Tutkakuvun rakentamisen perusteet

Tärkeä huomautus: tutkakuvun kehittäminen ja rakentaminen on erittäin kompleksinen tehtävä. Annetut tiedot ovat ainoastaan suuntaa antavia. Nämä tiedot antavat vain alustavan katsauksen tähän aiheeseen eivätkä ne korvaa tarvittavia arviointeja ja testausta.

Tutka-anturit muodostuvat RFE-etuasteesta (mikroaalto-osa antennirakenteella) sekä signaalinkäsittelykomponenteista. Tutkan varsinaisen ytimen muodostaa sen etuaste, koska se sisältää antennin, joka lähettää ja vastaanottaa sähkömagneettisia signaaleja. Etuaste välittää keräämänsä informaation eteenpäin signaalinkäsittelyyn tiedon tulkitsemista varten (kuva 1).

Kuva 1: Tutkajärjestelmän peruskomponentit (kuvassa esitetään iSYS-4004). (Kuvan lähde: InnoSenT)

Tutka-antennin ja elektroniikkakomponenttien suojaamiseksi ne sijaitsevat tavallisesti kotelon sisällä. Tämä suojaa RFE-etuastetta ulkoisilta tekijöiltä, jotka saattaisivat vaurioittaa sitä tai heikentää sen suorituskykyä. Koska tutka pystyy läpäisemään materiaaleja, kupu halutaan usein myös esteettisistä syistä. Tuotesuunnittelijat pitävät tästä tekijästä aivan erityisesti.

Puhuessaan tällaisesta antennirakenteen suojakotelosta tutkateknikot käyttävät siitä termiä tutkakupu. Sana muodostuu sanoista tutka ja kupu. Kupumallista suojaa, kuten tutkassa iSYS-6003, käytetään pääasiallisesti suurissa kiinteästi asennetuissa tutkajärjestelmissä kuten ilma-alusten ja laivojen tutkat.

Teollisten ja kaupallisten sovellusten anturit ja järjestelmät tarvitsevat kuitenkin suojausta myös mekaanisilta ja kemiallisilta tekijöiltä, etteivät ne pääse heikentämään antennin toimintaa. Nämä sovitetaan antennin ja tutka-aaltojen ominaisuuksien mukaan.

Tutkakupua suunniteltaessa on oleellisen tärkeää käyttää oikeaa materiaalia. Kun sähkömagneettiset aallot osuvat objekteihin tai henkilöihin, materiaalin ominaisuudet vaikuttavat niiden leviämiseen. Kun harkitaan mitkä materiaalit sopivat käytettäväksi tutkakuvussa, on tärkeää ottaa huomioon mitä tapahtuu kun tutka-aallot osuvat materiaaliin.

Taulukossa 1 esitetään yleiskuvaus, jossa arvioidaan erilaisten materiaalien absorptiota ja heijastusta samoin kuin sitä miten mikroaallot läpäisevät ne.

Tutka-aaltojen täytyy pystyä läpäisemään tutkakupu. Metallit blokkaavat anturin. Metalleja ei niiden korkeasta heijastuvuudesta johtuen voida asettaa antennin eteen. Puupaneelit (näissä on tavallisesti tietty määrä jäännöskosteutta) eivät myöskään ole sopivia, koska sähkömagneettiset aallot läpäisevät ne vain osittaisesti.

Sellaiset vaahtomuovit kuten polystyreeni sopivat kansimateriaaliksi erittäin hyvin. Niitä voidaan jopa käyttää suoraan antennissa hyvin karkeassa struktuurissa. Koska niiden stabiilius on kuitenkin alhainen ja ne ovat herkkiä kemikaaleille, vaahtomuoveja ei tavallisesti valita kupumateriaaliksi.

Muovit muodostavat näin ollen yleisimmän vaihtoehdon suojakannen tai kotelon valmistamiseen. Tutkakupua suunniteltaessa suunnittelijan on kuitenkin otettava huomioon muovin ominaisuudet. Mitä paksumpi materiaali on ja mitä lähempänä se on antennia, sitä heikommin sähkömagneettiset aallot läpäisevät sen.

Mustaa muovia mitattaessa voidaan havaita häviöitä, koska ne tavallisesti sisältävät hiiltä. Jos vettä pääsee kertymään niin ettei se pääse valumaan pois, se saattaa heikentää etuasteen kykyä vastaanottaa tietoa. Myös muovisen tutkakuvun jälkikäsittely esimerkiksi maalaamalla vaikuttaa heikentävästi tutka-antennin kykyyn vastaanottaa dataa.

Tutkakuvun mitoitus ja suuntaus

Tutkakupua rakennettaessa materiaalin valinta on erittäin tärkeää, mutta sen lisäksi myös tutkakuvun tarkka suuntaus ja sen muoto ovat erittäin tärkeitä. Seuraavat tekijät on otettava huomioon, ettei kuvun teho heikkene:

• tutkakuvun sisäpinnan ja antennin välinen etäisyys
• tutkakuvun materiaalipaksuus
• tutkakuvun malli (mahdollisimman homogeeninen)

Nämä tekijät määrittävät heijastaako vai absorboiko rakennettu tutkakupu suurimman osan tutka-aaltoja.

Oikea etäisyys

Se, että tutkakuvun ja antennin välinen etäisyys on joka kohdassa saman suuruinen, on erittäin tärkeää. Pienetkin heitot, esim. pieni syvennys suojakannen sisäpuolella, saattavat muuttaa sähkömagneettisten aaltojen leviämistä. Tästä syystä kaltevilla tutkakuvuilla on myös se haitallinen vaikutus, että ne haittaavat oikeanlaisia heijastumia. Sama koskee pyöreitä päätyjä, korvakkeita, vahvisteita ja materiaalissa olevia uria (kuva 2).

Kuva 2: Vasen kuva esittää “virheellisen sijoittelun”: tutkakuvun pinta on epätasainen eikä se ole samansuuntainen antennin kanssa. Oikea kuva esittää “oikean sijoittelun”: Samansuuruiset etäisyydet samoin kuin tutkakuvun oikea sijoittelu ja mitoitus. (Kuvan lähde: InnoSenT)

Oikean ja yhdenmukaisen etäisyyden määrittämisessä on huomioitava seuraavat tekijät :

• Aaltojen leviäminen ei paljon heikkene jos ne osuvat tutkakupuun täsmälleen puolen aallonpituuden etäisyydellä (tai sen monikerta).
• Tämä tarkoittaa, että antennin pinnan (aallon keskikohta) on oltava samansuuntainen kannen kanssa ja oltava siitä etäisyydellä λ/2 (tai tämän monikerta).
• Jos keskitaajuus on 24,125 GHz (puoli aallonpituutta on noin 6,2 millimetriä (mm)), optimaalinen etäisyys on noin 6,2 mm.

Oikea materiaalipaksuus

Tässä soveltuu sama periaate kuin sopivan etäisyyden määrittämisessä: jotta vaikutus aaltojen leviämiseen olisi mahdollisimman pieni, niiden tulisi osua tutkakupuun puolen aallonpituuden kohdalla. Vastaavasti tutkakuvun materiaalipaksuus on valittava sopivasti puolen aallonpituuden mukaan.

On kuitenkin otettava huomioon myös tapa, jolla tutkakuvun materiaali muuttaa aaltoa (läpäisemällä materiaaliin). Tämä adaptaatio on suhteessa käytetyn materiaalin johtavuuteen (dielektrinen funktio ε). Tämä lyhentää aallonpituutta tekijällä √(ε_r).

Esimerkiksi muoveilla tämä dielektrinen vakio on kolmen ja neljän välillä. Tämä vaihtelee kuitenkin käytännössä suuresti. Karkean arvion saamiseksi lasku voidaan suorittaa keskiarvolla 1,5. Materiaalipaksuus voidaan sen jälkeen laskea käyttämällä kaavaa λ/2√(ε_r). Tämä antaa 4 mm näillä lähtöarvoilla.

Kuva 3: Esimerkki oikean materiaalipaksuuden laskemisesta tutkakupua varten. (Kuvan lähde:  InnoSenT)

Tutkakuvun rakentamiseen tarvitaan kattavaa tietämystä käytetyn materiaalin koostumuksesta ja sähkömagneettisten aaltojen leviämisestä. Tässä artikkelissa esitetyt tiedot on tarkoitettu ainoastaan oppaaksi ja korostamaan sitä, mitä tekijöitä antennin kuoren rakentamisessa on ehdottomasti otettava huomioon.