ראדום (radome, ראשי תיבות של שתי מילים radar ו – dome) זהו מבנה מכני המגן על האנטנה. הסיבות העיקריות לשימוש בראדומים:
- המטרה העיקרית של הראדום היא להיות שקופה לחלוטין בפני האנרגיה אלקטרומגנטית המועברת / מתקבלת על ידי האנטנה הנמצאת בתוך הראדום.
- הראדום מגן על האנטנה מפני מזג האוויר ומסתיר את הציוד האלקטרוני של האנטנה מן המתבונן הנמצא מחוץ לראדום.
ניתן לבנות ראדומים במספר צורות – כדוריות, גיאודזיות, משטחיות וכו’ – בהתאם ליישום המסוים, תוך שימוש בחומרים שונים כגון פיברגלס, PTFE ואחרים.
במקרה של אנטנה משטחית, הרבה פעמים נוח להשתמש בראדום שטוח. המבנה הפשוט ביותר הינו חומר דיאלקטרי בצורת תיבה מלבנית (dielectric slab), לדוגמא בעובי 1 מ”מ – 1.5 מ”מ המותקן מעל משטח האנטנה. בתדרים נמוכים יחסית, כאשר עובי הראדום קטן בהרבה מאורך הגל, הראדום כמעט ולא ישנה/יעוות את אלומת הקרינה. כן צריך לקחת בחשבון שאם הראדום צמוד או נמצא קרוב לאנטנה, יכולה להיות השפעה של הראדום על עכבת הכניסה של האנטנה ולכן גם על מקדם ההחזרה של האנטנה בתחום התדרים הרצוי. במקרה הזה, נדרש לעשות תכן של האנטנה יחד עם הראדום.
כאשר מתחילים לתכנן ראדום, בדרך כלל מומלץ להתחיל בתכן של מבנה השכבות הדיאלקטריות עבור פגיעה של הגל המישורי, מבחינת קיטוב, תחום התדרים וזוויות הפגיעה הרצויות. כמובן נדרש לקחת בחשבון חומרים מעשיים הזמינים לנו. את החומרים הדיאלקטרים מאפיינים בעזרת מקדם דיאלקטרי ו- Loss Tangent.
נניח לצורך דוגמא שנדרש לתכנן ראדום בתחום התדרים 24 GHz – 24.25 GHz המותקן מעל אנטנה מודפסת מסוג Microstrip Patch עם עקום קרינה כיווני. אחת הדרכים היא להשתמש במבנה ראדום הנקרא A Sandwich, כפי שניתן לראות באיור מס’ 1.
איור 1: מבנה ראדום מסוג A Sandwich
בכתבה זו נבצע את תכן הראדומים והאנטנות בעזרת תוכנת סימולציות אלקטרומגנטיות ANSYS HFSS, במישור התדר, בשיטת FEM.
המבנה המופיע באיור מס’ 1 זהו בעצם תא יחידה, עם תנאי שפה מחזוריים (Master/Slave) במישורים ZX ו – ZY, בתצורה זו מקבלים מבנה אינסופי במישור XY.
גל מישורי פוגע במבנה וממקדם העברה שנקבל נבין את רמת השקיפות של הראדום במובן האלקטרומגנטי.
מבנה הראדום מורכב משני חומרים: core (EpsR=1.5, Loss Tangent זניח) ו – skin (EpsR=2.1, Loss Tangent=0.001, עובי 0.2mm). באיור מס’ 2 ניתן לראות את מקדם העברה בתדר המרכזי 24.125 GHz בשני קיטובים TE ו – TM כתלות בזווית הפגיעה (0 מעלות – ניצב למשטח הראדום) עבור עוביים שונים של core.
איור 2: מקדם העברה עבור ראדום מסוג A Sanswich בתדר 24.125GHz
חשוב להבין, שגם אם הראדום נמצא מעל האנטנה, הראדום צריך להיות מתוכנן נכון מבחינת מספר פרמטרים: תחום זוויות פגיעה, מרחק מהראדום, אלומת קרינה של האנטנה, פילוג השדה קרוב של האנטנה מתחת לראדום (תלוי מצב שדה רחוק/קרוב) ופרמטרים נוספים. מתוך איור מס’ 2, ניתן לראות שעבור זוויות פגיעה עד 60 מעלות ובשני הקיטובים, הפסדי ההעברה המקסימליים הינם כ – 0.35 dB עבור עובי 1mm של core(הגרף הכחול). נבחר להשתמש בעובי זה של ה – core ועוביו הכולל של הראדום יהיה 1.4mm (לא דק מדי).
באיור מס’ 3 ניתן לראות עבור עובי הראדום הנבחר את מקדם העברה כתלות בתדר בשני הקיטובים וזוויות פגיעה שונות. ניתן לשים לב, שבתחום התדרים הרצוי, אין שינוי גדול של מקדם העברה לעומת החישוב בתדר המרכזי.
איור 3: מקדם העברה עבור ראדום מסוג A Sanswich כפונקציה של התדר
מומלץ לבדוק את הביצועים עבור הראדום הפשוט מסוג Dielectric Slab, לדוגמא העשוי polycarbonate עם מקדם דיאלקטרי EpsR=2.9 ו – Loss Tangent=0.004 בעוביים שונים. במקרה הזה מקבלים את תוצאות מקדם ההעברה עבור שני הקיטובים בתדר 24.125 GHz כפי שמופיע באיור מס’ 4. המסקנה היא שאם רוצים להשתמש בראדום מהסוג Dielectric Slab בעובי של 1mm, בקיטוב TE מקבלים הפסדי העברה של 2.5 dB בזווית פגיעה של 60 מעלות ולראדום עבה יותר יהיו הפסדים גדולים יותר.
איור 4: מקדם העברה עבור ראדום מסוג Dielectric Slab בתדר 24.125GHz
כעת נשלב את הראדומים עם מערך אנטנות המורכב משתי אנטנות מודפסות מסוג Microstrip Patch בתחום התדרים הרצוי 24 GHz – 24.25 GHz. נבחן שלושה מקרים, כפי שמופיע באיורים מס’ 5a (אנטנות ללא ראדום), מס’ 5b (אנטנות עם ראדום מסוג Dielectric Slab, עובי 1.4mm) מס’ 5c (אנטנות עם ראדום מסוג A Sandwich). הראדומים נמצאים מעל משטח האנטנה במרחק 2mm. בכל המקרים, האנטנה הקרובה לראשית הצירים משדרת, לכן רואים מסביבה עוצמה חזקה של השדה החשמלי.
איור 5a : מערך אנטנות בחלל חופשי
איור 5b : מערך אנטנות עם ראדום מסוג A Sandwich
איור 5c : מערך אנטנות עם ראדום מסוג A Sandwich
כפי שניתן לראות מאיור 5b, ישנה השפעה של הראדום על האנטנות (זליגה של השדה החשמלי מאנטנה המשדרת לאנטנה הקולטת) ולכן ישנה השפעה גדולה של ירידה בבידוד בין שתי האנטנות, בנוסף ישנה תזוזה של תדר התהודה של האנטנות, כפי שניתן לראות באיור מס’ 6. מהתבוננות באיור מס’ 5c, אין השפעה גדולה של הראדום.
איור S :6 פרמטרים עבור אנטנות עם \ ללא ראדום
איור מס’ 7 מתאר את עקום השבח בחתך הצידוד של האנטנה בתדר 24.125 GHz עבור קיטוב אנכי. כפי שניתן לראות, העקום של האנטנה (הקרובה לראשית הצירים) הינו מעוות במקרה של התקנה של ראדום חד שכבתי. במקרה שנשתמש בראדום תלת שכבתי, עקום הקרינה דומה למקרה של חלל חופשי. חשוב להדגיש, שתכן הראדום הקודם שנעשה על תא היחידה, הינו במקרה של פגיעה של גל מישורי בראדום, מה שלא קורה כאשר הראדום מותקן קרוב לאנטנה. לכן נדרשת אופטימיזציה נוספת של הראדום והמרחק של הראדום ממשטח האנטנה.
איור 7: עקום קרינה של האנטנה
ראדום מסוג נוסף, הינו ראדום FSS (Frequency Selective Surface). FSS זהו בדרך כלל משטח מחזורי הבנוי מתא יחידה (unit cell) המשלב חומרים דיאלקטרים ו/או מוליכים. התפקיד של FSS הוא לשמש כמסנן תדרים עבור הגלים הפוגעים בו. לדוגמא, אפשר לתכנן מסנן BPF על מנת שבתחום תדרים מחוץ לתחום העברה, הגלים הפוגעים יוחזרו או האנרגיה תיבלע, תלוי בתכנון. ניתן לתכנן את ה – FSS לתחום תדרים רחב, לקיטוב גל אנכי או אופקי, לתחום זוויות פגיעה רחבות וכו’. ישנם הרבה שימושים עבור מבני FSS, כולל חומרים בולעים מלאכותיים, הגנה בפני קרינה (כמו במיקרוגל) וגם בתחום העניין שלנו, הראדומים.
באיור מס’ 8 ניתן לראות תא יחידה FSS של שני מבנים (מבנה אחד – FSS חד שכבתי והמבנה השני FSS דו שכבתי).
איור 8: מבנים FSS
מימדי ה – FSS במישור XY 12.6mm X 12.6 mm. המבנה הינו מוליך מודפס (צבע כחול) על שכבה דיאלקטרית עם פרמטרים חשמליים EpsR=3.55, Loss Tangent=0.0027 בעובי 0.4mm. ל- FSS מספר סוגים וצורות בהם ניתן להשתמש. כאן המטרה לתכן BPF סביב התדר 5.5 GHz. כאשר שמים שני FSS במרחק נכון, מקבלים הנחתה חזקה יותר בתחום התדרים מחוץ לתחום העברה. איור מס’ 9 מתאר מקדם העברה עבור פגיעה ניצבת במבני FSS של גל מישורי. במקרה של שתי שכבות FSS הנמצאות במרחק 8mm ישנו צימוד, ולכן התדר המרכזי לא סביב 5.5 GHz. במקרה הזה נדרש לעשות אופטימיזציה של מימדי ה – FSS.
איור 9: מקדם העברה עבור ראדום מסוג FSS בפגיעה ניצבת
בכתבה זו הראנו את ביצועי ראדום דיאלקטרי וראדום FSS. במערכות המשלבות אנטנות עם ראדומים מומלץ להשתמש בכלי סימולציה בשביל לקבל ביצועים אופטימליים מערכות הנ”ל.
הכתבה באדיבות Electromagnetics Infinity LTD. לפרטים נוספים ניתן לפנות לנציגות החברה.
על המחברים:
ולדימיר וולפין
מר ולדימיר וולפין בעל תואר שני בהנדסת חשמל עם התמחות באלקטרומגנטיות מאוניברסיטת בן גוריון. בעל ניסיון מעל 15 שנים בפיתוח בתחום אנטנות, רכיבי מיקרוגל פאסיביים וסימולציות אלקטרומגנטיות. מנכ”ל חברת Electromagnetics Infinity המשמשת כ – Channel Partner של חברת ANSYS ונותנת שירותי הנדסה בפיתוח מערכות RF ואנטנות, כמו כן מכירת רישיונות תוכנת ANSYS.
איתמר מדר
מר איתמר מדר מהנדס חשמל ואלקטרוניקה עם התמחות באנטנות וקרינה. ראש צוות פיתוח אנטנות בחברת Electromagnetics Infinity ומדריך קורסים של תוכנת סימולציה א”מ ANSYS HFSS.
