رادار چیست و آرایه‌ی فازی چطور بدون چرخش آنتن جهت را عوض می‌کند؟

رادار در ظاهر ساده است: موج می‌فرستی، منتظر می‌مانی و بازتابش را می‌شنوی. اما وقتی بحث ردیابی ده‌ها هدف با سرعت چند کیلومتر بر ثانیه پیش می‌آید، همین ایده‌ی ساده به فیزیک و پردازش سیگنال جدی تبدیل می‌شود. در این مطلب از پایه شروع می‌کنم و تا آرایه‌ی فازی پیش می‌روم.

رادار چطور کار می‌کند؟

رادار (Radar، مخفف Radio Detection And Ranging) امواج الکترومغناطیسی، معمولاً در محدوده‌ی مایکروویو، را می‌فرستد. بخشی از انرژی از جسم هدف بازمی‌گردد و آنتن آن را دریافت می‌کند. تشبیه رایج، خفاش است: صدا می‌فرستد و از تأخیر پژواک فاصله را می‌فهمد.

اندازه‌گیری فاصله

موج با سرعت نور ( c \approx 3 \times 10^8 ) متر بر ثانیه حرکت می‌کند. اگر زمان رفت‌وبرگشت ( \Delta t ) باشد، فاصله چنین است:

[ R = \frac{c \, \Delta t}{2} ]

تقسیم بر دو برای این است که موج مسیر را دو بار می‌پیماید. مثلاً تأخیر ۲ میلی‌ثانیه یعنی ( R = 3\times10^8 \times 2\times10^{-3} / 2 = 300 ) کیلومتر. واحد‌ها هم سازگارند: متر بر ثانیه ضربدر ثانیه می‌شود متر.

اندازه‌گیری سرعت: اثر داپلر

اگر هدف به رادار نزدیک شود، فرکانس موج بازتابی کمی بالاتر می‌رود و اگر دور شود پایین‌تر. تغییر فرکانس برای رادار روی هدف متحرک تقریباً چنین است:

[ f_d = \frac{2 v_r}{\lambda} ]

که در آن ( v_r ) سرعت شعاعی و ( \lambda ) طول موج است. همین اصل در رادار سرعت‌سنج پلیس هم به کار می‌رود.

جهت هدف

جهت را از جهتی می‌فهمیم که پرتو آنتن در آن لحظه به آن اشاره می‌کند. پس هرچه پرتو باریک‌تر باشد، دقت زاویه‌ای بیشتر است. پهنای پرتو تقریباً با نسبت ( \lambda / D ) تعیین می‌شود که ( D ) ابعاد دهانه‌ی آنتن است. این یکی از دلایلی است که رادارهای دقیق، آنتن بزرگ دارند.

چرا برد محدود است؟

معادله‌ی برد رادار نشان می‌دهد توان دریافتی با توان‌های چهارم فاصله افت می‌کند. به عبارت ساده، موج هم در رفت و هم در برگشت پخش می‌شود:

[ P_r \propto \frac{P_t \, G^2 \, \lambda^2 \, \sigma}{R^4} ]

اینجا ( P_t ) توان ارسالی، ( G ) بهره‌ی آنتن و ( \sigma ) سطح مقطع راداری (RCS) هدف است. نتیجه‌ی عملی: برای دو برابر کردن برد، توان باید شانزده برابر شود یا آنتن و پردازش بسیار بهتر. به همین دلیل رادارهای هشدار زودهنگام عظیم‌اند.

آنتن بشقابی در برابر آرایه‌ی فازی

رادار کلاسیک یک آنتن بشقابی دارد. برای اسکن آسمان باید بچرخد و چرخش مکانیکی سرعت محدود، سایش و نقطه‌ی کور دارد. هر بار که پرتو از یک نقطه عبور می‌کند، فقط لحظه‌ای هدف را می‌بیند.

آرایه‌ی فازی (Phased Array) از صدها تا هزاران عنصر کوچک ساخته شده است. هر عنصر سیگنال را با یک اختلاف فاز مشخص می‌فرستد. در جهت دلخواه، موج‌ها هم‌فاز می‌رسند و تداخل سازنده می‌سازند؛ در جهت‌های دیگر یکدیگر را خنثی می‌کنند. با تغییر الکترونیکی فازها، پرتو بدون حرکت هیچ قطعه‌ای به جهت دیگر می‌رود.

برای آرایه‌ی خطی با فاصله‌ی ( d ) بین عناصر، اختلاف فاز لازم برای هدایت پرتو به زاویه‌ی ( \theta ) از خط عمود برابر است با:

[ \Delta\phi = \frac{2\pi d \sin\theta}{\lambda} ]

این رابطه بی‌بعد است (رادیان)، چون ( d/\lambda ) بی‌بعد است.

AESA چه فرقی با آرایه‌ی فازی قدیمی دارد؟

در آرایه‌ی فازی غیرفعال (PESA) یک فرستنده‌ی مرکزی وجود دارد و فقط فاز عناصر تنظیم می‌شود. در AESA (Active Electronically Scanned Array) هر عنصر ماژول فرستنده/گیرنده‌ی خودش را دارد. مزیت‌ها:

• پرتوهای متعدد همزمان و تقسیم زمان بین جستجو و ردیابی.
• تغییر جهت در حد میکروثانیه.
• مقاومت بهتر در برابر اختلال و خرابی چند ماژول (افت تدریجی به‌جای قطع کامل).
• امکان تغییر فرکانس و شکل موج برای کاهش احتمال شنود.

چرا برای دفاع موشکی حیاتی است؟

موشک بالستیک با چند کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند. رادار چرخان باید منتظر چرخش بعدی بماند و این در مقیاس ثانیه‌ها زمان از دست رفته است. رادار آرایه‌ی فازی می‌تواند هدف جدید را جستجو کند، هدف قبلی را با پرتوی متمرکز دقیق ردیابی کند و حتی به رهگیر در حال پرواز داده بفرستد. رادارهایی مثل EL/M-2084 و خانواده‌ی Green Pine از این فناوری بهره می‌برند.

محدودیت‌ها

آرایه‌ی فازی جادو نیست. زاویه‌ی پوشش یک صفحه‌ی ثابت معمولاً حدود ±۶۰ درجه است و بیشتر از آن کارایی افت می‌کند، برای همین پوشش ۳۶۰ درجه چند صفحه لازم دارد. گرمای ماژول‌ها، هزینه و پیچیدگی نرم‌افزار هم مسئله است. همچنین هر رادار مدل خودش را دارد و بهره‌ی واقعی در برابر هدف رادارگریز (RCS کوچک) محدود می‌ماند.