Podstawy konstrukcji osłon radarów

Artykuł przedstawia podstawowe informacje o zasadach i problemach doboru obudów urządzeń radarowych.

Tek.info

2020-11-18

Ważna informacja: opracowanie i budowa osłony radaru są bardzo skomplikowane. Przytoczone dane są jedynie wartościami przybliżonymi. Przedstawione informacje stanowią jedynie wprowadzenie do tematu i nie zastępują niezbędnych prób i analiz.

Czujniki radarowe składają się z modułu przedniego (RFE) (układ mikrofalowy ze strukturą anteny) i komponentów przetwarzających sygnał. Najważniejszym elementem radaru jest moduł przedni, ponieważ zawiera antenę nadającą i odbierającą sygnały elektromagnetyczne. Moduł przedni przekazuje zebrane informacje do układów przetwarzania sygnału celem ich interpretacji (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Podstawowe komponenty systemu radarowego (ukazano system iSYS-4004). (Źródło ilustracji: © InnoSenT)

Antena radarowa oraz komponenty elektroniczne czujnika są zwykle chronione przez obudowę. Zabezpiecza ona moduł RFE przed czynnikami środowiskowymi, które mogą powodować uszkodzenia lub pogarszać działanie. Dzięki zdolności przenikania przez materiały, rozwiązania radarowe często są wybierane również ze względów estetycznych. Jest to cecha szczególnie doceniana przez projektantów produktów.

Obudowa zabezpieczająca konstrukcję anteny jest nazywana w języku angielskim „radome”. Słowo to stanowi połączenie dwóch słów oznaczających radar i kopułę („radar” i „dome”). Pokrywy mające kształt kopuły, np. stosowane w systemach iSYS-6003, są zwykle używane w dużych systemach radarowych instalowanych na stałe w jednym miejscu, takich jak radary samolotów lub statków.

Jednak również czujniki i systemy stosowane w przemyśle i komercji wymagają zabezpieczeń przed uderzeniami mechanicznymi i oddziaływaniem chemicznym, które mogłyby pogorszyć działanie anten. Są one dostosowane do specyfiki anten i właściwości fal radarowych.

Użycie odpowiedniego materiału również ma znaczenie krytyczne podczas projektowania osłon radarów. Właściwości materiału wpływają na rozchodzenie się fal elektromagnetycznych padających na przedmioty i osoby. Aby sprawdzić, które materiały nadają się na osłony radarów, należy wziąć pod uwagę ich wpływ na padające fale radarowe.

Tabela 1 omawia różne materiały pod względem pochłaniania, odbijania i przenikania mikrofal.

Tabela 1: Wpływ różnych materiałów na fale radarowe

Osłona radaru musi być przenikalna dla fal radarowych. Metale blokują czujnik. Ze względu na silne właściwości odbijające promieniowanie, nie nadają się one do umieszczania przed anteną. Drewno (zawierające zwykle pewne ilości wilgoci) również nie jest odpowiednie, gdyż fale elektromagnetyczne przenikają je w ograniczonym zakresie.

Z kolei pianki polistyrenowe bardzo dobrze nadają się na osłony. Można je nawet nakładać bezpośrednio na antenę o bardzo nieregularnej strukturze. Jednak ich wrażliwość na chemikalia i niska stabilność sprawiają, że nie są często wybieranym materiałem.

Dlatego też tworzywa sztuczne są najczęściej stosowaną alternatywą w produkcji pokryw i obudów. Mimo to, podczas konstruowania osłony radaru projektant musi uwzględnić właściwości danego tworzywa sztucznego. Im materiał jest grubszy i umieszczony bliżej anteny, tym mniej fal elektromagnetycznych przezeń przenika.

W przypadku czarnych tworzyw sztucznych mogą występować straty pomiarowe, ponieważ zwykle zawierają one węgiel. Gromadząca się woda, która nie może odpłynąć również negatywnie wpływa na informacje zbierane przez moduł przedni. Na akwizycję danych przez antenę radarową również wpływa negatywnie późniejsze traktowanie plastikowej osłony radaru, np. jej malowanie.

Wymiary i pozycja osłony radaru

W konstruowaniu osłony radaru bardzo ważną rolę odgrywa nie tylko dobór materiału, ale również jej precyzyjne mocowanie i kształt. Aby nie ograniczać funkcjonalności urządzenia, należy wziąć pod uwagę następujące aspekty:

Odległość pomiędzy spodem osłony radaru i anteną
Grubość materiału osłony radaru
Kształt osłony radaru (możliwie jednorodny)

Czynniki te decydują o tym, czy większość fal radarowych zostanie odbita lub pochłonięta przez konstruowaną osłonę radaru.

Właściwa odległość

Ogromne znaczenie ma jednakowa odległość osłony radaru od anteny we wszystkich miejscach. Nawet niewielkie odchyłki, np. małe wgłębienie na spodzie pokrywy ochronnej może zmieniać propagację fal elektromagnetycznych. Z tego względu ukośnie ustawione osłony radaru są niekorzystne, ponieważ negatywnie wpływają na prawidłowe odbijanie fal. To samo dotyczy zaokrąglonych końców, występów, wzmocnień oraz rowków w materiale (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Obraz po lewej stronie ukazuje nieprawidłowe ustawienie: osłona radaru posiada nierówną powierzchnię i nie jest ustawiona równolegle do anteny. Obraz po prawej ukazuje prawidłowe ustawienie: jednakowe odległości, umiejscowienie oraz wymiary osłony radaru. (Źródło ilustracji: © InnoSenT) Przy określaniu prawidłowej jednorodnej odległości należy uwzględnić poniższe zagadnienia:

Minimalne zakłócenia rozchodzenia się fal występują wtedy, gdy padają one na osłonę radaru dokładnie w połowie długości fali (lub wielokrotności tej wartości).
Oznacza to, że powierzchnia anteny (środek fali) musi być ustawiona równolegle do pokrywy, w odległości λ/2 (lub jej wielokrotności).
Dla częstotliwości środkowej 24,125GHz (dla której połowa długości fali wynosi około 6,2mm), optymalna odległość to około 6,2mm.

Właściwa grubość materiału

Tutaj obowiązuje taka sama zasada, jak w przypadku odpowiedniej odległości: w celu minimalizacji zakłóceń rozchodzenia się fal, powinny one padać na osłonę radaru w połowie długości fali. Grubość materiału osłony radaru również musi zostać określona właściwie, jako połowa długości fali.

Należy jednak uwzględnić sposób, w jaki substancja osłony radaru zmienia fale (przechodzące przez materiał). Modyfikacja ta związana jest z przewodnością użytego materiału (przenikalność elektryczna ε). Skraca ona długość fali o współczynnik √(εr).

W przypadku tworzyw sztucznych przenikalność elektryczna mieści się w zakresie od 3 do 4 i zmienia się dość mocno w praktyce. Aby uzyskać szacunkowy wynik obliczeń, można przyjąć przeciętną wartość 1,5. Grubość materiału można następnie obliczyć przy użyciu wzoru λ/2√(εr). Daje to 4mm przy określonych powyżej wartościach wyjściowych.

Konstrukcja osłony radaru wymaga dobrej znajomości składu używanego materiału oraz wiedzy z zakresu rozchodzenia się fal elektromagnetycznych. Podane tu informacje mają jedynie charakter orientacyjny i uświadamiający aspekty, które bezwzględnie muszą być wzięte pod uwagę podczas konstruowania pokrywy anteny.