فصل دوم
آشنایی با رادار پسیو
۲-۱- مقدمه­ای از رادار پسیو
تدبیر ساخت رادارهای دوپایه ^[۶] یعنی رادارهایی که روشن کننده^[۷] ندارند و هدف را به ­وسیله امواجی که از سطح آنها پراش می­شوند آشکارسازی می­ کنند، ایده جدیدی نیست. اولین آزمایشات در سال ۱۹۳۵ توسط رابرت واتسون وات ^[۸]در انگلیس صورت پذیرفت. او توانست یک بمب افکن را توسط امواج کوتاه در ۱۲ کیلومتری تشخیص دهد. رادارهای دوپایه به رادارهایی گفته می­ شود که گیرنده و فرستنده­ی آن­ها در دو مکان متفاوت قرار دارند. رادارهای اولیه همگی دوپایه بودند، زیرا تکنولوژی به اندازه­ای پیشرفت نکرده بود تا آنتن را قادر سازد که از مود فرستندگی به گیرندگی سوئیچ نماید. تا اینکه شکل موج­های پالسی و سوئیچ­های فرستنده/گیرنده برای کاربردهای راداری طراحی شدند. با گذشت زمان میزان توجه به رادارهای دوپایه همواره در حال تغییر بوده است. ولی امروزه این رادارها بسیار مورد توجه قرار گرفته­اند.

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

انواع فرستنده­های استفاده شده در رادارهای دوپایه:
فرستنده­هایی که بصورت خاص برای استفاده در یک رادار دوپایه طراحی شده ­اند.
فرستنده­هایی که جهت کاربردهای دیگری طراحی شده ­اند ولی در رادارهای دوپایه نیز می­توان از آنها استفاده کرد. رادارهایی که از این فرستنده­ها استفاده می­ کنند خود به دو دسته
تقسیم ­بندی می­شوند:
رادارهای هیچ­هایکر^[۹] که از فرستنده­ی یک رادار مونواستاتیک^[۱۰] استفاده می­ کنند.
رادارهایی که از فرستنده­های غیرراداری (مانند سیگنال­های پخش سراسری، مخابراتی و ردیابی) استفاده می­ کنند. به ­این دسته از رادارهای دوپایه، رادارهای غیرفعال^[۱۱] یا رادارهای پارازیتی^[۱۲] گفته می­ شود.
رادارهای نوع دوپایه غیرفعال از سایر رادارهای دوپایه جذاب­ترند. از آنجا که رادارهای دوپایه غیرفعال از فرستنده­های راداری استفاده نمی­کنند، قابل آشکارسازی نمی­باشند. در این رادارها می­توان از باندهای فرکانسی و که معمولا در رادارها کاربرد ندارند، استفاده کرد. استفاده از چنین باند فرکانسی باعث می­ شود سیستم­های ضد راداری که برای فرکانسهای مایکرویو طراحی شده ­اند، کارایی لازم را در مقابله با این رادارها را نداشته باشند. علاوه­ براین وجود فرستنده­های پخش سراسری در این باندهای فرکانسی ( و ) ، پوشش و توان مورد نیاز برای این رادارها را تامین می­ کنند.
۲-۲- آنتن­های گیرنده­ی رادار پسیو
به نظر می­رسد برای آنتن رادار پسیو که در فرکانس یا کار می­ کند، استفاده از آنتن­های سیمی بخصوص آنتن یاگی- اودا بهترین گزینه باشد. فرض کنید چند آنتن در یک آرایه، به فاصله­ی از هم قرار دارند و جبهه موج با زاویه­ی همانند شکل زیر به این آرایه تابیده می­ شود:
شکل ۲- ۱: آرایه ای از آنتن­های گیرنده
به نظر می­رسد که ولتاژ اندازه ­گیری شده در ترمینال­های آنتن­ها چنین رابطه­ای نسبت به هم داشته باشند:

جاییکه سرعت نور و و فرکانس کاری سیستم می­باشد. در این صورت با محاسبه­ی اختلاف فاز بین ولتاژهای اندازه ­گیری شده از ترمینال آنتن­ها، و با عمل به فاصله­ی بین آنتن­ها می­توان جهت ورود جبهه موج را تعیین کرد.
اما واقعیتی که وجود دارد اثر متقابل بین این آنتن­هاست که بعنوان تزویج متقابل^[۱۳] بین آنتن­ها شناخته می­ شود و باعث تغییر جریان روی سطح آنتن و درنتیجه ولتاژ ترمینال آنتن­ها می­ شود. در عمل رابطه­ بین ولتاژ اندازه ­گیری شده از ترمینال­ها بصورت زیر است:

بنابراین یکی از چالش­های موجود در بکارگیری رادار پسیو، تعیین میزان تزویج متقابل بین آنتن­ها، سعی بر به حداقل رساندن آن و یافتن الگوریتمی برای حذف کردن یا وارد کردن اثر تزویج بین آنتن­ها در محاسبات مسیر­یابی است.
۲-۳-تزویج متقابل در آرایه آنتن­ها
وقتی آنتن­ها در مجاورت یکدیگر قرار می­گیرند، هر تعداد از آن­ها، در مود فرستندگی (یا گیرندگی) باشند، مقداری از انرژی ارسالی (دریافتی) توسط هر کدام و همچنین مقداری از انرژی بازتابش شده از سطح هر آنتن، به دیگری می­رسد. این مقدار به پارامترهای زیر بستگی دارد:
- مشخصات تشعشعی هریک از آنتن­ها
- فاصله­ی بین آنتن­ها
- جهت قرارگرفتن هر آنتن­ نسبت به سایر آنتن­ها.
مکانیزم­ های مختلفی وجود دارند که این مبادله انرژی بین آنتن­ها را باعث می­شوند. برای مثال، اگر هر دو آنتن، فرستنده باشند مقداری از انرژی تشعشع کرده از هر آنتن به آنتن دیگر می­رسد. که یکی از دلایل آن، غیر ایده­آل بودن دایرکتیویته­ی آنتن­هاست بخشی از انرژی تابیده شده به آنتن دوم، به جهت دیگری بازتابش می­ کند، در واقع آنتن دوم مثل یک آنتن ثانویه عمل می­ کند. این مبادله انرژی به عنوان تزویج متقابل شناخته می­ شود و در بسیاری از موارد کار طراحی و ساختن آنتن­ها را پیچیده می­ کند. گذشته از این، در بسیاری از کاربردهای عملی، تزویج متقابل را نمی­ توان به صورت آنالیز ریاضی معادلات بدست آورد، در حالیکه، تاثیر عمده­ای در کارایی آنتن­ها دارد. از طرفی نمی­ توان میزان تاثیر تزویج روی هر آنتن را به صورت عمومی و با یک فرمول خاص محاسبه کرد، در قسمت بعد تزویج متقابل به طور خلاصه، به صورت کیفی بررسی شده است.
۲-۳-۱-تزویج در مدفرستندگی^[۱۴]
فرض کنید که دو آنتن از یک آرایه، در یک فاصله مشخص نسبت به همدیگر قرار دارند، همانطور که در شکل (۲-۲) مشخص است. این فرایند می ­تواند به هر تعداد آنتن نزدیک به هم بسط داده شود. اگر آنتن با یک منبع، تغذیه شود، انرژی منبع تغذیه به سمت آنتن شارش می­ کند(۰)، این انرژی توسط آنتن در فضای آزاد منتشر می­ شود(۱)، مقداری از این انرژی به آنتن می­رسد(۲)، انرژی تابیده شده به آنتن جریانی روی این آنتن القا می­ کند، که باعث ایجاد انرژی تفرق یافته^[۱۵] از آنتن می­ شود(۳)، مقداری از این انرژی نیز به سمت منبع آنتن می­رود(۴)، از طرفی مقداری از این انرژی بازتاب شده از آنتن دوباره به آنتن می­رسد(۵)، این فرایند به طور نامحدودی تکرار می­ شود. همچنین یک فرایند مشابه در حالتی که آنتن تحریک شود و آنتن به عنوان عنصر پارازیتیک باشد اتفاق می­افتد. اگر هر دو آنتن با هم تحریک شوند، میدانهای تشعشعی و بازتاب شده از هر یک، باید به صورت برداری با هم جمع شوند، تا میدان کل در نقطه مشاهده بدست آید.

شکل ۲- ۲: مکانیزم تزویج بین آنتن m و n در مود فرستندگی[۱]
بنابراین سهم کل پترن یک آنتن فقط به میزان و نوع تحریک آنتن بستگی ندارد، بلکه به نوع و میزان تحریک آنتن­های مجاورش، و همچنین شکل و اندازه­ آنتن­ها نیز وابسته است.
جبهه موجی که از آنتن به آنتن می­رسد و نهایتاً به سمت منبع آنتن می­رود(۴)، با موجهای تشعشعی و بازگشتی خود آنتن به صورت برداری جمع می­ شود، چون موج بازگشتی به سمت منبع آنتن ، با وجود آنتن ، با موج بازگشتی به سمت منبع آنتن که فقط ناشی از انتشار موج توسط خود آنتن بود از نظر دامنه و فاز اختلاف دارد، بنابراین پترن موج ایستا درون آنتن افزایش می­یابد. رفتار متقابل این دو موج به میزان تزویج متقابل بین آنتن­ها و همچنین میزان تحریک آنتن­ها بستگی دارد. واضح است که بردار حاصل از جمع این دو موج روی امپدانس ترمینال آنتن تاثیر می­ گذارد و تابعی از موقعیت و میزان و نوع تحریک آنتن است. تاثیرات این تزویج روی امپدانس ترمینال­ها، به عنوان تغییر امپدانس متقابل شناخته می­شوند.
امپدانس متقابل در واقع یک پارامتر ناخواسته و غیر­مفید است. با توجه به این که مقدار آن شناخته شده نیست در محاسبات بعدی طراحی آنتن، باعث ایجاد ابهام می­ کند. از وظایف یک طراح آنتن­، محاسبه تزویج بین آنتن­ها و سعی بر اعمال روش­هایی برای کاهش مقدار آن و یا محاسبه تاثیر آن روی پارامترهای آنتن می­باشد[۱].
۳-۲-۱-تزویج در مد گیرندگی^[۱۶]
برای اینکه تاثیر تزویج متقابل را در روی مکانیزم آنتن­ها در مد گیرندگی بررسی شود، دو آنتن از یک آرایه­ی چند المانه را فرض کنید، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. جبهه موج(۰) به این آرایه تابیده می­ شود، ابتدا به آنتن برخورد می­ کند، که باعث ایجاد جریان روی آن می­ شود، مقداری از این موج برخوردی در فضا بازتابش می­ کند(۲)، و مقداری از آن به آنتن می­رسد(۳)، و با موج(۰) رسیده به آنتن به صورت برداری جمع می­ شود. همچنین مقداری از موج اولیه (۰) به سمت منبع آنتن می­رود(۱). واضح است که مقدار انرژی دریافتی توسط هر یک از آنتن­های آرایه برابر با جمع برداری این موج­ها خواهد بود.
مقدار انرژی جذب شده و بازتابشی از هر آنتن به تطبیق امپدانس ترمینال­ آنتن­ها نیز بستگی دارد، از طرفی برای جذب حداکثر مقدارجبهه موج تابیده شده، بهتر است که مقدار موج بازتابشی(۲) حداقل باشد، و این با تطبیق صحیح امپدانس آنتن­ها با محیط و تطبیق امپدانس بین آنتن و گیرنده که باعث کاهش مولفه­ی(۴) می­ شود، امکان پذیر است[۱].

شکل ۲- ۳: مکانیزم تزویج بین آنتن m و n در مود گیرندگی[۱]
۲-۴- محاسبه­ی امپدانس متقابل و ماتریس کالیبراسیون
۲-۴-۱- روش امپدانس متقابل گیرندگی
تزویج متقابل بین آرایه آنتن المانه مثل یک شبکه دوطرفه^[۱۷] مدل می­ شود. با بهره گرفتن از یک ماتریس امپدانس متقابل، ولتاژ مدار باز از ولتاژ اندازه ­گیری شده در ترمینال­ آنتن­ها بدست
می ­آید. ولتاژهای اندازه ­گیری شده می­توانند به عنوان سیگنال ورودی به الگوریتم­های پردازش سیگنال آرایه وارد شوند؛ از قبیل الگوریتم­های مسیریابی^[۱۸]،الگوریتم جهت دهی وفقی صفر^[۱۹] . رابطه­ بین ولتاژ اندازه ­گیری شده در ترمینال ام با جریان ترمینال­ سایر آنتن­ها به صورت زیر است[۲]و [۵]و [۱۱]: