1. Applicazioni radar in banda HF.
1.1 I radar Over The Horizon (OTH).
I sistemi radar convenzionali operano a frequenze comprese fra i 300 MHz e i 30 GHz e richiedono la presenza di percorsi diretti del segnale trasmesso fra l’antenna e il bersaglio. I radar operanti in banda HF hanno una banda di funzionamento che si estende fra i 2 e i 30
MHz e presentano il vantaggio di essere in grado di rivelare bersagli presenti al di là
dell’orizzonte ottico. Da ciò il nome di radar OTH (Over The Horizon).
I dispositivi di questo tipo nascono da esigenze che spaziano dalla difesa di zone costiere al monitoraggio di superfici marine, delle variazioni di venti e correnti, per rivelazioni oceanografiche.
L’analisi teorica dello scattering e delle perturbazioni delle onde radio dalle superfici marine fu sviluppato da Barrick [1]. Egli elaborò una teoria a partire dalle scoperte di Rice che trovò una soluzione al problema del calcolo delle frequenze Doppler di una specifica superficie marina; in seguito fornì una base per la stima di varie proprietà spettrali delle onde marine che caratterizzano una data superficie.
I radar HF dedicati a questo tipo di rivelazione e analisi sono stati costruiti e sviluppati secondo diverse configurazioni, delle quali due sono le predominanti. Esse si differenziano in base alle differenti tipologie di propagazione dell’onda trasmessa. Due sono i principali metodi che possono essere sfruttati: HF Surface Wave Radar (HFSWR) e HF skywave
Nel caso del radar HFSWR il segnale che arriva nel sito di ricezione, dopo essere stato trasmesso ed aver impattato contro il bersaglio, si propaga sopra alla superficie marina, nella gran parte dei casi per diversi km, e conserva su di sé tutte le modulazioni spaziali e temporali introdotte durante il percorso.
Nel caso, invece, del radar skywave il segnale ricevuto può essere preso come una replica di quello trasmesso, anche se molti fenomeni ionosferici possono averlo deteriorato durante la propagazione.
Si riportano di seguito le principali caratteristiche delle due tipologie di radar.
1.1.1 Radar HFSWR (HF Surface Wave Radar)
Il radar HFSWR usa antenne polarizzate verticalmente la cui radiazione è diretta verso la superficie del mare. Esso opera tipicamente fra i 4 e i 26 MHz ed è usato per la sorveglianza di aree costiere, garantendo una copertura fino a 500 Km in distanza. Inoltre, grazie all’odierna tecnologia e alle tecniche di elaborazione dei segnali, è in grado di rivelare la presenza di imbarcazioni ed aerei a basse quote, come mostrato in figura 1.1.1.
Fig.1.1.1: funzionamento di principio di un radar HFSWR.
È usato non solo per la rivelazione di bersagli ma anche per fornire dati relativi alla meteorologia e all’oceanografia. Usando a questo scopo l’estremo inferiore della banda HF, dai 3 ai 6 MHz, questo sistema è soggetto a conseguenti problemi caratteristici:
• la propagazione di onde superficiali seguendo la curvatura della terra che presenta superfici irregolari include la possibilità di cammini multipli dell’onda;
• all’interno della suddetta banda risulta difficile trovare frequenze libere per la trasmissione;
• esistono effetti del clutter delle superfici marina e terrestre;
• c’è la presenza di rumore ambientale, la cui entità può superare di 40-60
dB quello termico;
• sono altresì presenti interferenze indesiderate con altri utenti;
• occorre utilizzare array di grandi dimensioni per la trasmissione e la ricezione dei segnali .
Il primo passo per trovare una soluzione a questo tipo di problemi è progettare un sistema di antenne adatto. Infatti, condizione necessaria al corretto funzionamento del sistema che realizza un dispositivo di questo tipo è l’utilizzo di strutture trasmittenti e riceventi con caratteristiche in termini di guadagno e direttività che soddisfino i requisiti fisici necessari alla realizzabilità del
radar HFSWR, come sarà illustrato in seguito.
In particolare, compito dell’antenna trasmittente è
• indirizzare quanta più energia possibile in direzione della superficie marina,
• garantire un guadagno adeguato sull’intera banda di interesse, • presentare un rapporto front to back adeguato,
• coprire una porzione angolare, in azimut, maggiore di 120°. Analoghe caratteristiche dovrà presentare l’antenna in ricezione.
Questo tipo di radar rimuove la limitazione dell’orizzonte ottico dei tradizionali radar a microonde mediante l’uso di onde polarizzate verticalmente che, grazie all’attenuazione
relativamente bassa sulla superficie oceanica, altamente conduttiva, seguono la curvatura terrestre. Di conseguenza i segnali che seguono questo tipo di propagazione possono raggiungere distanze che superano il normale orizzonte ottico, fattore limitante i sistemi radar convenzionali. Questo consente inoltre al segnale trasmesso di interagire con la superficie marina fornendo utili informazioni su di essa, come mostrato in [1] e [2].
Molti progressi sono stati fatti nella comprensione del legame esistente fra lo spettro Doppler del segnale di ritorno sul sistema radar e lo spettro prodotto dalle onde oceaniche. Il principio fisico che sottende a tali interazioni è quello dello scattering di Bragg. Infatti, questo tipo di radar misura lo spettro degli echi riflessi a partire da quello delle onde oceaniche risonanti secondo il fenomeno di Bragg, tipicamente lunghe dai 6 ai 12 m.
In assenza di correnti lo spettro dell’eco marina consiste, al primo ordine, di due linee con uguali traslazioni in frequenza, positiva e negativa, che corrispondono alla velocità di fase delle onde oceaniche con lunghezza pari alla metà della lunghezza d’onda del segnale che viene trasmesso e, successivamente, ricevuto dal radar.
1.1.2 Radar HF Skywave.
Il radar HF Skywave, invece, sfrutta la riflessione del segnale in trasmissione e in ricezione sulla ionosfera (figura 1.1.2). Opera fra i 5 e i 35 MHz e provvede alla sorveglianza di aree a distanze tipicamente fra i 500 e i 3500 Km.
Generalmente è realizzato come radar bistatico, in cui, cioè, i siti di trasmissione e ricezione sono separati tra di loro al fine di minimizzare l’effetto di accoppiamento fra di essi. Tuttavia, tali siti possono, in alcuni casi, coincidere.
Fig.1.1.2: funzionamento di un radar OTH per riflessione ionosferica
L’abilità di osservare al di là dell’orizzonte ottico, fino a 3500 Km e di scandire lo spazio circostante su un angolo di 90° fa in modo che i radar HF Skywave siano in grado di fornire informazioni in tempo reale, su vaste aree e con alte risoluzioni su intere regioni.
I fattori che limitano le prestazioni possono essere divisi in due categorie. Esistono, infatti, sia problemi intrinseci relativi all’estrazione delle informazioni desiderate a partire dalle misurazioni effettuate, sia strettamente legati alla modalità di propagazione attraverso la ionosfera a causa delle contaminazioni delle onde radio quando si propagano attraverso di essa, come mostrato in [3].
Due sono le principali cause:
• le propagazioni simultanee,
• il rumore esterno che potrebbe inficiare la stima spettrale e limitare la sensibilità del sistema.
Per ovviare a questi inconvenienti, i radar Skywave moderni sono dotati di un FMS (Frequency
Management System) che fornisce un monitoraggio continuo della ionosfera e misura lo spettro
dell’intera banda HF cercando canali liberi dove il radar possa operare senza interferenze con altri utenti.
È quindi necessario esaminare preventivamente il quadro sinottico dell’ambiente di propagazione fornito dal FMS.
Le forme più importanti di distorsione del segnale possono essere identificate, tuttavia, con i processi legati all’effetto della propagazione attraverso lo strato ionosferico sulla fase del segnale. Infatti, a seguito delle due riflessioni successive del segnale, supposti i siti di trasmissione e di ricezione monostatici, la fase dell’eco ricevuta subisce delle fluttuazioni.
L’atmosfera è esposta alle radiazioni emanate dal sole e queste possono essere abbastanza intense da separare gli elettroni dagli atomi di gas. In tal modo, a seguito della ionizzazione dei gas, si crea uno strato di plasma all’interno del quale gli elettroni sono liberi di muoversi.
Durante le ore diurne, quando la ionosfera diventa progressivamente più ionizzata, il risultante incremento della densità di ioni cambia l’indice di rifrazione che, trascurando gli effetti del campo magnetico delle terra, è dato da
2 2 1 f KNe − = η (1.1)
dove k è una costante positiva data da
e n
N f2
, con f frequenza locale del plasma, n N la densità e
locale degli elettroni e f la frequenza di lavoro.
A causa dell’estrema variabilità della densità di ionizzazione dello strato superiore dell’atmosfera dal giorno alla notte, da una stagione all’altra, la quota alla quale il fenomeno di riflessione avviene, che prende il nome di quota virtuale, può variare dai 100 ai 350 km.
Inoltre, la stabilità delle riflessioni ionosferiche dipende da quale strato viene utilizzato per la propagazione, il che dipende dalla frequenza del radar. Lo strato E, infatti, e il più elevato strato
F1 presentano caratteristiche piuttosto prevedibili e poco variabili al variare di stagioni o delle
questo, sono meno prevedibili le sue caratteristiche. Quindi l’ampiezza delle fluttuazioni aumenta con l’altezza degli strati della ionosfera.
Lo strato F è quello legato a gran parte delle propagazioni in banda HF. Segnali a frequenza diversa vengono riflessi sulle terra a differenti distanze. Durante le ore del giorno la distanza coperta da un segnale a 7 MHz può arrivare a 300 km, mentre uno a 21 MHz può arrivare fino a
3000 km di distanza. Quando, nelle ore notturne, la densità degli elettroni aumenta, questi valori
aumentano arrivando a 2000 km nel primo caso.
Le comunicazioni a lunga distanza possono essere ottenute, in maniera alternativa, tramite riflessioni multiple attraverso lo strato E, come mostrato in [4].
Anche nel caso del segnale ricevuto esistono diversi tragitti che l’onda può percorrere prima di arrivare al sito di ricezione (figura 1.1.3).
(a) (b)
(c)
Fig 1.1.3: possibili tragitti dell’onda riflessa dal bersaglio.
Si consideri il caso di un velivolo che sorvola una superficie marina. L’intervallo minore nella ricezione dell’eco si ottiene quando il segnale impatta direttamente sul bersaglio e torna indietro
verso il radar (figura 1.1.3 (a)). I due cammini di trasmissione, caso (b) in figura 1.1.3, si ottengono quando un segnale viene riflesso dalla superficie marina sul bersaglio per poi tornare al radar attraverso un cammino diretto o arriva direttamente sul velivolo ma torna indietro attraverso la superficie marina. Questi due percorsi sono identici e l’eco Doppler e i segnali non possono essere separati. L’ultimo percorso di trasmissione, caso (c) di figura 1.1.3, avviene quando un segnale arriva e torna indietro attraverso la superficie del mare.
Il segnale riflesso dal mare non è privo di perdite e varia al variare dello stato della superficie marina ma, nel caso di mare calmo, tipicamente, almeno metà della potenza può essere persa. Il segnale di ritorno al sito di ricezione del radar contiene, oltre al segnale utile riflesso dal bersaglio, componenti considerevoli legate alla presenza di superfici circostanti e una parte di rumore atmosferico di fondo.
Quelle appena presentate sono le principali problematiche legate all’elaborazione del segnale ricevuto una volta che l’eco di ritorno dal bersaglio arriva al sito ricevente.
Le problematiche che hanno guidato la trattazione sono legate, invece, alla caratterizzazione dell’antenna radar che, per essere adatta a questo tipo di comunicazione, deve rispondere a particolari requisiti, necessari alla fisica realizzabilità del radar stesso.
• In primo luogo essa dovrà, idealmente, avere, nel piano di elevazione, un diagramma d’irradiazione il cui massimo si sposti per assecondare la variazione della quota virtuale della ionosfera. Inoltre, la piena copertura radar nel campo di distanze previste si traduce nella necessità di scandire uniformemente il lobo principale di radiazione su un appropriato dominio angolare nel piano di elevazione così da attivare i percorsi dell’onda di cielo che di volta in volta corrispondono alle diverse distanze.
• Affinché la scansione sul campo angolare, tipicamente θ=1°÷40° in elevazione, avvenga senza degradazione del guadagno complessivo del sistema, occorrerebbe che il
diagramma di irradiazione del singolo elemento radiante fosse uniforme nella porzione corrispondente del piano di elevazione.
• Inoltre, è necessario che l’antenna utilizzata abbia un’ampia banda di funzionamento, legata all’andamento del diagramma d’irradiazione, della sua impedenza di ingresso e, quindi, del ROS.
La banda di frequenze utilizzabili per questo tipo di propagazione è fissata e dipende dalle proprietà della ionosfera. In particolare lo strato ionosferico non riflette la radiazione elettromagnetica che si propaghi al di sopra di una certa frequenza, Maximum Usable Frequency
(MUF), e l’assorbimento, che aumenta col diminuire della frequenza, fissa il limite inferiore che
coincide con l’estremo inferiore della banda HF.
È evidente quindi che il singolo elemento radiante dovrà essere in grado di operare su una banda estremamente ampia e avere il campo sul piano verticale il più possibile indipendente dalla frequenza sull’intervallo frequenziale di interesse.
Si ipotizza che il campo di frequenza in cui il radar può operare sia ridotto rispetto all’intera banda HF e copra l’intervallo 5÷25 MHz.
Nel rispetto dei requisiti appena elencati, lo scopo dello studio è quello di ricercare una possibile tipologia del singolo elemento radiante, al fine di realizzare un’antenna operante come radar a onda di cielo.
1.2 Caratterizzazione dell’antenna operante come radar OTH
Alla luce delle considerazioni fatte è evidente la necessità di utilizzare antenne che presentino un diagramma d’irradiazione uniforme nella porzione corrispondente del piano di elevazione al variare della frequenza.
Che si intenda utilizzare un radar HFSWR o uno Skywave, il primo fondamentale passo per trovare una soluzione a molti dei problemi legati a tali metodologie è progettare un sistema di antenne adeguato.
Una buona antenna deve essere caratterizzata da:
• elevato guadagno e buona direttività,
• valori di ROS sufficientemente bassi su tutta la banda di funzionamento, • ampia copertura azimutale,
• elevato rapporto front to back allo scopo di minimizzare le interferenze, Il valore di soglia a cui è legato il ROS, in particolare, è dovuto al fatto che, i sistemi radar di questo tipo sono principalmente limitati dal rumore esterno anziché da quello interno. Per questa ragione possono ritenersi accettabili valori del ROS fino a 3.
Allo scopo di soddisfare i requisiti necessari alla realizzazione del radar OTH si può far ricorso ad antenne direttive o analogamente ad array di elementi radianti che forniscano il guadagno necessario nel settore angolare coincidente con l’angolo di copertura caratteristico del radar. Infatti, come è noto, un array è una configurazione di due o più elementi radianti disposti nello spazio ed elettricamente connessi in modo da produrre un diagramma di radiazione direzionale. Gli elementi costituenti un array possono essere a loro volta antenne direttive o presentare, se analizzati singolarmente, un diagramma di radiazione ampio e quindi una bassa direttività che non li rende adatti a comunicazioni per larghe distanze.
Nelle configurazioni ad array si utilizzano generalmente elementi uguali fra loro ed equidistanziati.
Il diagramma d’irradiazione del singolo elemento radiante nel piano azimuthale è connesso all’estensione dell’angolo solido sul piano azimutale del radar che si intende realizzare. Nel caso sia richiesta una copertura azimuthale su 360°, l’elemento radiante dovrà essere di tipo omnidirezionale. Nel caso, invece, che il suddetto angolo di copertura sia più limitato, si potranno utilizzare elementi radianti con diagramma direttivo anche in elevazione.
Il diagramma di radiazione risultante dipende dalla distanza fra gli elementi, dalle loro dimensioni, dall’ampiezza e dalla fase dell’alimentazione fornita ad ogni elemento ed infine dal diagramma di radiazione della singola antenna.
La conformazione dell’elemento di antenna è fattore di influenza predominante per la polarizzazione dell’antenna stessa. In generale, l’estensione verticale dell’elemento, rende pressochè verticale la polarizzazione. Tuttavia, è opportuno evidenziare che gli effetti della conducibilità finita del terreno sulla direttività dipendono sensibilmente dalla polarizzazione e dall’angolo di puntamento dell’antenna trasmittente.
Nel seguito, tenendo conto del fatto che i sistemi in banda HF sono principalmente limitati dal rumore esterno anziché da quello interno, si considereranno valori accettabili del VSWR fino a 3 nell’esame dell’adattamento di impedenza.
Lo studio si propone di esaminare, a partire dal singolo elemento radiante, alcune delle possibili configurazioni che possono essere impiegate in applicazioni radar del tipo precedentemente illustrato, fornendo di volta in volta le simulazioni svolte e i risultati maggiormente degni di nota.
Infatti, nello studio affrontato, sono risultati molto stringenti i condizionamenti, legati all’ampia variabilità della frequenza di lavoro, per la fattibilità della singola antenna.
Particolari difficoltà emergono per la conformazione del diagramma d’irradiazione del singolo elemento radiante, compatibilmente alla necessità di ottenere pattern con limitata dipendenza dalla frequenza di trasmissione nella banda, piuttosto ampia, utilizzata.
L’attenzione è stata focalizzata in prima istanza sulla possibilità di creare un’ antenna logperiodica, array di dipoli le cui dimensioni e la cui distanza relativa sono regolate da specifici legami geometrici.
In questo caso, come negli studi successivi, saranno fornite, di volta in volta, le simulazioni relative alle configurazioni presentate. Tali simulazioni sono svolte tramite il solver NEC,
Numerical Electromagnetics Code, basato sul Metodo dei Momenti. Il funzionamento e le
