ریدوم چیست؟

ریدوم در آنتن‌های راداری، ردیابی و مخابراتی

آیا تابحال نوک دماغه ‌ای شکل هواپیما نظر شما را به خود جلب کرده است یا خیر؟ به این نوک دماغه ای شکل ریدوم می گویند. ریدوم یا آنتن پوش ساختاری ضد آب است که از آنتن در کاربردهای راداری، ردیابی، مخابراتی، تجسسی و … محافظت می‌کند. کلمه RADOME مخفف کلمات RADAR و DOME است و روی آنتن برای حفاظت فیزیکی قرار می‌گیرد. در ادامه شما را با مفهوم ریدوم چیست آشنا خواهیم کرد.

این محافظ فیزیکی در حالت ایده‌آل خود نباید هیچ‌گونه اثر مخربی بر روی مشخصات الکتریکی آنتن داشته باشد. ریدوم ها عمدتا برای حفاظت از سطح آنتن در برابر شرایط بد جوی مانند: باد، باران، برف، یخ، طوفان شن، زنگ‌زدگی و اشعه‌های فرابنفش مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین ریدوم می‌تواند برای حفاظت از تصادفات ناگهانی بوسیله چرخش سریع آنتن نزدیک شخص قرار گیرد. بعلاوه ریدوم برای حفاظت و اخفای تجهیزات الکترونیکی آنتن از دید عموم مخصوصا برای کاربردهای سری به کار می‌رود.

 

تاریخچه ریدوم چیست (RADOME)

در جنگ جهانی دوم و قبل از اینکه ریدوم اختراع شود، از آنتن‌های یاگی از نوع VHF بر روی هواپیماهایی با سرعت کم استفاده می‌شد اما با افزایش سرعت هواپیماها و همچنین اختراع موشک‌های با سرعت بسیار زیاد نیاز به یک محافظ مکانیکی احساس گردید. امروزه ریدوم ها دارای انواع و دسته‌بندی‌های متفاوت با کاربردهای گسترده‌ای در وسایل دریایی، آنتن‌های ثابت زمینی، وسایل متحرک زمینی، هواپیماها و سیستم‌های الکترونیکی موشک دارند.

اولین استفاده از ریدوم، بصورت یک دیواره ساده و نازک بوده است. همان‌طور که درشکل 1نشان داده‌شده است، در سال 1941 اولین ریدوم‌ها در هواپیماها به شکل نیمکره دماغه‌ای شکل که از پلاستیک ساخته‌شده بودند.

 

دلیل استفاده ار ریدوم چیست

مهم‌ترین دلیل استفاده از ریدوم محافظت آنتن است. آنتنی که طراحی می‌شود برای بدست آوردن بهره و پترن تشعشعی موردنظر است. حال فرض کنید به دلیل بارش باران، آب روی آنتن جمع شود و یا به دلیل بارش برف یک‌لایه برف روی آنتن جمع شود و یا در مناطق کویری به دلیل وزش باد یک‌لایه از خاک وگرد غبار روی آنتن بنشیند، در این شرایط آنتن موردنظر کارایی خود را از دست می‌دهد.

یکی دیگر از دلایل استفاده از ریدوم، نیاز آنتن به حفاظ فیزیکی است مثلا هنگامی‌که آنتن بر روی موشک قرار می‌گیرد به علت سرعت‌بالای موشک آنتن دچار مشکلاتی چون استحکام مکانیکی و اختلال حرارتی می‌شود، لذا نیاز به محافظی دارد که علاوه بر حفظ مشخصات الکترومغناطیسی، محافظ ایرودینامیکی آن نیز باشد. با این اوصاف برای طراحی یک ریدوم باید هم جنبه الکتریکی و هم جنبه ایرودینامیکی را باید در نظر بگیریم.

فاکتورهای موثر در طراحی ریدوم چیست

ضرورت ریدوم

ریدوم ها باید از موادی انتخاب شوند که از آنتن در مقابل شرایط بد جوی که عمدتا باعث تضعیف انتقال سیگنال‌های الکترومغناطیسی در آنتن می‌شوند، حفاظت کنند. به‌عبارت‌دیگر ریدوم باید به‌اندازه کافی مستحکم باشد تا عملکرد ثابت آنتن را حفظ کند. حفظ عملکرد آنتن بسیار مهم است. ریدوم اغلب از انباشته شدن مستقیم برف و تگرگ بر روی آنتن جلوگیری می‌کند.

مخصوصا برای آنتن‌های ثابت، مقدار بیش‌ازاندازه یخ یا برف روی آنتن می‌تواند آنتن را به نقطه‌ای برساند که امپدانس ورودی را به‌شدت بالا ببرد که سبب افزایش سطح ولتاژ ایستایی (VSWR) می‌شود.

باد یک عامل مهم برای هردو حالت ثابت و متحرک در آنتن‌های راداری است. بادهای شدید ممکن است باعث عوض کردن شکل یا جهت آنتن شوند و یا ممکن است موجب ناهماهنگی چرخشی برای یک آنتن چرخشی شود. بنابراین استفاده از ریدوم موجب افزایش دقت ردگیری می‌شود.

پوشش ریدوم

باران نیز یک فاکتور مهم برای کاربردهای راداری در فرکانس‌های بالا است. در فرکانس‌های بالای GHz5 افزایش اثر تلف انتقال بسیار سریع می‌شود. این اثر منجر به dB10 تلف انتقال در حدودGHz 30 می‌شود. بنابراین جلوگیری از این اثر برای آنتن‌هایی با کارایی بالا با استفاده از یک پوشش ریدوم که ویژگی آب‌گریزی دارد لازم است.

 

 

به لحاظ اقتصادی ریدوم ها در بررسی هزینه‌های چرخه عمر سیستم‌های آنتن بسیار مؤثر هستند. ازآنجاکه سیستم آنتن در یک محیط محافظت‌شده است، هزینه‌های تعمیر و نگهداری به حداقل می‌رسد. دقت الزامات ساختاری آنتن کمتر شده، درنتیجه سبب کاهش هزینه‌های تولید و نصب می‌شود بعلاوه استفاده از موتورهای موقعیت‌یابی کمتر می‌شود.

استفاده از ریدوم ها خصوصا در شرایط محیطی نامساعد مانند دمای بالا، طوفان‌های شن و ماسه، باران‌های نمکی و بارش تگرگ بیشتر احساس می‌شود. بنابراین در سیستم‌های آنتنی راداری بزرگ استفاده از ریدوم بسیار مهم و حیاتی است.

نیازها در طراحی ریدوم چیست

ریدوم‌ ها یکی از قسمت‌های مهم در سیستم‌های آنتنی فرکانس بالا است. ریدوم‌ ها باید از سیستم‌های آنتنی در مقابل شرایط بد آب هوایی محافظت کنند. طراحی ریدوم باید به گونه باشد وقتی‌که از سیستم آنتن محافظت می‌کند تضعیف سیگنال‌های الکترومغناطیسی دریافتی یا انتقالی به حداقل برسد. ما نیازهای ریدوم را در دو بخش بررسی می‌کنیم یک: نیازهای مکانیکی دو: نیازهای الکترومغناطیسی.

نیازهای مکانیکی

تصمیم‌گیری در مورد طراحی فیزیکی ریدوم یا به‌عبارت‌دیگر خواص مکانیکی ریدوم بسیار مهم است. ریدوم‌ ها در کاربردهای مختلفی ازجمله کاربردهای دریایی و کاربردهای هوایی و کاربردهای زمینی استفاده می‌شوند. باید ابتدا تمرکز روی خواص آنتن، جایی که سیستم آنتن باید قرار گیرد در نظر گرفته شود.

این ملاحظات فیزیکی باید شامل برف، باران، تندباد و دمای جایی که سیستم قرار است راه‌اندازی، نصب، حمل‌ونقل و تعمیر شود، می‌شود. با توجه به چگونگی شرایط آب‌وهوایی ساختار موردنظر تغییر می‌کند. برای مثال، ریدوم ها عموما در سرعت باد 60 متر/ثانیه (mph134)، و ظرفیت برف یا یخ تا kg/m^2 235 (lb./ft2-50) طراحی و ساخته می‌شوند. برای حالتی که باد سرعت بالاتری دارد یا برف بار زیادتری دارد باید نسبت وزن ساختار باید افزایش یابد.

 

 

هرچند که تغییر خصوصیات ساختاری ریدوم به شرطی که درست طراحی نشود ممکن است خواص الکترومغناطیسی ریدوم را تغییر دهد. بعلاوه دمای اطراف نیز یک عامل مهم در طراحی مکانیکی ریدوم است که باید در طراحی لحاظ شود. حتی برای تجهیزات الکترونیکی آنتن نیز محدودیت‌های دمایی وجود دارد. اگر سیستم آنتن در آب‌وهوای سرد ساخته‌شده باشد، ویژگی‌های عایق حرارتی ساختار ریدوم اهمیت بیشتری دارد.

جزییات آنتن

اندازه سیستم آنتن بین 8/1متر تا60 متر در ابعاد قطر می‌تواند تغییر کند. برای پوشاندن سیستم آنتن‌های بزرگ، ریدوم ها از تعداد زیادی پنل تشکیل می‌شوند. این پنل ها ابتدا بصورت مجزا ساخته‌شده سپس به محلی که قرار است سیستم آنتن را بپوشاند منتقل می‌شود (شکل 2 و 3). در حمل‌ونقل پنل اندازه پنل بسیار مهم است. در طراحی معمول، ابعاد پنل کمتر از cm225 در نظر می‌گیرند.

این کار اجازه استفاده از ظرف استاندارد حمل‌ونقل ISO را می‌دهد. اگر سایز افزایش یابد منجر به افزایش هزینه‌ها در حمل‌ونقل می‌شود. این پنل ها باید در محل آنتن نصب شوند، بنابراین اگر اندازه پنل های ریدوم کاهش یابد هزینه‌های نصب افزایش می‌یابد. بنابراین وقتی‌که هزینه برای ما یک فاکتور به‌حساب می‌آید باید یک مصالحه در اندازه پنل ها صورت پذیرد.

مشخصات ایرودینامیکی مطلوب که باید در طراحی ریدوم در نظر گرفته شود عبارت است از: وزن کم، ساختار مقاوم، پایداری حرارتی، مقاومت در برابر فرسایش باران است.

 

نیازهای الکترومغناطیسی ریدوم

ریدوم ایده ‌آل برای هر سیگنال الکترومغناطیسی دریافتی یا انتقالی کاملا شفاف است، یعنی هیچ‌گونه بازتابی ندارد. چون این حالت ایده آل هیچ‌وقت رخ نمی‌دهد، بنابراین باید اثر الکترومغناطیسی ریدوم بر آنتن محدود شود. این تاثیر ممکن است برای آنتن‌هایی که سطح ساید لوب پایینی دارند بسیار زیاد باشد. برای بررسی تاثیر اثر ریدوم بر آنتن، اغتشاشات سیگنالی مانند افت عبوری اهمیت پیدا می‌کند.

تلف عبوری (insertion loss) در طراحی ریدوم

ازجمله نیازهای الکترومغناطیسی ریدوم در طراحی، افت عبوری است. تلف عبوری مقدار توانی است که یک دستگاه در یک خط انتقال یا فیبر نوری از دست می‌دهد. در طراحی ریدوم این تلف به معنی میزان سیگنالی است که در اثر پوشش ریدوم از دست می‌رود. افت عبوری بصورت زیر تعریف می‌شود:

 

 

اگر توان انتقالی به‌وسیله منبع را با P_T نشان دهیم و توان دریافتی بوسیله بار را P_R، تلف عبوری با dB بصورت زیر بیان می‌شود:

 

انواع ساختارهای ریدوم چیست

در سال 1943 از ریدوم های چندلایه استفاده شد. در سال 1944 ساختارهای ساندویچی نوع A پیشنهاد شد. امروزه بیشتر هواپیماهای مدرن از ساختارهای ساندویچی کامپوزیتی استفاده می‌شود. شکل 4یک هواپیما با ریدوم ساندویچی نشان داده‌شده است.

 

ریدوم های یکپارچه

ریدوم‌ های یکپارچه برای رادارهای هواشناسی، ارتباطات ماهواره‌ای تجاری استفاده می‌شود. در کل ریدوم یکپارچه برای آنتن‌های کوچک 1تا 5 متری استفاده می‌شود. درشکل 5 نمونه از ریدوم یکپارچه که در رادار هواشناسی شهر پرند استفاده شده است، نشان داده‌شده است.

 

ریدوم با قاب دی‌الکتریکی

قاب‌های این ریدوم از فایبرگلاس است. فایبرگلاس به دلیل مقاومت در برابر شرایط سخت در محیط‌های نمکی استفاده‌ شود. قطر این ریدوم ها می‌تواند بین 2تا 20 متر باشد.

ریدوم با قاب فلزی

قاب‌های فلزی معمولا از آلومینیوم ساخته می‌شوند. استحکام آلومینیوم نسبت به فایبرگلاس بیشتر است. ریدوم با قاب فلزی معمولا به دلیل استحکام خوب تا قطر 60 متر نیز از آن استفاده می‌شود.

تقسیم‌بندی ریدوم ها ازلحاظ ساختار تشکیل‌دهنده

 

 

صفحات نازک دی‌الکتریک

مشخصه‌های الکتریکی که برای یک ریدوم مطلوب است را می‌توان بصورت 1-انتقال زیاد 2-انعکاس کم 3- انتقال موج مستقل از پلاریزاسیون 4-شیفت فاز مستقل از پلاریزاسیون، بیان کرد. این ویژگی‌های مطلوب که بیان شد باید در محدوده‌ای از فرکانس‌ها، زوایای برخورد موج به ریدوم، تغییرات ضخامت و ثابت دی‌الکتریک برقرار باشد. برای رسیدن به این خواسته‌ها می‌توان از صفحات نازک دی‌الکتریک استفاده کرد. ضخامت الکتریکی لایه دی‌الکتریک بصورت زیر تعریف می‌شود:

 

همانطورکه دیده می‌شود ضخامت الکتریکی به ضخامت فیزیکی، ثابت دی‌الکتریک و فرکانس وابسته است. لایه‌های دی‌الکتریکی باضخامت الکتریکی کمتر از 1/0، این ویژگی‌ها را در زوایای کم برخورد برآورده می‌سازند.

ورقه‌های دی‌الکتریک نیم موج

انتقال در یک دی‌الکتریک با اتلاف کم و زاویه برخورد موج θ_0 زمانی کامل انجام می‌شود که ضخامت لایه برابر مقدار زیر باشد:

N یک عدد مثبت حقیقی است. ورقه‌هایی که ضخامت آن‌ها برابر مقدار فوق باشد به ورقه‌های نیم موج از درجه N معروف هستند.

ساختارهای چندلایه

ساختار ساندویچی نوع A

ساختار ساندویچی نوع A همان‌طور که در شکل 7 نشان داده‌شده است شامل دوپوسته که توسط یک هسته که ثابت دی‌الکتریک آن(ε_s) کمتر از پوسته(ε_p) است، از هم جدا می‌شوند. این ساختار به دلیل استحکام زیاد موردتوجه قرارگرفته است. وزن این ساختار به نسبت ریدوم نیم موج خیلی کمتر است.

پوسته معمولا از مواد با ثابت دی‌الکتریک بالا ساخته می‌شوند و هسته از اسفنج سبک مانند شش‌گوشه‌ای لانه‌زنبوری فایبرگلاس که وزن کم و ثابت دی‌الکتریک پایینی دارند استفاده می‌شود.

ریدوم ساندویچی نوع B

همان‌طوری که ملاحظه کردیم در ریدوم ساندویچی نوع A ثابت دی‌الکتریک پوسته‌ها بیشتر از هسته بود اما در ریدوم نوع B ثابت دی‌الکتریک پوسته‌ها نسبت به هسته کمتر است و ریدوم ساندویچی نوع B معمولا باضخامت زیر طراحی می‌شود:

ریدوم ساندویچی نوع C

برای بدست آوردن انعطاف‌پذیری بیشتر می‌توان از ساختار ساندویچی نوع C استفاده نمود. یک ساختار ساندویچی نوع C متقارن می‌تواند از به هم پیوستن دو ساختار ساندویچی نوع A بدست آید. در شکل 8 انواع ساختارهای ریدوم نشان داده‌شده است.

 

 

امیدوارم مقاله ریدوم چیست تا به اینجا برای شما مفید واقع شده باشد.

منبع:

Kozakofi, D. J., Analysis of Radome Enclosed Antennas, Artech House, Norwood, MA, 1997.