Grundlæggende om konstruktion af en radome

Vigtig bemærkning: Udviklingen og opbygningen af en radome er meget kompleks. De nævnte data er kun ca. værdier. Denne information giver kun den grundlæggende indsigt i dette emne, og erstatter ikke de nødvendige evalueringer og test.

Radar-sensorer består af en frontend (RFE) (mikrobølgedel med antennestruktur) og komponenter til signalbehandling. Den faktiske kerne af en radar er forenden, fordi det er her antennen sender og modtager elektromagnetiske signaler. For at fortolke de indsamlede data videresender frontenden disse derefter til signalbehandlingen (figur 1).

Figur 1: Grundlæggende komponenter i et radarsystem (iSys-4004 vises her). (Billedkilde: InnoSenT)

For at beskytte radarantennen og de elektroniske komponenter er sensoren normalt lukket med et hus. Dette beskytter RFE'en mod eksterne påvirkninger, der forårsager skade eller påvirkninger performance. Takket være radarens evne til at trænge igennem materialer er en radar foretrukket også af æstetiske grunde. Dette er et bestemt aspekt, som produktdesignere sætter stor pris på.

Når man taler om et sådant beskyttelseshus for en antennestrukturen, henviser radarteknikere til en ”radome”. Ordet er en kombination af ordene 'radar' og 'dome' (kuppel). Den kuppelformede hus, som den på iSys-6003, bruges primært med store radarsystemer, der er permanent installeret, f.eks. flyene eller flyets radarer.

Sensorer og systemer til industriel eller kommerciel anvendelse kræver dog også beskyttelse mod mekaniske eller kemiske påvirkninger, for ikke at forringe antennefunktionen. Disse er tilpasset antennen og radarbølgenes egenskaber.

Ved design af en radome er det også vigtigt at bruge det rigtige materiale. Hvis elektromagnetiske bølger rammer genstande eller personer, påvirker materialets spredning. For at finde ud af, hvilke materialer der er egnet til en radome, er det vigtigt at tage hensyn til den deraf følgende virkning, når de bliver ramt af radarbølger.

Tabel 1 er en oversigt, der vurderer forskellige materialer med hensyn til absorption og reflektion af såvel som evnen til at blive penetreret af mikrobølger.

Radarbølger skal være i stand til at trænge igennem radomen. Metaller blokerer sensoren. På grund af deres yderst reflekterende egenskaber er de ikke egnede til placering foran en antenne. Træpaneler (normalt med en vis grad af restfugtighed) er heller ikke egnet på grund af dets begrænsede evne til at lade elektromagnetiske bølger trænge gennem dem.

Skum, såsom polystyren er meget velegnede til at blive brugt som dækmateriale. De kan endda påføres direkte på antennen i en meget rå struktur. På grund af deres lave stabilitet og følsomhed over for kemikalier er skum imidlertid normalt ikke fortrukket, når det kommer til valg af materiale.

Plast er derfor det mest almindelige alternativ til fremstilling af et beskyttelsesafdækning eller hus. Ved planlægningen af en radome skal designeren dog tage hensyn til plastens egenskaber. Jo tykkere og tættere materialet er på antennen, jo mindre trænger de elektromagnetiske bølger igennem den.

I tilfælde af sort plast kan der opstå tab i målingen, da disse ofte indeholder kulstof. Akkumulering af vand, der ikke dræner, kan også skade indsamling af data fra frontenden. Efterfølgende behandling af plast-radomen, for eksempel ved maling af den, påvirker også dataindsamlingen negativt.

Dimensionering og placering af radomen

Ved konstruktion af en radome er ikke kun det valgte materiale, men også den nøjagtige fiksering og form af radomen er meget vigtigt. For ikke at begrænse dens funktionalitet skal følgende aspekter tages i betragtning:

• Afstanden mellem undersiden af radomen og antennen
• Radomens materiale
• Radomens form (så homogen som muligt)

Disse faktorer bestemmer, om den konstruerede radome reflekterer eller absorberer de fleste af radarbølgerne.

Den rigtige afstand

Ensartetheden af de individuelle afstande fra radomen til antennen er af stor betydning. Selv små afvigelser, f.eks. Et lille hak på undersiden af beskyttelsesdækslet, kan ændre spredningen af elektromagnetiske bølger. Af denne grund har radomer der skrånende også en negativ indvirkning, da de kan vise sig at være skadelige for refleksion. Det samme gælder runde ender, lugs, forstærkninger eller riller i materialet (figur 2).

Figur 2: Venstre billede viser forkert placering: Radome med en ujævn overflade og ikke placeret parallelt med antennen. Højre billede viser korrekt placering: Ensartede afstande samt korrekt placering og dimensionering af en radome. (Billedkilde: InnoSenT)

For at bestemme den korrekte, ensartede afstand gælder følgende:

• Spredningen af bølgerne er kun lidt forstyrret, hvis de rammer en radome på nøjagtigt en halv bølgelængde (eller et multiplum deraf).
• Dette betyder, at antenneoverfladen (bølgecentret) skal placeres parallelt med dækslet i en afstand af λ/2 (eller et multiplum deraf).
• Med en centerfrekvens på 24,125 GHz (med en halv bølgelængde på ca. 6,2 millimeter (mm)) er den optimale afstand ca. 6,2 mm.

Den rigtige materialetykkelse

Her gælder det samme princip som ved bestemmelse af den passende afstand: For at minimere forstyrrelse af bølgenes spredning skal de ramme radomen ved halve bølgelængden. Tilsvarende skal radomens materialetykkelse også vælges passende for halve bølgelængden.

Imidlertid skal der også tages højde for den måde, hvorpå bølgen ændres af stoffet i radomen (ved at trænge ind i materialet). Denne tilpasning svarer til konduktiviteten for det anvendte materiale (dielektrisk funktion ε). Det forkorter bølgelængden med faktoren √ (ε_r).

For eksempel med plast er denne dielektriske konstant mellem tre og fire, som imidlertid varierer meget i praksis. For at opnå et rå estimat kan en beregning udføres med middelværdien 1,5. Materialets tykkelse kan derefter beregnes ved hjælp af formlen λ/2√ (ε_r). Dette ville svare til 4 mm med disse startværdier.

Figur 3: Eksempel til beregning af den rette materialetykkelse for et radomateriale. (Billedkilde:  InnoSenT)

For at opbygge radomen er det nødvendigt med omfattende viden om sammensætningen af det anvendte materiale og spredningen af elektromagnetiske bølger. De givne oplysninger er kun beregnet som vejledning og til at understrege, hvilke aspekter der absolut skal tages i betragtning ved konstruktion af en antennebetræk.