PŘEDNÁŠKA 3 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy 2.10.2017 Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

MRAR: PŘEDNÁŠKA 3 Elektronické systémy radarů Antény radarů Vf. subsystémy radarů Vf. výkonové prvky radarů Subsystémy pro zpracování radarových signálů

MRAR-P3: El. systémy radarů (1/22)  Aktivní radary  Radary s kontinuálním provozem (CW radar)  do 1 - 10 km  s konstantní frekvencí (Doppler radar)  zjišťování pohyblivých cílů  s lineární frekvenční modulací (FM-CW radar)  výškoměry, dálkoměry, antikolizní radary

MRAR-P3: El. systémy radarů (2/22) Dopplerovský CW radar Odražený signál od objektů v měřeném prostoru je zachycen anténou senzoru a na směšovací Schottkyho diodě je směšován s referenčním signálem oscilátoru Při pohybu objektu v prostoru je vlivem Dopplerova jevu rozdílový kmitočet směšování nenulový (záznějový signál) V případě pohybového čidla se určí, zda-li je prostor narušen V případě radaru pro měření rychlosti se FFT zpracováním signálu určí radiální rychlost

MRAR-P3: El. systémy radarů (3/22)  Nutná velká izolace mezi výstupem vysílače a vstupem přijímače – duplexer (izolace cca 30 dB) zabraňuje pronikání vysílaného výkonu na přijímací stranu - nesmí zahltit nebo dokonce zničit LNA (max. cca jednotky dBm) Radarová čidla pohybu (Doppler Radar, Radar Motion Sensor) Prac. frekvence: 2,45 GHz – 5,8 GHz – 9,35 GHz – 24 GHz – 33,5 GHz Požadavek dostatečné izolace mezi výstupem vysílače a vstupem přijímače zajistí dvouanténní systém – (izolace více než 30 dB)

MRAR-P3: El. systémy radarů (4/22) Frekvence přijímané ozvy: fTX je nosná frekvence vysílaného signálu fRX je frekvence přijímané ozvy po odrazu vysílaného signálu od cíle, přičemž vr je radiální rychlost cíle vůči senzoru Vyhodnocení záznějové frekvence (Beat Frequency):

MRAR-P3: El. systémy radarů (5/22) Příklad 9: ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Určete Dopplerův kmitočet RLS s  = 3 cm vznikající snímáním letadla přibližujícího se k RSL rychlostí vr = 450 km/h.

MRAR-P3: El. systémy radarů (6/22)  Jeden detekční systém = nejednoznačné určení směru od/k (jen absolutní hodnota radiální rychlosti)  Dva detekční systémy = kvadraturní detekce – stačí pseudokvadraturní detekce (radiální rychlost i znaménko)

MRAR-P3: El. systémy radarů (7/22)  Dvoudetekční systém

MRAR-P3: El. systémy radarů (8/22) Příklad - technické údaje čidla HB410: - napájení senzoru: 5V - odběr proudu: max. 40mA - výstupní šum: max. 3uV rms - citlivost přijímače 80 až 200uV - vyzařovací úhel - AZIMUT -3dB: 80° - vyzařovací úhel - ELEVATION - 3dB: 40° - vysílací kmitočet: 9,345 až 9,355 GHz - vyzařovací výkon: 10 až 17dBm - pracovní teplota: -15°C až +55°C - rozměry: 40 x 46,5 x 10mm

MRAR-P3: El. systémy radarů (9/22)  FM-CW radary  Aplikace lineární frekvenční modulace – pilovitým signálem  Měření statických cílů, výškoměry (4,3 GHz), antikolizní automobilové systémy (77 GHz), průmyslové měření výšek např. v zásobníku (94 GHz), meteoradary – měření mraků, výškový profil větru (94 GHz)

MRAR-P3: El. systémy radarů (10/22)  Určení vzdálenosti objektu R na základě podobnosti trojúhelníků:

MRAR-P3: El. systémy radarů (11/22) Antikolizní radar 76,5 GHz (příklad) Technické parametery Transceiver # ELFI71-1B (I/Q směšování) Výstupní výkon............+10dBm Střední frekvence..........76,5 +/- 0.2 GHz Frekvenční zdvih...........200 MHz Fázový šum..-95 dBc/Hz pro 250 kHz ofset Šumové číslo přijímače…<22 dB Antenna # ELAM70-A (s fixním svazkem) Zisk.....................................> 28 dBi Šířka svazku v azimutu.......2,5° Šířka svazku v elevaci........4,2° Potklačení bočních laloků...> 15 dB Polarizace............................lineární H

MRAR-P3: El. systémy radarů (12/22) FMCW Radar module 94 GHz (příklad ELVA-1) Technické parametry: Střední frekvence ........ 94 GHz Frekvenční stabilita ..... 5·10-6 °C-1 Frekvenční zdvih.......... > 200 MHz Min. doba rozmítání ... 100 μs Linearita....................... < 0,7% Citlivost ladění ........ 50 MHz/V Výstupní výkon ......... > +23 dBm Izolace TX-RX ......... > 25 dB Mezifrekvence.............. 4 kHz - 2 MHz RF - MF Zisk ............... 32 dB Šumové číslo ................ < 20dB Vlnovod ....................... WR-10 Rozměry .................. 210x100x50 mm Hmotnost..................... < 1500 g

MRAR-P3: El. systémy radarů (13/22) Výškový profil větru Výškový profil mraků GPR aplikace

MRAR-P3: El. systémy radarů (14/22) Impulsní radary (nad 1 km) nekoherentní systémy koherentní systémy – je schopen vyhodnotit rozdíl fází mezi vysílaným a přijímaným signálem Časové řízení citlivosti STC (Sensitivity Time Control)

MRAR-P3: El. systémy radarů (15/22) Dělení podle opakovací frekvence PRF (Pulse Repetition Frequency) Pro jednoznačné určení dálky musí platit: Pro pohybující se cíl je Dopplerův frekvenční posuv: kde vr je radiální rychlost cíle vůči radaru, vr << c

MRAR-P3: El. systémy radarů (16/22) Pro určení Dopplerovy frekvence musí platit vzorkovací teorém: Srovnáním podmínek pro jednoznačné určení dálky a radiální rychlosti platí: Pro praktické hodnoty je problém podmínku splnit – požadavky jsou protichůdné

MRAR-P3: El. systémy radarů (17/22) Důsledek pulsního tvaru signálu na vzorkování Dopplerovské frekvence: V případě koherentní demodulace u CW signálu získáme na výstupu signál s okamžitým kmitočtem odpovídajícím Dopplerovské frekvenci, pro pulsní signál pak obrázek vpravo

MRAR-P3: El. systémy radarů (18/22) Příklad 10:  ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Určete podmínky dosahu a opakovací frekvence pulsů pro radar s pracovním kmitočtem fTX = 10 GHz, dosahem Rmax = 150 km a cíle s maximální rychlostí vrmax = 300 m/s. Podmínky jsou s jedinou fOP nesplnitelné!!!

MRAR-P3: El. systémy radarů (19/22) Grafické znázornění podmínek pro jednoznačné určení dálky a radiální rychlosti

MRAR-P3: El. systémy radarů (20/22) Dělení impulzních radarů podle opakovací frekvence pulsů LPRF – Low PRF radar MPRF – Middle PRF radar HPRF – High PRF radar

MRAR-P3: El. systémy radarů (21/22)  Pro pro zajištění daného dosahu i rozsahu měření rychlosti se používá změna opakovací periody, tzv. staggering  HPRF radary jsou výhodné z hlediska velkého činitele plnění => malý poměr mezi špičkovým pulsním výkonem a středním výkonem  Energie, kterou ozařujeme cíl:

MRAR-P3: El. systémy radarů (22/22) Blokové schéma primárního radaru

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (1/18)  Parametry antén  vyzařovací diagram: horizontální rovina – f(), vertikální rovina – f(), 3D – f(,)  zisk v hlavním směru (dBi, dBd)  šířka hlavního laloku pro potlačení o 3 dB (šířka hlavního svazku), předozadní poměr, potlačení bočních laloků  vstupní impedance => přizpůsobení  šířka pásma a frekvenční závislost uvedených parametrů

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (2/18)  Parametry antén H V

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (3/18)  Parametry antén 3D kart. souř. V 3D sférické souř. H

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (4/18)  Zisk vs. efektivní plocha antény (efektivní apertura):  Pro dobře navrženou anténu platí přibližný vztah mezi ziskem a šířkami svazků ve stupních v horizontální a vertikální rovině:  Pro aperturové antény s potlčením postranních laloků cca -25 dB je definován přibližný vztah mezi rozměrem v příslušné rovině D a šířkou svazku -3dB:

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (5/18) Příklad 11: ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Vypočtěte přibližný zisk a šířky svazku ve vertikální a horizontální rovině pro radar pracující s frekvencí 10 GHz, přičemž výška apertury antény je 1 m a šířka 3 m. Zpětně určete „uvažovanou“ účinnost antény vzhledem k aproximačním vztahům. Nyní určíme vztah pro plochu apertury antény (plná plocha) skládající se ze dvou úsečí a obdélníkové plochy:

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (6/18) Ze vztahu pro zisk: Výsledná účinnost antény okolo 50% odpovídá běžné praxi.

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (7/18)  Pro účelné hospodaření s výkonem vysílače RLS je třeba, aby byl tvarem vyzařovacího diagramu antény ozářen pouze prostor v němž jsou očekávané cíle.  Ve vertikálním řezu prostoru je výskyt cílů omezen:  maximální předpokládanou výškou letu cílů (Hmax)  maximálním dosahem radaru (rmax)  nejmenší velikostí polohového úhlu (min) - pozemní překážky  největší velikostí polohového úhlu (max)

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (8/18)  Optimálním řešením je soustředit energii vysílače tak, aby pro cíl, který se bude pohybovat ve výšce H, byl přijímán odražený výkon sekundárního vyzařování cíle stejný bez ohledu na šikmou dálku – přehledový radar, přibližovací radar (rovina dráhy + sestupová dráha)

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (9/18)  Pro šikmou dálku cíle platí:  Má-li RLS společnou anténu pro vysílání i příjem platí DTX = DRX = DRLS získáme:  Pro dané podmínky jsou PTX, , av i H konstantní. Aby bylo konstantní i PRX musí platit:  což lze upravit na tvar:

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (10/18) Oříznutý paraboloid (truncated/cut paraboloid)  Pencil beam

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (11/18)  Vícesvazkové systémy – posunutí ozařovače:

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (12/18) Reflektorové antény (soufázové) obecně  Parabolická anténa (SA rovno ploše apertury antény)  Ozařovač (v ohnisku) – trychtýřová anténa, dipól

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (13/18) Reflektorové antény – řešení ozařovačů

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (14/18)  Anténní řady (pole) Neřízené Zúžení hlavního svazku vyzařovací anténní charakteristiky Řízené Elektronické vychylování svazku

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (15/18)  Řízené anténní řady (pole) Řízení fáze (i amplitudy) do každého elementu (trychtýřová anténa, dipól, patch) řady Elektronické vychylování svazku Nastavování fáze a amplitudy digitálně => Digital Beamforming Úkoly Změna směru vyzařování hl. svazku Vytvoření charakteristiky s více maximy (MIMO systémy) Potlačení směrů k nežádoucím zdrojům

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (16/18) 1-D beamforming 2-D beamforming Lineární řada izotropických zářičů

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (17/18) Lineární řada obecných zářičů Se() reprezentuje vyzařovací diagram izolovaného elementu ai reprezentuje přidané napěťové zesílení (útlum) v i-tém elementu k0 je vlnové číslo (= 2/) d je rozteč mezi elementy i reprezentuje přidanou fázi v i-tém elementu Se() = element factor Sa() = array factor

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (18/18) Lineární řada obecných zářičů Maximum zisku v daném směru může kopírovat obálku vyzařovacího diagramu jednoho elementu Pokud je prováděno pouze přidané fázování elementů: Maximum ve směru x lze získat pro nastavení jednotlivých fází:

MRAR-P3: Vf. subsystémy radarů (1/7) Polarizátory, polarizační filtry Polarizátor – transformace polarizace, lineární => kruhová (nebo eliptická) a naopak Diferenciální posouvač fáze – šíří se dvě ortogonální vlny s různou fázovou rychlostí

MRAR-P3: Vf. subsystémy radarů (2/7) Polarizační filtr – propouští pouze vlnu s danou polarizací Kovové vodivé desky pro nepropouštěnou polarizaci představují zkrat – vlna se odrazí zpět Využívá se pro potlačení nebo filtraci cílů se specifickými odrazovými vlastnostmi, např. hydrometeory, od kterých se vlna s kruhovou polarizací odráží opět s kruhovou polarizací, ale ortogonální Vstupní signál primárního radaru rozdělen na kanál cílů a meteokanál

MRAR-P3: Vf. subsystémy radarů (3/7) Polarizátor pro frekvenci 2,9 GHz

MRAR-P3: Vf. subsystémy radarů (4/7) Rotační spojky (Rotary Joints) Pro přenos vf. signálů z nepohyblivé do pohyblivé (anténní) části Koaxiální Vlnovodné Musí přenést velký výkon s malým útlumem (prakticky 0,3 dB) Koaxiální rotační spojka Vlnovodná rotační spojka

MRAR-P3: Vf. subsystémy radarů (5/7) Příklady rotačních spojek Rotační spojka pro pásmo 2,9 GHz

MRAR-P3: Vf. subsystémy radarů (6/7) Oddělovací obvody RX-TX (duplexery)  Cirkulátor  nereciproký trojbran  aplikace magnetovaného feritu, který je pak anizotropním matriálem, jehož vlastnosti závisí na směru působení elmag. vlny

MRAR-P3: Vf. subsystémy radarů (7/7)  Iontovka (TR-cell)  Při průchodu velkého výkonu vzniká mezi elektrodami elektrický výboj, vodivá plasma vyplní prostor iontovky, ta se chová jako zkrat, prochází jen malý výkon (cca do 1W)  Iontovka = výkonový limitér

MRAR-P3: Vf. výkonové prvky radarů (1/7)  Vysílač TX:  Vakuové elektronky Přechod od rychlostní k hustotní modulaci – soustava katoda – anoda urychlí elektronový svazek (až 0,1 c), následně je svazek modulován v interakční dutině, následuje několik interakčních komor, kde dochází k dalšímu zesilování, z poslední komory je odebírán výkon, zbytek elektronů je zachycen kolektorem – velký výkon, velký zisk, obtížné ladění  klystron  permaktron, elektronka s postupnou vlnou TWT (Traveling Wave Tube)  magnetron

MRAR-P3: Vf. výkonové prvky radarů (2/7) Klystron (velmi úzkopásmový – dáno dutinami)  Katoda (žhavená) je zdrojem volných elektronů  Anoda elektrony urychlí do svazku  V 1. rezonanční dutině se svazek rychlostně moduluje vstupním vf. napětím  Na dráze mezi rezonančními dutinami je hustotně modulovaný svazek zesilován  Ze 2. rezonanční dutiny je pak odebírán zesílený signál  Zbylé volné elektrony jsou zachyceny kolektorem

MRAR-P3: Vf. výkonové prvky radarů (3/7) Permaktron (TWT)  Katoda (žhavená) je zdrojem volných elektronů  Anoda elektrony urychlí do svazku  Elektrony prochází vf. vedením – zpožďovací struktura - svazek rychlostně moduluje vstupním vf. napětím, postupně je svazek hustotně modulován svazek zesilován  Elmag. pole elektronů interaguje s polem selenoidu  Zbylé volné elektrony jsou zachyceny kolektorem

MRAR-P3: Vf. výkonové prvky radarů (4/7) Magnetron  Soustava oscilačních dutin v silném magnetickém poli  Do jedné se moduluje  Z druhé se odebírá zesílený signál  Velmi úzkopásmové - dáno dutinami

MRAR-P3: Vf. výkonové prvky radarů (5/7) PA 750 kW v pulsu na 2,9 GHz s magnetronem

MRAR-P3: Vf. výkonové prvky radarů (6/7) Polovodiče  Tranzistory HBT (Hetero Junction Bipolar Transistor) na GaAs/GaAlAs (stovky W v pulsu na GHz)  LDMOS (Lateral DMOS) cca do 4 GHz  slučování výkonů několika PA, buzení elementů anténních (fázovaných) polí

MRAR-P3: Vf. výkonové prvky radarů (7/7) Polovodiče  LDMOS – Doherty architektura s vysokou účinností

MRAR-P3: Subsystémy pro SP (1/2) Signálový procesor (primární zpracování signálu)  klasická technologie DSP vs. FPGA  Operace v signálovém procesoru  pulsní kompresor – filtrace přizpůsobeným filtrem  dopplerovský filtr – filtrace signálu odpovídající různým radiálním rychlostem  detekor – rozhodování o přítomnosti cíle v dané rozlišovací buňce (metody CFAR – adaptivní řízení prahování)  extraktor – určení polohy a dalších parametrů cílů

MRAR-P3: Subsystémy pro SP (2/2) Datový procesor (sekundární zpracování signálu)  klasická technologie MCU vs. DSP vs. FPGA  Operace v datovém procesoru Fůze signálů zpracování signálů z několika přeběhů antény přes cíl filtrace přizpůsobeným filtrem sloučení signálů z několika radarů fůze dat z dalších systémů (SSR)

Děkuji za vaši pozornost Zobrazení informace pro sekundárním zpracování u přehledového letištního radiolokátoru