אנטנות עקיבה – דיוק זוויתי גבוה מרוחב האלומה
-- אנטנות ד"ר עלי לוין אנטנות עקיבה – דיוק זוויתי גבוה מרוחב האלומה אנטנות עקיבה השומרות על כיוון קבוע מול המטרה )להבדיל מאנטנות חיפוש הסורקות את המרחב( ,אינן מבוססות על אלומת קרינה חרוטית ,אלא על אלומות הפרש מיוחדות המאפשרות דיוק זוויתי גבוה בהרבה מרוחב האלומה ב אנטנות מכ"ם כיווניות ,שהן מטבען בעלות שבח גבוה ,משתמשים לעתים כדי לעקוב ) (Trackאחר מטרות ולמדוד את הכיוון שלהן. גם באנטנות תקשורת כיווניות יש משמעות ליכולת לשמור על כיוון קבוע מול היעד ולעקוב אחריו. עקום הקרינה של האנטנה באנטנות כיווניות ,שבהן אלומת הקרינה היא צרה ,רוצים לשדר ולקלוט בדיוק בכיוון שבו הקרינה מכסימלית .אך אם המטרה אינה מכוונת בדיוק אל המכסימום ,מתקבל הפסד התלוי ברוחב הזוויתי של אלומת הקרינה ובצורתה המדויקת .עבור רוב הצרכים המעשיים ניתן לקרב את הצורה של אלומת הקרינה לפי משוואה ) (1כדלקמן: ](1) P(θ) = exp²[- k (θ / θ3dB)² כאשר: ) P(θהוא עקום הקרינה להספק פרמטר ידוע הקשור לאלומת הקרינה של האנטנה )ניקח k (k=1.38 זווית הסטייה מן הכיוון המכסימלי θ θ3dBרוחב האלומה בנקודות חצי הספק נדגים את הערכים המתקבלים בעזרת טבלה .1כדלקמן: באנטנות צלחת ניתן לממש עקיבת מונופולס על ידי 4זנים צמודים זה לזה Pattern Loss θ / θ3dB במאמר זה נתייחס בעיקר לאנטנות העוקבות אחר מטרה נעה ומודדות את הכיוון שלה .השאלה העיקרית היא מהו הדיוק הזוויתי של העקיבה ומהו הקשר שלו לרוחב האלומה של האנטנה .נתייחס לחמישה מקרים: • עקיבה בחוג פתוח בעזרת אלומת "עיפרון" )(Pencil Beam • עקיבה בחוג פתוח בשיטת Step Track • עקיבה בחוג סגור על-ידי סריקה חרוטית ) (Conical Scanעם 4 אנטנות • עקיבה בחוג סגור מסוג מונופולס ) (Monopulseעל-ידי אנטנה המחולקת ל 4-רביעים • אינטרפרומטריה באמצעות אנטנות מרוחקות זו מזו 0.05 dB 0.05 0.1 dB 0.10 0.3 dB 0.15 0.5 dB 0.20 0.8 dB 0.25 1.1 dB 0.3 2 dB 0.4 3 dB 0.5 8 dB 0.8 התוצאה הבולטת ביותר היא שעבור אנטנות עוקבות מסוג סריקה חרוטית ומונופולס ,המטרה נכנסת לאלומת הפרש ולא לאלומת סכום והדיוק הזוויתי יחסי לרוחב האלומה מחולק בשורש יחס אות לרעש. כלומר ,עבור יחס אות לרעש מספיק גדול ,הדיוק הזוויתי הוא 1/10עד 1/20מרוחב האלומה ,וזאת בניגוד למכ"מי חיפוש שבהם כושר ההפרדה הזוויתי הוא בערך רוחב האלומה עצמו. טבלה .1הפסד אלומה עקב סטייה בין האנטנה לבין המטרה רואים היטב כי כאשר סוטים ממרכז האלומה נוצר הפסד אלומה הולך וגדל .כאשר סטיית האלומה מגיעה למחצית רוחב האלומה )כלומר חופפת את נקודת מחצית ההספק( הפסד האלומה הוא כצפוי .3dB יולי WaveTech 2008 )המשך בעמ' (-- -- אנטנות )המשך מעמ' (-- עקיבה בחוג סגור עקיבה בחוג פתוח במקרה זה האנטנה מכוונת לכיוון מסוים במרחב בהתאם לאות בקרה חיצוני .אות הבקרה הנומינלי מפעיל מסובב אנטנות ) (Positionerכך שזווית הראייה של האנטנה קרובה לזווית של האות המשודר או הנקלט, עד כדי הסטה של θoביניהם. אם כיוון המטרה ידוע מראש )כגון באנטנה העוקבת אחר לוויין( ניתן לתכנת את אות הבקרה בדיוק רב לאורך המסלול ולהשיג עקיבה מדויקת אחר המטרה .דיאגרמת בלוקים של מערכת עקיבה בחוג פתוח מובאת באיור .1יש להעיר כי במקרים מסוימים ,כאשר האנטנה מוזזת על-ידי גורמי סביבה מקומיים כגון רוח או תנועה של מערכת העקיבה כולה ,ניתן למדוד את זווית הסטייה ולתקן אותה בהתאם .סוג כזה של משוב ,שאינו תלוי באות הנקלט באנטנה ,עדיין נקרא חוג פתוח. במקרה זה אומנם האנטנה מכוונת לכיוון מסוים במרחב בהתאם לאות בקרה חיצוני ,אך דגימה של האות הנקלט באנטנה מוזנת לחוג משוב המתקן את כיוון האנטנה כמוראה באיור .2 איור .2דיאגרמת בלוקים של עקיבה בחוג סגור סריקה חרוטית כדי להגדיל את דיוק המדידה ,רצוי שהמטרה תיכנס לאלומה בעלת שיפוע חד ,כלומר לתוך פונקציה עם מינימום מקומי .לצורך זה הומצאה שיטת הסריקה החרוטית שבה מייצרים 4אלומות נפרדות ,המוסטות מן הכיוון המרכזי בזווית ,θcוממתגים את הקליטה בין 4האלומות בזו אחר זו )ימינה ,שמאלה ,מעלה ומטה( כך שהמטרה נמצאת בתוך "אפס" במרכז ציר הסיבוב ,לפי איור .3לעיתים מכנים שיטה זו ,או גירסאות דומות שלה ,בשם שיטת האונות העוקבות ).(Sequential Lobes איור .1דיאגרמת בלוקים של עקיבה בחוג פתוח קיימת שיטת עקיבה מיוחדת בחוג פתוח הנקראת עקיבת צעד )Step (Trackומשתמשים בה בעיקר בתקשורת לוויינים .בשיטה זו מכוונים את האנטנה לשלושה כיוונים בזה אחר זה :כיוון המכסימום ,הסטה קבועה ימינה בזווית θoוהסטה קבועה שמאלה בזווית .-θoזווית ההסטה האופטימלית היא בדרך כלל עד נקודת מחצית ההספק של האלומה, כלומר θo / θ3dB = 0.5 זווית השגיאה בין הכיוון הרצוי לבין הכיוון המושג θerrorניתנת לתיאור על-ידי משוואה )(2 (2) θerror = - ( θ3dB² /4kθo) lnR כאשר: θ3dBהוא רוחב האלומה בנקודות חצי הספק היא זווית הסטייה הנומינלית בין המטרה והאנטנה θo פרמטר ידוע הקשור לאלומת הקרינה של האנטנה )ניקח (k=1.4 k פרמטר ידוע )היחס בין שבח האנטנה בזוית θoלבין השבח R המכסימלי ,בדרך כלל ניקח (R = 0.6 הדיוק הזוויתי המושג ברמה של סטיית תקן אחת ניתן לתיאור פשוט יחסית בעזרת משוואה )(3 (3) σ = k θ3dB / √SNR כאשר: θ3dBהוא רוחב האלומה בנקודות חצי הספק פרמטר ידוע הקשור לאלומת הקרינה של האנטנה )ניקח (k=1.4 k SNRיחס אות לרעש )בהספקים( איור .3מבט מלפנים על 4האלומות הנוצרות בשיטת הסריקה החרוטית, היוצרות אפס במרכזן .בדרך כלל עומק האפס הוא 6-10dB המימוש של 4האלומות יכול להיעשות על-ידי 4אנטנות נפרדות כמודגם באיור ,.4או בעזרת חלוקת המיפתח של אנטנה אחת ל 4-רביעים והוספת פאזה יחסית φאו ,-φלרביעים השונים ,כמודגם באיור .5 הקשר בין כיוון האלומה θcלבין הסחת הפאזה φנתון על-ידי משוואה ):(4 (4) 2πd sin(θc) / λ = φ כאשר: dהוא המרחק בין הרביעים של האנטנה λהוא אורך הגל יולי WaveTech 2008 )המשך בעמ' (-- -- אנטנות גבוה( מוחזר מן המטרה ונקלט בשתי אלומות ההפרש. )המשך מעמ' (-- בשיטה זו אין צורך במיתוג בין אלומות וכל מדידת כיוון נעשית בעזרת דופק יחיד .השיטה נחשבת לשיטה המובילה והמדויקת ביותר עבור מכ"מי עקיבה .אלומת הסכום וההפרש )בציר אחד( מודגמת באיור .6 המטרה נמצאת בתוך "בור" עמוק ברמה של 20-30dBמתחת לאלומת הסכום ,כך שכל סטייה קלה מתורגמת ברגישות רבה לאות המתקן את כיוון האנטנה בהתאם .באיור .6אפשר לראות באופן איכותי כי בהנחה שקיימת קליטה טובה בעומק 20dBהרי הדיוק הוא בערך .0.05 θ3dB איור .4מימוש סריקה חרוטית בעזרת 4אנטנות UHFהמופנות ל 4-כיוונים איור .6אלומת סכום ואלומת הפרש באנטנת מונופולס טיפוסית איור .5מימוש סריקה חרוטית באנטנה אחת עם 4רביעים ומערכת מיתוג המייצרת 4אלומות שונות הממותגות בזו אחר זו המימוש של האנטנה נעשה על-ידי 4רביעים עם 4הזנות נפרדות .ההזנות עוברות דרך יחידת RFהמייצרת את 3האלומות השונות בעזרת רשת מפצלים היברידיים .רשת מונופולס שלמה היא רכיב נפוץ הניתן לרכישה מסחרית. למשל ,עבור אנטנה בגודל ) 10λ x 10λשבה המרחק בין הרביעים הוא (d=5λעם רוחב אלומה נומינלי )בהנחת מישקול מיפתח אחיד( של ,θ3dB = 50λ/d = 5°נייצר 4אלומות מוסטות בכיוון θc = ±4°כך שמרכז הסיבוב ,לפי טבלה ,1יהיה בנקודת .-8dBהסחת הפאזה הדרושה לפי משוואה ) (4היא.φ = 2π x 5 x cos(4°) = 125° : הדיוק הזוויתי ברמה של סטיית תקן אחת ,המושג בעזרת סריקה חרוטית ניתן לקירוב טוב על-ידי: (5) σ = 0.6 θ3dB / √SNR כאשר: θ3dBהוא רוחב האלומה בנקודות חצי הספק SNRיחס אות לרעש )הספקים( כך למשל ,לאנטנה שתוארה לעיל עם רוחב אלומה θ3dB = 5° ויחס אות לרעש של ,SNR = 50 = 17dBנצפה לדיוק זוויתי של .σ = 0.06 θ3dB = 0.4° איור .7מימוש אנטנת מונופלס עם 3אלומות בו-זמנית בעזרת אנטנה עם 4 רביעים ומערכת RFמתאימה ) 4מפצלים היברידיים( ניתן לממש יחידת מונופולס על-גבי זן של רפלקטור פרבולי .כלומר הזן מורכב מ 4-שופרים קטנים עם רשת מפצלים היברידיים והוא מאיר בו-זמנית את הרפלקטור הפרבולי תוך יצירת 3האלומות המבוקשות. הדיוק הזוויתי ברמה של סטיית תקן אחת ,המושג בעזרת אנטנת מונופולס ,ניתן לקירוב טוב על-ידי: מונופולס (6) σ = 0.3 θ3dB / √SNR אנטנת מונופולס )"דופק יחיד"( היא אנטנת עקיבה המייצרת בו זמנית 3אלומות :אלומת סכום ,Σאלומת הפרש בסיבוב ΔAZואלומת הפרש בהגבהה .ΔELפולס יחיד המשודר באלומת הסכום )שהיא בעלת שבח כאשר: θ3dBהוא רוחב האלומה בנקודות חצי הספק SNRיחס אות לרעש )הספקים( יולי WaveTech 2008 -- אנטנות כלומר ,טוב פי שניים מסריקה חרוטית וללא צורך במיתוג בין אלומות .למשל לאנטנה עם רוחב אלומה θ3dB = 2°ויחס אות לרעש SNR = 100 = 20d נצפה לדיוק זוויתי מעולה של .σ = 0.03 θ3dB = 0.06°במרחק של R = 10kmמן האנטנה ,דיוק המיקום הוא Δs = Rσ = 10meterבקירוב. אינטרפרומטריה נתאר שתי אנטנות המוצבות במרחק dזו מזו ,הקולטות באופן קוהרנטי אות באורך גל λכמודגם באיור .8זוית הראייה של המערך קשורה לפאזה היחסית בין האנטנות בהתאם למשוואה ) .(4ברור שאם d >> λתתקבלנה אונות סריג רבות ) .(Grating Lobesבהנחה שנוכל להתעלם מאונות הסריג ולהינעל על אונת הסריג הראשונה הניצבת במאונך למפתח ,הרי הרוחב הזוויתי של אונת הסריג הראשונה במעלות יהיה: על-פי הפרש הפאזות החשמלי בין שתי האנטנות )משוואה (.4קובעים את כיוון המטרה ,כאשר הדיוק מוכתב על-ידי משוואה .8מערך כזה אינו מתאים למכ"ם מפני שאין כאן אלומת סכום לשידור עם שבח גבוה ,אלא רק אלומות קליטה צרות מאד. למשל ,נניח שאורך הגל הוא λ = 3cmוהמרחק בין שתי האנטנות הוא .100λ = 3mבמקרה כזה הרוחב הזוויתי של אונת הסריג הראשונה יהיה θint = 50/100 = 0.5°ובהנחה של דיוק בזווית החשמלית של 2°נקבל דיוק זוויתי של .σ = 0.2° נסכם אפוא בטבלה .2את שיטות העקיבה השונות על-פי הדיוק הניתן להשגה בכל אחת מהן .רואים שבאנטנות עקיבה ייעודיות משיגים דיוק זוויתי של 1/10עד 1/20מרוחב האלומה עצמה. דיוק זוויתי שיטת עקיבה חוג פתוח Σ Beam חוג פתוח Step Track σ = 1.4 θ3dB / √SNR חוג סגור Conical Scan σ = 0.6 θ3dB / √SNR Monopulse σ = 0.3 θ3dB / √SNR חוג סגור אינטרפרומטריה ~ θ3dB σ = θ3dB 0.18 σφ טבלה .2הדיוק הזוויתי באנטנות עקיבה שונות איור .8מערך אינטרפרומטרי של 2אנטנות המוצבות במרחק d מראי מקום: )(7) θint = 50 λ / d cos(θ והדיוק הזוויתי ברמה של סטיית תקן אחת יהיה: (8) σ = θint 0.18 σφ כאשר: הוא אורך הגל λ המרחק בין שתי האנטנות d θintרוחב האלומה האינטרפרומטרית )אונת הסריג הראשונה( σφדיוק המדידה של הזווית החשמלית מערך אינטרפרומטרי כזה מתאים בעיקר לקליטת שידורים ממרחק רב. [1] R.B. Dybdal, Antenna Tracking, chapter 42 in: Antenna Engineering Handbook, Editor J.L. Volakis, McGraw Hill, 2007. [2] D.D. Howard, Tracking Radar, chapter 18 in: Radar Handbook, Editor M.I. Skolnik, 2nd edition, McGraw Hill, 1990. [3] IEEE Standard Test Procedures for Antennas, IEEE and John Wiley, 1979, pp. 113-116. ד"ר עלי לוין הוא מרצה בכיר לתקשורת ולאנטנות באפקה ,המכללה האקדמית להנדסה בת"א .בעלים ומנהל בחברת שדות וגלים בע"מ העוסקת בהנדסת אנטנות ובשכבה הפיזית של מערכות רדיו אלחוטיות .לשאלות[email protected] : יולי WaveTech 2008
© Copyright 2024