاربردهای رادار که عوامل دیگری بجز نویز کم در آنها اهمیت دارند، قابل قبول می باشند . کار میکسرها آن تبدیل کند. دیودهای شاتکی و IF را با کمترین تلفات و بدون پاسخ های نادرست به انرژی RF است که انرژی سیلیکان دارای تماس نقطه ای که اتصال نیمه هادی به فلز در آنها دارای مقاومت غیرخطی می باشد بعنوان GaAs ، میکسر مورد استفاده قرار می گیرند . البته در فرکانسهای مایکروویوی یا بالاتر در خانواده دیود شاتکی (گالیم- آرسنیک ) نسبت به سیلیکان برتری دارد . دیودهای شاتکی نسبت به دیودهای معمولی (دارای تماس نقطه ای ) عدد نویز کمتر ی دارند اما دیودهای تماس نقطه ای سیلیکان کمتر می سوزند . یکی دیگر از اجزای نیز از اهمیت خاصی IF است همچنین در طراحی میکسرها تقویت کننده (LO) میکسرها، نوسان ساز محلی برخودار است زیرا در بهبود عدد نویز کلی تاثیر بسزایی دارد. هم ظاهر می شود. اگر بخواهیم که IF در فرکانس ،LO بدلیل رفتار غیرخطی میک سرها، نویز همراه با پیام حذف گردد. یکی از راههای حذف این نویز، LO گیرنده از بیشترین حساسیت برخوردار باشد، باید نویز همراه با در بین نوسان ساز محلی و میکسر می باشد. فرکانس مرک زی این فیلتر ،RF قرار دادن یک فیلتر باند باریک و فرکانسهای تصویر، در LO و پهنای طیف آن باید باریک باشد تا نویز موجود در پیام ،LO باید برابر فرکانس بدون مشکلات مربوط به فیلترهای باند باریک، ،LO میکسر ظاهر نگردد . یکی دیگر از روش های حذف نویز استفاده از میکسرهای متوازن است. استفاده نمی RF در اوایل، گیرنده ه ای سوپر هترودین مایکروویو در ابتدای مدار خود از تقویت کننده های ساخته شده اند که عدد نویز مناسبی دارند . تقویت کنند های RF کردند اما اکنون تعدادی تقویت کننده ترانزیستوری را می توان در بخش وسیعی از طیف فرکانس راداری مورد استفاده قرار داد، در ترانزیستور های نوع گالیوم – آرسنید ، نویز گرمایی بیشتر از نویز شاتکی می باشد، بنابراین با خنک کردن می توان نویز FET آنها را کاهش داد. در سیستم های راداری از گیرنده های سوپر هترود ین، بدلیل حساسیت خوب، بهره زیاد، قابلیت گزینش فرکانس و ضریب اطمینان خوب تقریبا همیشه استفاده می شود و هیچ نوع گیرنده ای قابل رقابت با این نوع گیرنده ها نیست ند. در طراحی و ساخ ت گیرنده رادار، عوامل بسیاری دخالت دارند، اما در اینجا فقط عدد نویز بدلیل اینکه تعیین کننده حساسیت گیرنده می باشد مورد بحث قرار می گیرد. عدد نویز: عدد نویز، مقدار نویز ایجاد شده توسط یک گیرنده واقعی، نسبت به نویز یک گیرنده ایده آل است و عدد نویز یک شبکه خطی را می توان به صورت زیر تعریف کرد: n F = out out in in S N S N = K B G N n out o T آنها برابر، اما عدد نویز و ( Bn ) در جایی که چند شبکه متوالی داشته باشیم در صورتی که پهنای باند نویز بهره مفید آنها متفاوت باشد نیز خواهیم داشت: 1 2 1 2 1 3 1 2 1 ... 1 1 ... 1 - - + + - + - = + N N t GG G F GG F G F F F ام می باشد. از طرف دیگر می توان نویز i بهره (گین) طبقه ،Gi ام و نیز i عدد نویز شبکه ، Fi که در آن نیز بیان کرد که عبارتست از مقدار دمای موجود در ورودی ( Te ) حاصل از یک شبکه را به صورت دمای نویز در خروجی می گردد بنابراین: DN شبکه که باعث ایجاد نویز N G eD = KT B ... 1 2 3 1 2 1 = + + + GG T G T T T e دمای نویز یک گیرنده چند طبقه عدد نویز یک گیرنده در حین کار رادار افزایش می یابد و باعث کاهش قابلیتهای آن می گردد . بنابراین در یک رادار عملیاتی باید وسیله ای برای نشان دادن عدد نویز فراهم گردد تا در صورتی که حساسیت گیرنده ب دتر شود، بتوان آن را تشخیص داده و تصحیح نمود . نشان دادن عدد نویز ممکن است به صورت خودکار انجام شود و یا توسط کاربر صورت گیرد . به کمک یک منبع نویز طیف پهن که شدت آن معلوم باشد، از قبیل لامپ گ ازی و یا یک منبع نویز نیمه هادی، می توان عدد نویز گیرنده را اندازه گیری نمود. علاوه بر عدد نویز، عوامل دیگری هم در انتخاب اولین طبقه یک گیرنده موثر هستند . هزینه، سوختن عناصر ، برد دینامیکی ، پهنای باند لحظه ای، مقدار قابلیت تنظیم، پایداری فاز و دامنه و نحوه خنک کردن، نیز بر انتخاب طبقه اول گیرنده تاثیر بسزایی دارند. :(Duplexer) داپلکسر داپلکسر وسیله است که به یک رادار امکان می دهد که هم بعنوان گیرنده و هم بعنوان فرستنده مورد استفاده قرار گیرد . در هنگام ارسال باید گیرنده را در برابر سوختن و یا خرابی محافظت کند و در هنگ ام دریافت باید مسیر را برای عبور پیام اکو باز نماید . داپلکسرها بخصوص در رادارهای پرقدرت ، از نوعی وسیله گازی (جهت خالی کردن بار خازن خود) و همچنین از قطعات نیمه هادی استفاده می کنن د. در موارد عادی ممکن است توان اوج فرستنده به چند مگاوات برسد و این در حالیست که بهترین توانی که گیرنده می تواند با ایمنی تحمل 60 جدایی ایجاد dB بکند ش اید کمتر از چند وات باشد بنابراین داپلکسر باید بین فرستنده و گیرنده بیش از کند و در عین حال پیامهای مورد نظر را تضعیف نکند، علاوه بر این در فاصله بین پالسها و یا زمانیکه رادار خاموش است، گیرنده باید در مقابل تابشهای پرقدرت رادارهای مجاور ک ه ممکن است با قدرتی کمتر از میزان لازم برای فعال کردن داپلکسر، اما بیش از میزان قابل تحمل برای گیرنده، وارد آنتن رادار گردند، محافظت گردد. برای این کاربرد دوگانه آنتن های رادار دو روش اصلی وجود دارد ، در روش قدیمی که بوسیله داپلکسر ارسال – ) TR انشعابی و داپلکسر متوازن انجام می شد و برای انجام عملیات قطع و وصل خود از لامپهای گازی دریافت) استفاده می کردند و در روش دوم ، برای جداسازی فرستنده و گیرنده از سرکولاتور (موجگردان ) فریت و دیود محدود کننده استفاده می کنند. TR و یک محافظ گیرنده شامل لامپ گازی :(Branch Type Duplexer) داپلکسر انشعابی و TR این نوع داپلکسر از قدیمی ترین اشکال داپلکسر است که مورد استفاده قرار گرفته و شامل یک کلید ضد ارسال – دریافت ) است که هر دوی آنها از نوع گازی هستند . هر گاه فرستنده روشن ) ATR یک کلید یونیزه می شوند و روش ن می شوند (شروع بکار می کنند ). در هنگام دریافت ATR وTR باشد، گاز درون که به فاصله 4 ATR فعال نیستند. مدار باز ATR و TR فرستنده خاموش است و هیچکدام از لامپهای از l خط انتقال اصلی فاصله دارد در مسیر خط انتقال مانند یک اتصال کوتاه ظاهر می شود و چون این اتصال کوت اه به اندازه 4 با خط انتقالی انشعابی گیرنده فاصله دارد، فرستنده به طور موثری از خط جدا شده و انرژی پیام l اکو مستقیما بسوی گیرنده هدایت می شود. :(Balanced Duplexer) داپلکسر متوازن این داپلکسر شامل دو قطعه موجبر است که به صورت طولی، کنار هم قرار گرفته و از یکی از دایواره ها بهم چسبیده اند و در محل اتصال دیواره باریک و مشترك آنها یک شکاف ایجاد شده که امکان انتقال انرژی بین دو شاخه را فراهم می کند . در حالت ارسال از طریق اولین اتصال شکافدار، انرژی به طور یکسان در هر دو موجبر فعال شده و انرژی را به سمت شاخه آنتن هدایت می کنند و در حالت TR توزیع می شود و هر دو لامپ غیر فعال هستند و پیام اکو از داپلکسر عبور نموده و به گیرنده می رسد. توان قابل تحمل TR دریافت، لامپهای این داپلکسر از داپلکسرهای انشعابی بیشتر است و پهنای باند آن هم وسیع تر می باشد. :(TR Tube) لامپهای ارسال و دریافت پرقدرت، یونیزه و فعال شده و با جذب RF این لامپها یک وسیله گازی هستند که به محض ورود انرژی انرژی به طور ناگهانی و به سرعت غیر فعال می گرد ند. داپلکسرهایی که از ابزارهای محافظ غیرفعال استفاده می کنند، مدت بازیابی (زمان گذرا) بین کسری از میکروثانیه تا ده ها میکروثانیه دارند و با بکارگیری اصول م التی پلکس (انتخاب سریع انرژی های مایکروویو توان بالا)، زمان بازیابی را می توان به زیر 5 نانوثانیه هم رساند. مالتی پلکس یک لامپ خلا است و صفحاتی د ارد که در اثر برخورد یک الکترون ، الکترونهای ثانویه زیادی الکترونها را وادار به برخوردهای پیاپی می کند تا با پرتاب الکترونهای ثانویه، یک ابر ،RF آزاد می کنند . انرژی ورودی حرکت RF الکترونی وسیع ایجاد نماید، این ابر الکترونی به صورت همفاز با نوسانات میدان الکتریکی را جذب م ی کند . ایراد م التی پلکسر آن است که پیچیده بوده و در صورت RF کرده و بخشی از انرژی میدان خاموش بودن دستگاه ایمنی گیرنده را تامین نمی کند. آنتن های راداری: نقش آنتن آن است که در حین ارسال، انرژی تابشی را به شکل یک پرتو معین که به جهتی خاص در فضا اشاره دارد متمرکز نماید و در هنگام دریافت، انرژی موجود در پیام اکو را جمع آوری نموده و به گیرنده تحویل دهد بنابراین ، آنتن رادار دو نقش متضاد اما هم ربط را ایفا می کند . این دو نقش عبارتند از بهره ارسال و سطح مفید دریافتی زیاد. سطح مفید وسیعی که برای کشف هدفهای دور لازم است، باعث باریک شدن پهنای پرتو می گردد و اهمیت پرتوهای باریک آنجا آشکار می شود که بخواهیم تعیین اندازه زاویه بطور دقیق انجام شود و یا هدفهای نزدیک بهم از یکدیگر تمیز داده شوند. مزیت فرکانسهای مایکروویو در سیستم های راداری آن است که برای سطوح به ابعاد فیز یکی کوچک ، می توان به راحتی پرتو های باریک ایجاد نمود و از ویژگیهای بارز آنتنهای راداری، پرتوهای جهت دار آنها می باشد که معمولا بسرعت می چرخند، با این دو پارامتر می توان محیط را حتی به صورت نقطه ای مورد بررسی قرار داد. در اینجا در مورد هدایت جهت دار پرتو دو تعریف متفاوت اما نزدیک به ه م برای آنتن وجود دارد، توانایی گویند و بهره توان (بهره انرژی) که با (GD ) آنتن در متمرکز کردن انرژی در یک جهت معین را ضریب هدایت نشان داده می شود ، که تلفات هدر دهنده آنتن را هم در نظر می گیرد اما تلفات سیستمی ناشی از G حرف عدم انطباق امپدانس یا قطبیت را شامل نمی شود. G = 2 4 l p e A = 2 4 l p aP A شدت تابش آنتن جهت دار مورد نظر
شدت تابش آنتن ایزتروپ (همه جهته) و با همان انرژی G = حداکثر شدت تابش
Directive Gain GD = میانگین شدت تابش -5 مراجع :
1) سیستمهای مخابراتی، ا.ب.کارلسون ترجمه محمد خیام روحانی
2) INTRODUCTION TO RADAR SYSTEMS
Third Edition - by Merrill I.Skolnic
3) ANTENE THEORY AND DESIGN L.Stutzman – Virginia Polytechnic Institute

 http://www.ewa.ir/ )4)

 http://www.irandoc.ac.ir(5)

__________________

__________________



امکانات وب