Grondbeginselen voor de bouw van een Radome

Aandachtspunt: De ontwikkeling en bouw van een radome is zeer complex. De genoemde gegevens zijn slechts bij benadering. Deze informatie geeft slechts een eerste inzicht in dit onderwerp en komt niet in de plaats van noodzakelijke evaluaties en tests.

Radarsensoren bestaan uit een front-end (RFE) (microgolfdeel met antennestructuur) en componenten voor de signaalverwerking. De eigenlijke kern van de radar is de front-end, want hier zendt en ontvangt de antenne elektromagnetische signalen. Om de verzamelde informatie te interpreteren, stuurt de front-end deze vervolgens door naar de signaalverwerking (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Basiscomponenten van een radarsysteem (iSYS-4004 hier weergegeven). (Bron afbeelding: InnoSenT)

Om de radarantenne en de elektronische componenten te beschermen, is de sensor meestal met een omhulsel uitgerust. Dit beschermt de RFE tegen invloeden van buitenaf die schade aanrichten of de prestaties van een impact veroorzaken. Dankzij de mogelijkheid om door de materialen heen te dringen, heeft de radar vaak ook om esthetische redenen de voorkeur. Dit is een bijzonder aspect dat productontwerpers zeer op prijs stellen.

Wanneer men spreekt over een dergelijke beschermende behuizing voor de antennestructuur, spreekt men van een 'radome'. Het woord is een combinatie van de woorden 'radar' en 'domel'. De koepelvormige behuizing, zoals die op de iSYS-6003, wordt voornamelijk gebruikt met grote, vast geïnstalleerde radarsystemen, zoals de radars van vliegtuigen of schepen.

Sensors en systemen voor industriële of commerciële toepassingen moeten echter ook worden beschermd tegen mechanische of chemische schokken om de werking van de antennes niet te verstoren. Deze zijn aangepast aan de antenne en de eigenschappen van de radargolven.

Bij het ontwerpen van een radome is het ook cruciaal om het juiste materiaal te gebruiken. Als elektromagnetische golven voorwerpen of personen raken, dan beïnvloeden de eigenschappen van het materiaal hun verspreiding. Om te weten te komen welke materialen geschikt zijn voor een radome, is het belangrijk om rekening te houden met het effect dat dit heeft wanneer ze worden geraakt door radargolven.

Tabel 1 is een overzicht dat verschillende materialen beoordeelt op de absorptie en reflectie van en het vermogen tot penetratie door microgolven.

Radargolven moeten de radome kunnen penetreren. Metalen blokkeren de sensor. Vanwege hun sterk reflecterende eigenschappen zijn ze niet geschikt om voor een antenne te plaatsen. Houten lambrisering (meestal met een bepaalde restvochtigheid) is ook niet geschikt vanwege het beperkte vermogen om door elektromagnetische golven te gaan.

Schuimsoorten zoals polystyreen zijn zeer geschikt als afdekmateriaal. Ze kunnen zelfs direct op de antenne worden aangebracht in een zeer ruwe structuur. Door hun lage stabiliteit en gevoeligheid voor chemicaliën maken schuimen echter vaak geen snede als het gaat om de keuze van het materiaal.

Kunststoffen zijn daarom het meest voorkomende alternatief voor het produceren van een beschermkap of behuizing. Bij de planning van een radome moet de ontwerper echter rekening houden met de eigenschappen van de kunststof. Hoe dikker en dichter het materiaal bij de antenne is, hoe minder de elektromagnetische golven er doordringen.

In het geval van zwarte kunststoffen kunnen er bij de meting verliezen optreden, aangezien deze vaak koolstof bevatten. Het verzamelen van water dat niet afvoert kan ook de informatieverzameling van de front-end schaden. De daaropvolgende behandeling van de plastic radome, bijvoorbeeld door deze te verven, heeft ook een negatieve invloed op de gegevensverzameling door de radarantenne.

Dimensionering en positionering van de radome

Bij de constructie van een radome is niet alleen het gekozen materiaal, maar ook de precieze fixatie en vorm van de radome van groot belang. Om de functionaliteit niet te beperken, moet rekening worden gehouden met de volgende aspecten:

• De afstand tussen de onderkant van de radome en de antenne
• De dikte van het materiaal van de radome
• De vorm van de radome (zo homogeen mogelijk)

Deze factoren bepalen of de geconstrueerde radome de meeste radargolven reflecteert of absorbeert.

De juiste afstand

De uniformiteit van de individuele afstanden van de radome tot de antenne is van groot belang. Zelfs kleine afwijkingen, bijvoorbeeld een kleine inkeping aan de onderkant van de beschermkap, kunnen de verspreiding van elektromagnetische golven veranderen. Om deze reden hebben schuine radomes ook een negatief effect, omdat ze schadelijk kunnen zijn voor een goede reflectie. Hetzelfde geldt voor ronde uiteinden, nokken, versterkingen of groeven in het materiaal (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Linker foto toont "verkeerde positionering": Radome heeft een ongelijk oppervlak en is niet parallel aan de antenne gepositioneerd. De rechter foto toont "correcte positionering": Uniforme afstanden en correcte positionering en dimensionering van een radome. (Bron afbeelding: InnoSenT)

Om de juiste, uniforme afstand te bepalen, geldt het volgende:

• De verspreiding van de golven is slechts licht verstoord als ze op precies een halve golflengte (of een veelvoud daarvan) een radome raken.
• Dit betekent dat het oppervlak van de antenne (het golfcentrum) parallel aan de afdekking moet worden geplaatst, op een afstand van λ/2 (of een veelvoud daarvan).
• Met een middenfrequentie van 24,125 GHz (met een halve golflengte van ongeveer 6,2 millimeter (mm)) is de optimale afstand ongeveer 6,2 mm.

De juiste materiaaldikte

Hier geldt hetzelfde principe als bij het bepalen van de juiste afstand: om de verspreiding van de golven zo min mogelijk te verstoren, moeten ze de radome op de helft van de golflengte raken. Ook de materiaaldikte van de radome moet voor de helft van de golflengte op de juiste wijze worden gekozen.

Er moet echter ook rekening worden gehouden met de manier waarop de golf door de stof van de radome wordt veranderd (door in het materiaal te dringen). Deze aanpassing komt overeen met de geleidbaarheid van het gebruikte materiaal (diëlektrische functie ε). Het verkort de golflengte met de factor √(ε_r).

Bij kunststoffen ligt deze diëlektrische constante tussen drie en vier, wat in de praktijk echter sterk varieert. Om een ballpark-cijfer te verkrijgen, kan een berekening worden uitgevoerd met de gemiddelde waarde van 1,5. De dikte van het materiaal kan dan worden berekend met de formule λ/2√(ε_r). Dit zou gelijk zijn aan 4 mm met deze beginwaarden.

Afbeelding 3: Voorbeeld voor het berekenen van de juiste materiaaldikte voor een radome-materiaal. (Bron afbeelding: InnoSenT)

Om de radome op te bouwen is uitgebreide kennis nodig over de samenstelling van het gebruikte materiaal en de verspreiding van elektromagnetische golven. De verstrekte informatie is slechts bedoeld als leidraad en om te benadrukken welke aspecten absoluut in aanmerking moeten worden genomen bij de bouw van een antennedekking.