RADAR - RA dio D etection A nd R anging

1. RADAR - RAdioDetection And Ranging RADAR di monitoraggio d'onde per navi

2. Il radar in navigazione RADAR: Radio Detection and Ranging- rivelazione e misura radio della distanza Apparato elettronico che usa onde radio per rivelare la presenza e misurare la posizione d’oggetti (targets) Non sostituto dell’occhio umano; utile quando la visione è impossibile (navigazione notturna, in banchi di nebbia)

3. Principio di funzionamento e le leggi fisiche Una stessa antenna -trasmette un segnale -ne riceve l’eco dovuta alla riflessione su eventuali ostacoli Bersagli tracciati su rappresentazione panoramica di tipo polare del tutto intuitiva: lo schermo PPI Segnale trasmesso: treno d’impulsi stretti modulanti una portante sinusoidale ad alta frequenza

4. Antenna radar: fortemente direttiva Mettendo in rotazione l’antenna, possibile stabilire l’azimut (o eventualmente l’elevazione) del bersaglio Distanza determinata misurando l’intervallo di tempo che intercorre tra la trasmissione e la ricezione degli impulsi

5. La frequenza di ripetizione degli impulsi dipende dalla massima distanza alla quale ci si aspetta un bersaglio Echi di seconda traccia: una eco dovuta all’impulso n-simoche giunge solo dopo la trasmissione del successivo impulso appaiono molto vicini bersagli invece lontanissimi Aspettare un tempo sufficiente per permettere all’eco del segnale di ritornare prima di trasmettere l’impulso successivo Fissata fr di ripetizione impulsi, massima distanza non ambigua:

7. http://www.sailtraining.de/fileadmin/files/intern/Ausbildung/Radar_FR8062_FR8122_FR8252_OpMan.pdfhttp://www.sailtraining.de/fileadmin/files/intern/Ausbildung/Radar_FR8062_FR8122_FR8252_OpMan.pdf

8. Funzionamento di un radar ad impulsi

9. Trasmettitore - Emette grande quantità di energia Il sistema riceve, rileva e misura una piccola parte (10-18) di quella stessa energia, che ritorna sotto forma di eco sistema a impulsi: impulso di energia trasmesso per una durata variabile tra 0,1 e 5 μs

10. Il trasmettitore rimane muto per alcune centinaia o migliaia di μs Durante l'impulso, il ricevitore è isolato dall'antenna Tra un impulso e l'altro, è scollegato il trasmettitore Trasmettitore Ricevitore

11. A RF, corrente e tensione sfasate di 90° (λ/4) Un corto circuito (z=0) è trasformato dopo una distanza λ/4 in un circuito aperto (impedenza infinita) z=V/I

12. CV43 S-band TR cell Una cella TR (transmit-receive) è un tubo a scarica di gas; il gas a bassissima pressione, mantenuto in uno stato di ionizzazione per mezzo di elettrodi ricoperti con materiale radioattivo. Funziona come un interruttore elettronico

13. CV115 (E1465) ATR cell

14. Trasmissione: arco elettrico sia nella cella TR (punto D) che nella ATR (punto C) i circuiti TR e ATR in corto riflettono circuito aperto nei punti B e A energia trasmessa non può passare attraverso la cella ATR o arrivare al ricevitore: tutta la potenza è diretta all’antenna

15. Ricezione: eco non sufficiente a causare un arco; cella ATR come una linea di trasmissione di lunghezza λ/2 terminata con un corto circuito. riproduce un circuito aperto al punto B L’eco vede un circuito aperto in direzione del trasmettitore z del ricevitore corrisponde a z di linea (adattamento) l’intero segnale ricevuto andrà al ricevitore con minime perdite

16. Svantaggi -limitata ampiezza di banda -limitata potenza del trasmettitore -il disaccoppiamento tra trasmettitore e ricevitore è inferiore a quello di altri duplexer La pressione del gas nella cella TR è un parametro importante: abbassandola si può abbassare V necessaria a provocare la scarica Si può ridurre il tempo di ripristino introducendo vapore acqueo nel tubo Tempo di recupero: sufficientemente basso, per ridurre la minima distanza di rilevamento del radar: se, per esempio, un segnale è riflesso da un oggetto vicino, l’eco arriva al radar prima che la cella TR sia ripristinata, e pertanto tale segnale potrebbe non essere ricevuto

17. Circuito CON due diodi di tipo PIN – vantaggi: vita lunga e rapido ripristino Diodo PIN (Positive Intrinsic Negative):larga regione di materiale semiconduttore intrinseco contenuta tra un semiconduttore di tipo p e uno di tipo n; • come resistore alle microonde e  onde radio; R dipende da tensione continua applicata - da 5 Ω, in polarizzazione diretta, a 6 kΩ, in polarizzazione inversa • usato come • interruttore elettronico

18. VCC>0, entrambi i diodi PIN presentano R molto bassa L’energia dal trasmettitore può attraversare il diodo PIN superiore e giungere all’antenna Questa bassa R riproduce dopo la linea di lunghezza λ/4 R alta l’energia a RF dal trasmettitore vede linea aperta andrà verso l’antenna

19. VCC<0, entrambi i diodi PIN hanno R maggiore; il percorso al trasmettitore è quasi una linea aperta L’energia ricevuta non può andare verso il trasmettitore Il diodo PIN nel percorso verso il ricevitore presenta una resistenza alta e influenza poco l’onda che viaggia.

20. Ricevitore – Idealmente amplifica e misura segnale estremamente debole ad altissima f Non esiste amplificatore mobile che faccia questo segnale convertito a f intermedia di circa 30 MHz da un circuito a supereterodina e amplificato a questa f L'altissima f del segnale radar richiede oscillatore e miscelatore molto precisi klystron, potentissimi tubi a microonde

21. Ricevitore a supereterodina Sfrutta l'effetto che si ha quando si fanno battere due segnali RF di frequenza diversa. Battere: mettere insieme, miscelare questi due segnali. Si ottengono 4 segnali RF di f diversa: -due segnali hanno la f dei segnali originali: f1 e f2 -uno f1+f2 -l'altro f1-f2

22. Conversione di frequenza Es: ricevere segnale di f1=1000 Mhz, generare un secondo segnale, f2=1030 MHz, mediante oscillatore locale Facendo battere questi due segnali tra loro, all'interno del mixer, otterremo le frequenze 1000 Mhz, 1030 Mhz, 2030 Mhz, 30 MhzI segnali ottenuti in questo modo mantengono le caratteristiche dei segnali originali In uscita dal mixer si mettono dei filtri per prelevare solo la frequenza che interessa Nei normali ricevitori radio si preleva il segnale differenza (30 MHz)

23. Sintonizzare ricevitore: variando la f dell'oscillatore locale f in uscita sarà sempre 30 MHz La f sulla quale sarà sintonizzato il ricevitore: foscill. locale meno 30 MHz Il segnale così ottenuto è chiamato frequenza intermedia Il segnale a frequenza intermedia viene rivelatoestratte le informazioni utili presenti nel segnale ricevuto

24. Normali ricevitori radio-tv: il suono e le immagini televisive sono inseriti nel segnale a radiofrequenza mediante la modulazione In uscita dai circuiti che eseguono la rivelazione del segnale: segnale elettrico che contiene le informazioni che erano state inserite, mediante la modulazione, nel segnale RF

25. Nei RADAR, invece, il segnale RF è modulato in un’altra maniera Modulazione di tipo a impulsi: il segnale RF non trasmesso in maniera continua, come per radio-tv, ma è trasmesso un singolo impulso Un ricevitore RADAR rileva solo la presenza del segnale RF In uscita dal rivelatore sarà presente un segnale elettrico che indicherà la presenza di un bersaglio oppure l'assenza

26. I radar a onde persistenti trasmettono un segnale continuo Il radar doppler (velocità oggetti in movimento) trasmette a f costante; segnali riflessi dagli oggetti in movimento rispetto all'antenna: f diverse Per rilevare solo oggetti in movimento, il ricevitore amplifica solo echi di f diversa dal trasmettitore

28. Radar a modulazione di frequenza (FM), più precisi di quelli a impulsi ma di portata minore Trasmettono un segnale continuo di f uniformemente variabile Nel tempo necessario perché un segnale sia trasmesso, riflesso e ricevuto, la frequenza di trasmissione cambia La differenza tra la frequenza dell'eco e quella del trasmettitore nell'istante della ricezione convertita nella distanza

29. Modulatore del magnetron

30. Energiatrasmessa in RF: breviimpulsi, duratada 1 a 50 μs Modulatore produce un impulso ad altatensione Rete forma-impulsi:caricata lentamente ad altatensione; scaricatarapidamenteattraverso un trasformatore a impulsidaltubothyratronimpulsoin uscita

31. Filamento riscaldato (catodo) circondato da schermatura aperta da un lato attraverso una griglia di controllo, affacciata ad una placca anodica Applicando V>0 all'anodo, se la griglia di controllo è allo stesso potenziale del catodo non si ha passaggio di corrente Griglia a potenziale leggermente positivo, il gas compreso tra anodo e catodo si ionizza e conduce corrente Riducendo V anodo sotto una soglia il dispositivo si disinnesca Equivalente solido: TRIAC Thyratron TGi-700_25

32. Impulsodi forma e duratadipendentidarete forma-imp. e trasform. Rete caricata a tensione doppia dell’alta tensione dell’alimentatore, con l’aiuto del campo magnetico dell’impedenza di carica, che allo stesso tempo limita la corrente di carica Diodo di carica previene che la rete si scarichi su R interna alimentatore

34. Magnetron - Valvola termoionica ad alta potenza Produzione di microonde non coerenti Camera con sezione circolare circondata da lobi, in cui è il vuoto Al centrocatodo: filo incandescente (filo di tungsteno elicoidale, 8-12 spire), a potenziale negativo elevato Parallelo all'asse, campo magnetico da magnete permanente

35. Filamento emette elettroni (effetto termoionico) – si muovono verso le paretidella camera (anodo, a potenziale zero) Campo magnetico entrante causa una curvatura nella loro traiettoria (forza di Lorentz) spirale Gli elettroni al bordo delle cavità si riuniscono in fasci che vibrano corrente campo magnetico ad alta f prelevato da antenna connessa a una guida d’onda inviato all’utilizzatore (forno a microonde o antenna trasmittente) Moto che un elettrone uscente dal filo centrale in assenza di campo magnetico e moto che assume all'interno del magnetron Punti gialli: campo magnetico

36. La dimensione delle cavità determina la frequenza di risonanza frequenza onde radio prodotte: non molto precisa, non modificabile Potenza irradiata: dipende da tensione applicata e caratteristiche costruttive del tubo

38. Controllo automatico di frequenza

39. Klystron Tubo a vuoto di tipo a elettroni liberi e a fascio lineare Rispetto al magnetron: mantiene coerenza del segnale amplificato segnale in uscita può essere esattamente controllato in ampiezza, frequenza e fase

40. Il segnale contiene informazione su distanza: tempo, ma anche fase distinguere bersagli fissi da quelli in movimento Circuito rivelatore di fase Si fa battere il segnale ricevuto a FI col segnale generato dal COHO Genera segnale alla FI, con fase uguale al segnale trasmessoBattimento segnale la cui ampiezza dipende da differenza di fase tra segnale trasmesso e quello ricevuto il segnale convertito in dati digitali STALO STAbleLocalOscillator COHO COHerentOscillator