Een radar (radio detection and ranging) is een installatie die gemaakt is om met behulp van radiogolven de omgeving af te zoeken naar objecten (doelen) in de lucht, op het water of op het land. Deze objecten zijn bijvoorbeeld vliegtuigen, vogelzwermen, raketten, schepen, auto's of (regen)wolken. Ook zijn er zogenoemde ground-penetrating radars (ook wel: bodemradars) die vanaf de oppervlakte of vanuit de lucht, meestal vanuit een vliegtuig, objecten in de grond op enige diepte kunnen lokaliseren. De doelen worden met behulp van een beeldscherm zichtbaar gemaakt.
miniatuur|Pulsradar Een radar zendt via een antenne radiogolven (elektromagnetische straling) uit en ontvangt de door de objecten gereflecteerde radiostraling (hierna te noemen: echo) via een antenne. Uit de ontvangen echo kan een aantal gegevens van het object bepaald worden ten opzichte van die radar, zoals grootte, richting, afstand, hoogte en snelheid. Er kan gebruik worden gemaakt van twee antennes, één zend- en één ontvangstantenne, maar tegenwoordig gebruikt men veelal één antenne voor zowel het zenden als het ontvangen.
Radars worden afhankelijk van het doel (wat men wil weten van het object) in verschillende vormen gemaakt en gebruikt in vliegtuigen, op luchthavens, op schepen, in havens, bij de politie ter controle van snelheid van auto's, in de krijgsmacht, de ruimtevaart en in de astronomie.
In de principes en techniek van radar worden veel Engelse termen gebruikt. Waar nodig zullen deze in het Nederlands worden toegelicht.
Naam RADAR is een acroniem van het Engelse Radio Detection And Ranging. Het woord is echter dermate ingeburgerd geraakt dat het niet meer als acroniem, maar als een gewoon zelfstandig naamwoord gezien wordt. Dit is tevens de reden dat het woord ook in het Engels niet meer in hoofdletters geschreven wordt.
Geschiedenis miniatuur|Een Duitse Freya radar Het bestaan van elektromagnetische golven werd reeds in 1888 gedemonstreerd door de Duitser Heinrich Hertz. Een andere Duitser, Christian Hülsmeyer, werkte als eerste het basisprincipe van radar uit en vroeg er in 1904 patent op aan. Hij noemde zijn uitvinding Telemobiloskop. Aangezien de luchtvaart in die tijd nog in de kinderschoenen stond zag Hülsmeyer voornamelijk de scheepvaart als toepassingsgebied voor zijn vinding, mede omdat schepen zeer grote metalen voorwerpen zijn die radiogolven uitstekend weerkaatsen en dus prima door radar gedetecteerd kunnen worden. Hülsmeyer had het principe bijzonder goed uitgewerkt, inclusief roterende antenne (hoewel hij de zend- en ontvangstantenne gescheiden wilde houden) en zelfs het toepassen van een radome. Hij slaagde er echter niet in om een goed werkende installatie te bouwen, hoewel er grote belangstelling bestond vanuit de scheepvaartwereld. Naarmate succes langer uitbleef raakte de techniek steeds meer vergeten en werd er enige tientallen jaren niets mee gedaan, totdat men in de jaren 30, zowel in Europa als in de Verenigde Staten, rekening begon te houden met de mogelijkheid van vroegtijdige detectie van aanvallen door bommenwerpers.
Vliegtuigen werden gewoonlijk gedetecteerd met akoestische middelen, maar daarmee kon men de afstand tot het vliegtuig niet bepalen. In de jaren 30 van de 20e eeuw werd er veel onderzoek gedaan naar radioverbindingen, waarbij kortegolfverbindingen in de belangstelling stonden. Deze werkten over lange afstand. Militairen hadden belangstelling voor ultrakortegolfverbindingen, waarvan de golven een rechte lijn volgen. Deze waren slechts geschikt voor korte afstanden. Deze en nog kortere golflengten werden gebruikt voor walkietalkies en straalverbindingen. Men ontdekte dat straling van zeer korte golflengte teruggekaatst werd door objecten als vliegtuigen.
Met gebruikmaking van de toentertijd beschikbare elektronische componenten ontwikkelde men in Groot-Brittannië in 1937 een operationeel radarwaarschuwingssysteem, het Chain Home-systeem.Vgl. http://www.ventnorradar.co.uk/CH.htm Het Chain Home-systeem gebruikte de tegenwoordig onpraktisch lage frequentie van 25 MHz. De meeste geallieerde radars van eind jaren 30 gebruikten frequenties in de orde van 75 tot 200 MHz, tot dat moment de limiet van de toen gebruikte vacuümbuizen. De Duitsers waren in technisch opzicht al veel verder met hun Freya- en Würzburg-systemen dan de Britten, maar het radarprogramma kreeg daar - zeker in het begin van de oorlog - veel minder prioriteit dan in Groot-Brittannië. Chain Home was medebepalend in de slag om Engeland. Door het gebruik ervan was het mogelijk om de weinige Engelse vliegtuigen effectief en op tijd op de juiste plaatsen in te zetten.
De meest significante ontwikkeling in de radartechnologie werd in het geheim gedaan in 1939, toen aan de universiteit van Birmingham in Engeland door Mark Oliphant en zijn groep de microgolf resonantie-magnetron werd geperfectioneerd. Met deze buis had de industrie een component in handen met een zeer hoog vermogen, dat radars in staat stelde op microgolffrequenties te opereren. Deze magnetron werd in 1940 aan het Bell LaboratoriumVgl. Jon Gertner, The Idea Factory. Bell Labs and the Great Age of American Innovation, New York: Penguin, 2012, pp. 65 e.v. in Amerika aangeboden. Daar slaagde een project onder leiding van Jim Fisk, in samenwerking met MIT, op basis van deze magnetron een radarinstallatie te ontwikkelen.
Ongeveer gelijktijdig ontwikkelden de gebroeders Russell en Sygurd Varian aan de Stanford-universiteit het klystron, te beginnen met het reflexklystron voor toepassing als laagvermogenoscillator van radarontvangers.
Het bestaan van de magnetron en het reflexklystron maakte het mogelijk effectieve radarsystemen te bouwen met vacuümbuizen, hetgeen het verloop van de Tweede Wereldoorlog belangrijk heeft beïnvloed, met name in de strijd tegen de Duitse onderzeeboten in 1943. Voordien was, vooral 's nachts, een snuiverende onderzeeboot nauwelijks of niet met het blote oog waar te nemen. Het was nu mogelijk radars in vliegtuigen in te bouwen, zodat een snuiverende onderzeeboot op relatief grote afstand kon worden opgemerkt, met vaak fatale gevolgen voor de onderzeeboot.
Het had ook een belangrijke invloed op de zeeoorlog. Oppervlakteschepen konden nu niet alleen onder alle omstandigheden zien, maar de introductie van vuurcontroleradar maakte het veel eenvoudiger om het vuur bij te stellen. Dit was van belang in het donker, of zeer slecht weer(zoals een sneeuwstorm). Het maakte het ook eenvoudiger voor vliegdekschepen om hun jagers te coördineren in de verdediging.
Omdat radar op zichzelf geen onderscheid kan maken tussen vriend of vijand, werd de introductie van IFF noodzakelijk.
De ontwikkeling van radarsystemen is na de Tweede Wereldoorlog doorgegaan. Gestimuleerd door de ruimtevaart en de Koude Oorlog werden de hoogfrequent- en halfgeleidertechnieken verder ontwikkeld. Uit het reflexklystron werd via tussenontwerpen onder andere de traveling wave tube (TWT) uitgevonden en uitontwikkeld. Dit is een hoogfrequentversterker die, als hij aangestuurd wordt door een stabiele oscillator, een hoogvermogenzendimpuls aflevert van een zeer nauwkeurige frequentie. Ook werd de voorgeïoniseerde vacuümbuis die als zend/ontvangstschakelaar fungeerde, vervangen door een golfpijpsysteem, de Magic-T. Daar de toepassing van een TWT, en de elektronica eromheen, aanzienlijk duurder is dan een magnetron, worden er ook heden ten dage nog steeds radars gefabriceerd met een magnetron als zendelement. Toepassingen daarvan vindt men onder andere in de scheepvaart en recreatievaart.
Verder werden er halfgeleidercomponenten ontwikkeld die het klystron konden vervangen. De radarontvanger werd van vacuümbuizen ontdaan en in zijn geheel getransistoriseerd waardoor de geproduceerde eigenruis (ruisgetal) door de ontvanger sterk werd gereduceerd en hiermee de ontvangstkwaliteit sterk toenam.
Tegenwoordige radarsystemen zijn zeer sterk gecomputeriseerd en in staat om situatieoverzichten op beeldschermen weer te geven die het niveau van foto's benaderen. Hiertoe worden meer elektronische middelen ingezet dan alleen maar het simpele kijken op een beeldscherm naar de echo van een object, hoewel dit de basis is waarop het gehele principe berust.
Radarontwikkeling in Nederland miniatuur|Polygoonjournaal uit 1947. In Noordwijk is aan zee een experimenteel radarstation ingericht. miniatuur|Polygoonjournaal uit 1951 over een nieuwe radarinstallatie op Schiphol. De onderzoekers ir. J.L.W.C. von Weiler en S. Gratama van het Meetgebouw van de Defensie Commissie voor Physische Strijdmiddelen (het latere Physisch Laboratorium TNO), de latere Rijksverdedigingsorganisatie (RVO-TNO), ontwikkelden omstreeks 1930 een radiotelefoniezender-ontvanger voor militair gebruik. Deze gebruikte een golflengte van 1,40 meter. Deze was op grote afstand, door zijn richtingsgevoeligheid, niet detecteerbaar, zodat de vijand niet kon meeluisteren. Men ontdekte dat de verbinding tussen twee apparaten gestoord werd door een overvliegende zeemeeuw en later een kraai. Een dag daarna bleek een besteld militair vliegtuig eenzelfde effect te geven. Omdat de detectie van vliegtuigen, mede door hogere vliegsnelheden, problematisch was, gaf deze ontdekking een richting voor de ontwikkeling van een "electrisch luistertoestel".
Philips had in 1935 een magnetronzendbuis ontwikkeld waarmee korte golven konden worden opgewekt. Hiermee bracht men een straalverbinding tot stand tussen Eindhoven en Breda, een afstand van ongeveer 60 km. De gebruikte golflengte bedroeg 15 cm. Ook hier werd het principe van reflectie door een metalen plaat ontdekt. Omstreeks 1937 werd door Philips in opdracht van de Koninklijke Marine een poging ondernomen om een werkende radarinstallatie te bouwen. Deze poging faalde.
Von Weiler en Gratama waren in staat een werkend prototype te bouwen dat in 1938 werd gedemonstreerd. Ze maakten gebruik van een pulserend systeem, waarbij zenden en ontvangen elkaar afwisselden. De dienstplichtige ingenieur Max Staal kreeg in 1939 de opdracht om de productie van tien van deze installaties te organiseren. In de meidagen van 1940 waren vier toestellen gereed. Toen Nederland door de nazi's werd bezet vertrok Max Staal, met onder meer J.L.W.C. Von Weiler en Jules Schagen van Leeuwen, naar Engeland. Daar kende men radar, maar deze maakte gebruik van twee antennes en een gescheiden zender en ontvanger, terwijl de Nederlandse installatie maar één antenne nodig had. Gezien de omvang van de antennes was dit een hele verbetering.
Niet alleen de geleerden maar ook twee van de radarinstallaties konden naar Engeland worden gebracht. Hiervan is uiteindelijk één werkende installatie gemaakt, die door Von Weiler en Staal aan boord van de torpedobootjager Hr.Ms. Isaac Sweers werd geïnstalleerd. Dit schip was een van de weinige niet-Britse schepen met artillerieradar aan boord.
Principe miniatuur|Principeschema van radar
De synchronisatie-eenheid of impulsherhalingsfrequentie-eenheid (IHF-eenheid), heeft tot doel de cyclus van zenden en ontvangen synchroon te laten verlopen. Aan het begin van de cyclus zal de IHF-eenheid een impuls naar de zender en het beeldscherm sturen. Eén naar de zender om deze korte tijd te laten zenden, de ander om de tijdlijn of tijdbasis van het beeldscherm te starten. Deze tijdbasis is gekalibreerd in meters, kilometers of mijlen en representatief voor de afstand van de straks te ontvangen echo. De plaats van het echopulsje op de tijdlijn is een maat voor de afstand tussen zender en doel.