Radar: Phased Array onderzoek
Phased array radaronderzoek
Radartechnologie (achtergrond)
Radars worden gebruikt om de posities, snelheden etc. van objecten te land, ter zee en in de ruimte te bepalen (automobielen en andere voertuigen, heuvels, bergen, schepen, ruimte-vaartuigen inclusief satellieten, grote en kleine raketprojectielen enz.). Men gebruikt hierbij de zogenaamde echomethode. Gedurende een zeer korte tijd, bijvoorbeeld 1 microseconde (1 μsec) wordt een hoogfrequent signaal van grote energie uitgezonden, de zogenaamde energiepuls. Dit signaal plant zich in de ruimte rechtlijnig voort met een snelheid die gelijk is aan die van het licht (300 meter per microseconde). Indien dit signaal op zijn weg een reflecterend object treft, wordt een deel van het signaal gereflecteerd in de richting van de radar. De radar ontvangt deze echo en bepaalt de tijd die is verstreken tussen het uitzenden van de puls en het ontvangen van de echo. Deze tijd bepaalt de afstand van de radar tot het object. Immers 1 μsec komt overeen met een objectafstand van 150 meter (let op: signaal moet heen- en terug). De antenne van de radar concentreert de uitgezonden energie daarbij in een bepaalde richting tot een smalle bundel. Hoe groter de antenne-afmeting, des te smaller zal de bundel zijn. Door de antenne rond te draaien wordt de richting van de radarbundel veranderd. De richting van het object is dezelfde als de richting waarin het hoogfrequent signaal is uitgezonden en de reflectie ervan is ontvangen.
De energiedichtheid van dit hoogfrequent signaal in de bundel neemt af met 1/R2, waarbij R de afstand is. Evenzo zal de energiedichtheid van de echo met 1/R2, afnemen, zodat de uiteindelijk ontvangen signaalsterkte van de echo evenredig is met 1/R4. Na een bepaalde afstand is de signaalsterkte van de echo zover verzwakt dat detectie van een object niet meer kan plaatsvinden. Deze afstand wordt onder meer bepaald door de zendenergie, de antennegrootte en de gevoeligheid van de radar en bovendien van het reflecterend vermogen van het te detecteren object.
Een conventionele radarantenne bestaat veelal uit een omwentelingsparaboloïde die vanuit het brandpunt wordt bestraald. De door de paraboloïde gereflecteerde hoogfrequente golven (microgolven) zullen alle in een vlak loodrecht op de symmetrie-as van de paraboloïde met gelijke fase aankomen (eigenschap van een paraboloïde). Dit heet het gelijkfasig- of equifasevlak. Verreweg het grootste deel van de door de paraboloïde uitgezonden energie plant zich voort in een richting loodrecht op dit equifasevlak en in dit geval dus in de richting van de symmetrie-as van de paraboloïde (hoofdbundel). De mate van bundeling hangt af van de grootte van het equifasevlak, gemeten in golflengten en dus van de antenne-afmetingen. Hoe groter de antenne des te smaller is de hoofdbundel. Opgemerkt kan worden dat ook neven-bundels ontstaan, die echter door het treffen van bekende maatregelen relatief klein gehouden kunnen worden. Bij rotatie van de paraboloïde om een as loodrecht op de symmetrieas verandert dus de stand van het equifasevlak in de ruimte en derhalve ook de richting van de uitgezonden bundel.
Aan boord van tegenwoordige schepen is de meest voorkomende antennevariant een slotted array antenne. Deze is te herkennen aan een roterende balk. In plaats van een parabool treffen we hierin een pijp aan met inzagingen met een tussenafstand van de golflengte (bij 10 GHz is dat ca 3 cm). Het zendsignaal wordt aan één zijde van de pijp toegevoerd en wordt bij de sleuven uitgestraald. Deze antenne werkt als een “linear array” (zie volgende alinea) echter zonder instelbare fasedraaiers. Er is evenals bij de parabool sprake van een equifasevlak, dat echter cilindrisch gekromd is. Ten gevolge hiervan heeft de straal niet de vorm van een kegel maar van een afgeplatte kegel met verticaal een grote openingshoek. Vliegtuigen op verschillende hoogten kunnen worden waargenomen.
In 1962 werd bij TNO gestart met de ontwikkeling van phased array radars, radars waarvan de antenne stilstaat. Op elektronische wijze kan de stand van het equifasevlak van dit type antennes in de ruimte zeer snel worden veranderd. Deze stilstaande antennes worden daarom ook wel traagheidsloze antennes genoemd. Zo’n antenne is opgebouwd uit vele elementen en wordt daarom ook wel ‘array-antenne’ genoemd. Elk array-element wordt in principe voorzien van een fasedraaier, een component waarmede de fase van het hoogfrequent signaal snel tussen 0° en 360° elektronisch kan worden ingesteld. Ieder equifasevlak wordt door een corresponderende fase-instelling van elk array-element gevormd. Indien de array-elementen slechts in één rij staan, wordt de antenne een lineaire array genoemd. Een planaire array bestaat uit meer rijen array-elementen welke in een plat vlak liggen. Voor arrays zijn de afstanden tussen de array-elementen en het gewenste equifasevlak bepalend voor de fase-instelling van de fasedraaiers.
Afhankelijk van de fase-instellingen kan de antennebundel in elke gewenste richting worden gestuurd, in de praktijk tussen ongeveer + en — 45° ten opzichte van de onbeïnvloede zendrichting. Om de ruimte (halve bol) af te zoeken heeft men dus minstens vier planaire arrays nodig. Bovengenoemde fase-instellingen kunnen langs elektronische weg met behulp van een computer in enkele microseconden worden gerealiseerd. Hiermede zal dus ook de uitgezonden bundel energie in enkele microseconden van stand kunnen worden veranderd. De bundel van een phased-array antenne springt van de ene positie naar de andere, dit in tegenstelling met de conventionele draaiende radarantenne waar de bundelpositie continu met de tijd verandert.
Door het bestaan van eenvoudige en complexe radarsystemen van conventionele en traagheidsloze opzet is een vergelijk tussen de twee uitvoeringsvormen niet eenvoudig. Toch zijn er nog wel enkele voor- en nadelen te noemen. Het belangrijkste voordeel van een traagheidsloze radarantenne t.o.v. de conventionele antenne is dat de energie uitsluitend in de gewenste richtingen en op het juiste tijdstip wordt uitgezonden. Zodoende wordt de energie en de beschikbare tijd efficiënter gebruikt.
Bij een conventionele rondzoekradar worden er per richting circa vijf radarpulsen uitgezonden. De energie hiervan wordt in het algemeen voor iedere puls in elevatie verdeeld in een brede bundel, terwijl in het horizontale vlak de bundel zo klein mogelijk wordt gehouden. Zodoende wordt de richting van het object in het horizontale vlak en de afstand nauwkeurig bepaald, terwijl de hoogte vanwege de brede bundel in elevatie minder nauwkeurig bepaald wordt. Indien deze laatste waarde ook nauwkeurig bekend moet zijn zal de richting in het horizontale vlak worden doorgegeven aan een tweede radar, de zogenaamde hoogtemeetradar. Die radar bepaalt nauwkeurig de hoogte en de afstand, terwijl nu de richting in het horizontale vlak onnauwkeurig is. De combinatie van deze twee radars vormt een drie-dimensionele radar, immers de drie coördinaten van een object worden hiermede bepaald.
Indien men verder geïnteresseerd is in welke richting zich een razendsnel bewegend object verplaatst zal na afloop van kleine tijdsintervallen de nieuwe positie van het object moeten worden bepaald. Men denke hierbij aan objectsnelheden tussen de 300 m/s en 6 à 10 km/s. Bij de conventionele antenne zal genoemde nieuwe positiebepaling eerst na de volle rotatietijd van de antenne kunnen gebeuren. Dit betekent een tijdverlies van miljoenen microseconden. Gezien de gewenste uiterst korte reactietijden van de moderne radarafweersystemen is iedere microseconde erg belangrijk. Bij de conventionele radar kan de met de rondzoekradar(s) gevonden positie van een object ook worden doorgegeven aan een zogenaamde volgradar, die dan van object tot object moet worden gedraaid om de nieuwe posities te bepalen. Vaak wordt deze radar gelijktijdig gebruikt om tijdens het aanvallen van een dreigend vijandig object een eigen raket (missile) naar dit object te geleiden. In dit geval blijft de radarbundel continu op het object gericht en kunnen geen andere objecten worden gevolgd.
De radarbundel van een phased-array antenne kan van puls tot puls de energie uitzenden van elke willekeurige richting naar elke andere willekeurige richting. Deze radarbundel is zowel in het horizontale als in het verticale vlak smal, zodat met dezelfde bundel gelijktijdig de drie coördinaten van het gewenste object nauwkeurig worden bepaald. Zodoende kan de phased-array radar de verschillende functies — zoeken, volgen en geleiden — door elkaar vervullen. De bediening van al deze functies is bovendien gecentraliseerd in één computer, waardoor het tijdverlies voor de overdracht van de informatie van de ene functie naar de andere kleiner is dan in het geval drie afzonderlijke radars worden gebruikt. Met de radarantenne kan één puls per richting worden uitgezonden. Indien deze uitzending een echo tot gevolg heeft, kunnen meer pulsen in dezelfde richting uitgezonden. Indien geen echo wordt ontvangen, worden geen volgende pulsen in die richting uitgezonden. De volgende puls wordt in een andere richting gestuurd. Voor de zoekfunctie wordt met deze manier van werken een tijdwinst verkregen van een factor twee t.o.v. de ronddraaiende antenne. Deze manier van werken wordt ‘sequente detectie’ genoemd en is vanwege de vaste ronddraaisnelheid met een conventionele radarantenne niet mogelijk. Bij het volgen van objecten is de tijdwinst van de phased-array radar groot, waardoor veel meer doelen gelijktijdig gevolgd kunnen worden. Indien de bundel op een regelmatige manier van richting wordt veranderd, om bijvoorbeeld de ruimte systematisch af te zoeken, zullen de bundels gedeeltelijk over elkaar vallen. De grootte van de overlap kan willekeurig worden gekozen en van moment tot moment worden gewijzigd. Door een extra fase-verdeling over de array, gesuperponeerd op die voor de vorming van het equifasevlak, is het mogelijk de radarbundel te verbreden. De ruimte kan nu met gereduceerd afstandsbereik sneller worden afgezocht. Deze extra fase-instelling geschiedt via de computer en kan per radarpuls worden geïntroduceerd of beëindigd.
Met behulp van deze universeel bruikbare techniek of met behulp van andere toepassingen met speciale array-constructies kunnen bovendien de richtingen van de veel kleinere nevenbundels worden veranderd. Een radar met een elektronisch bestuurde bundel is ook veel beter bestand tegen stoorpogingen met een andere radarzender (“jamming”). Indien de storing binnenkomt via een nevenbundel, kan de eigen antenne ongevoelig worden gemaakt voor de richting van de stoorzender. In het geval de storing binnenkomt via de hoofdbundel kan de eigen bundel gedurende langere tijd op het object gericht worden gehouden en zal op die manier de positie van het object meestal toch kunnen worden be-paald (z.g. doorbranden). Deze laatste mogelijkheden ontbreken bij de conventionele radar.
Bij bepaalde array-antenneconstructies is het mogelijk gedeelten van de antenne te voeden met andere energiebronnen. Zeer grote vermogens zijn zodoende bij phased-array antennes mogelijk. Ook kan met elk willekeurig array-oppervlak een equifasevlak worden gerealiseerd, zodat de vorm van de phased-array antenne kan worden aangepast aan de omtrek van een voertuig (vliegtuig).
Om goede antenne-eigenschappen te verkrijgen moet de energieverdeling over het antennevlak zo goed mogelijk de theoretisch optimale verdeling benaderen, iets dat met de meeste traagheidsloze antenneconstructies beter kan worden gerealiseerd dan met de conventionele uitvoering.
Het gebruik van duizenden array-elementen en dus ook duizenden fasedraaiers en van enkele tot duizenden energiebronnen bij de planaire phased-array antenne heeft tot gevolg dat het uitvallen van enkele ervan geen noemenswaardige invloed heeft op de werking van de radar.
TNO onderzoek
In 1962, is het Physisch Laboratorium TNO in opdracht van de Koninklijke Marine gestart met onderzoek naar de eigenschappen van ferrieten als fasedraaier. De magnetisatie van een ferriet in een golfpijp beïnvloedt de fase van een elektromagnetische golf door de golfpijp. In 1963 is een fase-mechanisch scansysteem gerealiseerd met een lineaire array, waarbij evenwel de elektronische fasescan in het horizontale vlak geschiedt en de mechanische beweging achterwege is gelaten. De fase-instelling geschiedde met de hand. De antenne-eigenschappen voor de op deze manier ingestelde scanhoeken werden gemeten. De zelf ontwikkelde en geconstrueerde fasedraaiers hadden toen een schakeltijd van circa 100 μsec. In loop van de jaren ’60 werden nieuwe fasedraaiers ontwikkeld en geproduceerd met een schakeltijd van circa 6 μsec. De handinstelling werd vervangen door een computerinstelling.
Een ontvanger en een Teletrack radarbeeldkast (zie: digitale techniek/radarbeeldverwerking) zijn aan de zender toegevoegd, zodat een complete radarinstallatie werd verkregen. Met behulp van een parabolische cilinder als reflector is de bundel in het vlak loodrecht op het scanvlak versmald. Op de halve energiewaarde was de radarbundelbreedte in alle doorsnijdingen 3°.
Negentig procent van het apparaat is door de golfpijpconstructie voor de verdeling van de golfenergie en het leiden van de microgolven naar de fasedraaiers van de array-elementen. Deze constructie is begin jaren ’70 al aanzienlijk kleiner uitgevoerd. Ieder van de 40 fasedraaiers heeft een eigen elektrisch bedieningskaartje, de zogenaamde driver. De fasedraaier is uit een golfpijp welke gedeeltelijk gevuld is met ferriet, een keramisch magnetisch materiaal. Een verandering van de magnetische toestand van dit ferriet wijzigt de fase-instelling.
Een enkele stroomdraad loopt in de lengterichting door het hart van het ferriet. De tijdsduur van de stroompuls door deze draad resulteert in de gewenste fase-instelling tussen 0° en 360°.
Het stralingspatroon van de lineaire array is eenvoudig te meten door bij een bepaalde ingestelde bundelrichting (scanhoek) de antenne op een draaitrommel te laten roteren. Met een op afstand vast opgestelde ontvang-antenne wordt de uitgestraalde energie dan als functie van de richtingshoek gemeten. Voor een planaire array, waarbij de bundelrichting in twee dimensies kan worden ingesteld, is het meten van het antenne-patroon veel ingewikkelder. Een cardanische instelling is dan nodig om de hoofdbundel voor iedere ingestelde scanrichting naar de ontvangantenne te richten. De opstelling moest verder de mogelijkheid hebben om alle doorsnijdingen door de hoofdbundel te kunnen meten.
Deze planaire array was van het reflectietype dat wil zeggen een array bestaande uit vele reflecterende array-elementen in een plat vlak. Deze is de voorloper van een latere, elektronisch gestuurde planaire array. De fasen van de diverse reflecteren de array-elementen (ieder array-element bestaat uit een stukje open golfpijp aan de andere zijde afgesloten met een zuigertje) konden in dit geval mechanisch worden ingesteld met behulp van de posities van genoemde zuigertjes in de golfpijpen. De array zelf wordt bestraald met een microgolfstraler. De gereflecteerde straling bestond dan uit de gezamenlijke reflectie van alle array-elementen. De richting van de reflectiebundel wordt bepaald door de fase-instelling van de diverse reflecterende array-elementen (stand van de zuigertjes). De mechanische zuigerinstelling is eertijds berekend met een computer. Aan deze reflectie-array zijn allerlei onderzoekingen gedaan, waaruit informatie werd verkregen nodig voor de bouw van een volledig elektronisch gestuurde fase-fase array in 1971.
Dit CAISSA (Computer Assisted Inertialess Scanning System Array) systeem bevat 849 C-band (5,4-5,9 GHz) ferriet fasedraaiers en 322 dummy golfpijpen. Deze 1171 array-elementen vormen de transmissie-array. Een fasedraaier is stuk golfpijp met een ferrietstaaf die aan beide einden open is. De primaire microgolfstraler aan de achterzijde van de antenne bestraalt de array. Deze straling gaat door alle golfpijpen en de ferrieten in de golfpijpen heen en komt er aan de andere kant van het array-vlak weer uit met de gewenste afgebogen golffront. De fase-instelling van de fasedraaiers bepaalt de gewenste bundelrichting.
De antenne had een scanhoek van -60 tot + 60 graden. In de ferrietstaaf is in de lengterichting een gaatje geboord voor de stroomdraad. De stroom die door de draad loopt beïnvloedt de fasedraaiing van de microgolven in het ferriet en daarmee de fase-instelling van de fasedraaier. De fase-instellingen van de fasedraaiers in de CAISSA antenne zijn computergestuurd. Een nadeel van een ferriet fasedraaier is dat de fasedraaiing van ingang naar uitgang niet gelijk is aan de fasedraaiing van uitgang naar ingang (niet reciprook). Dat heeft tot gevolg dat voor de ontvangst van weerkaatste signalen er steeds een kleine correctie nodig is om te zorgen dat de antenne bij ontvangst in dezelfde richting kijkt als bij het zenden. Dat had tot gevolg dat na het verzenden van de zendpuls de fase voor ontvangst klaargemaakt moet worden. Daardoor is er teen korte dode afstand waarin de radar ‘blind’ is.
Follow Up CAISSA (FUCAS)
Na het gereedkomen van CAISSA en het afronden van de antennemetingen begin jaren ’70 is besloten de antenne te gaan gebruiken in een experimentele radar FUCAS (Follow Up CAISSA). In de periode 1975-1976 simuleerde Operationele Research de werking van de FUCAS radar met Fortran met programma’s voordat de FUCAS opstelling technisch gereed was en ontwikkelde het hogere niveau aan control software. FUCAS wisselde tussen scanning, tracking en passief luisteren modi en wisselde van frequentie ingeval van clutter of jamming. De Elektronicagroep maakte de zelfgebouwde besturingscomputer MIER (Micro Elektronisch Rekentuig), interfaces en de ‘low end control’. FUCAS gebruikte een Travelling Wave Tube met een output van 50 kW als vermogensversterker. De pulslengte kon gekozen worden tussen de 1 en 20 microseconde. Er werd een monopuls hoorn gebruikt met een som- en twee verschilkanalen. Hierdoor was het mogelijk meer targets te volgen, ieder met een eigen observatieinterval. De totale voeding van het systeem was gezekerd met 3 keer 160 A zekeringen.
Het succesvolle FUCAS-project is in 1984 afgesloten. Met FUCAS werden diverse eigenschappen van phased-array systemen onderzocht. Het zoeken en volgen van doelen bleek door de elektronisch instelbare antennebundel veel sneller en efficiënter te kunnen dan in een conventioneel radarsysteem. Ook de toepassing van monopuls, om snel en nauwkeurig azimuth en elevatie van doelecho’s te bepalen werd onderzocht, evenals de nieuwe mogelijkheden voor het detecteren van bewegende doelen tegen een achtergrond van clutter (reflecties van terrein en neerslag) en voor het bestrijden van de effecten van opzettelijke storing.
TOEKAN
De kennis en ervaring opgedaan in CAISSA en FUCAS werden later toegepast in de phased array radars TOEKAN, later in de EXperimental Phased-Array Radar (EXPAR) en in APAR (Active Phased-Array Radar; een multi-functionele X-band scheepsradar). TOEKAN was bedoeld als een modern radarsysteem met een draaiende phased array antenne voor installatie op schepen van de Koninklijke Marine. De belangrijkste taken van TOEKAN waren het opsporen en identificeren van luchtdoelen en het volgen van deze doelen met een zodanige nauwkeurigheid en betrouwbaarheid dat de afgeleide doelinformatie kon worden gebruikt voor een effectieve toewijzing van de scheepswapens. Het laboratorium kreeg van de Koninklijke Marine de opdracht om een functionele analyse uit te voeren van het beheergedeelte en om de mogelijkheden van een doelmatig gebruik van radarenergie en -tijd te onderzoeken.
Het doel van de analyse was:
- om de hoofdfunctie van het TOEKAN-systeem te onderscheiden;
- de relatie tussen deze functies herkennen;
- om het ontwerp van de databasestructuur af te stemmen op de systeemvereisten.
Voor de analyse is gekozen voor de Structured Analysis and Design Technique (SADT). Deze methode is bij uitstek geschikt voor het analyseren en ontwerpen van grote en complexe systemen door een team van medewerkers. De resultaten worden zo gepresenteerd dat ze waardevol zijn voor lezers met uiteenlopende behoeftes aan details.
TOEKAN is uiteindelijk niet volledig ontwikkeld. TOEKAN gebruikte faseverschuivers op basis van de dunnefilmtechniek waarbij metaalsporen werden aangebracht op aluminiumoxide (Al2O3) en een keramisch substraat met daarop chipcomponenten.
EXPAR en APAR
EXPAR en APAR zijn twee phased array-systemen waarbij elk antenne-element zowel een zender als een ontvanger omvatte op basis van Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMIC) techniek. De bedoeling van EXPAR was om de kennis te vergroten van het ontwerp van een betaalbaar actief antenne-element voor een phased array in de X band (golflengte 3 cm). De elementsprijs speelt zo’n grote rol wegens het grote aantal, meer dan 3000, dat in een uiteindelijke radarantenne zit. Een belangrijke keuze om de prijs omlaag te krijgen was die voor het op ruime schaal toepassen van GaAs MMICs, waarmee een antenne-element kon worden verkregen dat licht en compact is en een goede technische performance paart aan de vereiste reproduceerbaarheid.
Het ontwerp bleek begin 1992 qua potentie aan de gestelde specificaties te voldoen, terwijl ook, bij massaproductie, aan de gewenste prijslimiet van $500 kon worden voldaan. De vereiste combinatie van de elementen, eerst in een bouwsteen van vier elementen (quad) en vervolgens in een kolomsamenstel van 32 quads, is ook ontworpen en gebouwd. In 1996 is een Engineering Development Model van EXPAR gebouwd dat vervolgens aan de wal en aan boord werd beproefd als voorloper op APAR.
Het lastige van een passieve phased-array radar is het hoge vermogen dat de zender moet opwekken. Een gebruikelijk piekvermogen is 100 kW. Dat vraagt om een enorme hoogspanningsvoeding. Daarom werd gestart met de ontwikkeling van Active Phased Array Radar (APAR). In plaats van één grote versterker heeft elk elementje in de radarantenne zijn eigen vermogensopwekking. Als een of enkele elementjes defect raken, valt dat nauwelijks op.APAR is ontwikkeld door een consortium van Hollandse Signaalapparaten, Northern Telecom Ltd (Canada), DASA (Duitsland) en het Fysisch en Elektronisch Laboratorium TNO. Het contract werd in juli 1993 getekend door de defensieministeries van Canada, Duitsland en Nederland. APAR is een radar die verschillende taken tegelijkertijd kan uitvoeren, zoals het afzoeken van de horizon, het detecteren en volgen van doelen op lage hoogte (zoals vlak boven zee vliegende raketten), het binnen een bepaalde afstand detecteren en volgen van alle objecten, en het verzamelen van doelinformatie voor de eigen raketten. Deze geavanceerde radar biedt met name bescherming tegen de dreiging van laag over zee vliegende raketten, die steeds sneller en kleiner worden. APAR is ontwikkeld voor de luchtverdedigings- en commandofregatten (LCF) van de Koninklijke Marine (sinds 2002), de F-124 fregatten van de Duitse marine en de Canadese Patrol fregatten.
Verantwoording
De tekst voor de achtergrond van phased array radars is deels ontleend aan een publicatie van Dr. J. Snieder “Nieuwe radarantennes met elektronisch gestuurde bundels” in TNO-nieuws, 27(6) 1972, pp 269-276.