4. الرقم الضوضائي لجهاز الاستقبال Noise figure

جهاز الاستقبال المثالي، لا يضيف أي ضوضاء إلى الإشارة، التي يتم تكبيرها، و لكن كل المستقبلات العملية تولد أنواعاً مختلفة من الضوضاء، التي تؤثر سلبيّاً على عملية الاستقبال؛ لتمييز أجهزة الاستقبال تبعاً لقيمة ضوضائها الداخلية، تم استخدام المصطلح الخاص "رقم الضوضاء لجهاز الاستقبال " Noise figure، ويعرف الرقم الضوضائي F بالعلاقة الآتية:

حيث ^S_in قيمة قدرة الإشارة المفيدة عند مدخل جهاز الاستقبال، وNin قيمة قدرة الضوضاء عند مدخل جهاز الاستقبال، و^S_out قيمة قدرة الإشارة المفيدة عند مخرج جهاز الاستقبال، و^N_out قيمة قدرة الضوضاء عند مخرج جهاز الاستقبال؛ كما يمكن تعريف الرقم الضوضائيF بالصياغة الآتية :

حيث G هو معامل كسب جهاز الاستقبال.

قدرة الضوضاء عند مخرج الجهاز، هي عبارة عن قدرة الضوضاء عند مدخل الجهاز بعد تكبيرها بمعامل التكبير G، مضافاً إليها قيمة إضافية من الضوضاء المولدة محليّاً داخل دوائر الاستقبال المختلفة أي أن:

تحددت درجة الحرارة المطلقة T لتكون 290 درجة، وذلك لاستخدام مقياس موحد للحكم على طبيعة أجهزة الاستقبال المختلفة.

5. الرقم الضوضائي لمراحل التكبير المتكررة

نفترض أن مرحلة التكبير الأولى لها رقم ضوضاء ^F₁، ومعامل تكبير ^G₁، والمرحلة الثانية^F₂، ^G₂، و الثالثة ^F₃، ^G₃، و هكذا المرحلة النونية ^F_n، ^G_n ، ويكون الرقم الضوضائي لجميع المراحل مجتمعة معرفاً بالعلاقة الرياضية الآتية:

6. الضوضاء الخارجية External Noise

عند الموجات متناهية القصر، يقل مستوى الضوضاء الخارجية نسبيّاً، وترتبط حساسية جهاز الاستقبال الراداري أساساً بالضوضاء الداخلية، وإذا كانت مراحل التكبير الأولي في جهاز الاستقبال الراداري مصممة بحيث تكون منخفضة الضوضاء الداخلية، فإن حساسية الجهاز تتأثر بمصادر الضوضاء الآتية:

أ. الضوضاء الفراغية، ومصدرها المجرات من خارج الغلاف الجوي للكرة الأرضية، وهذا النوع من الضوضاء ينخفض مع زيادة التردد، وهي ضوضاء مؤثرة بدرجة ملحوظة في الرادارات التي تعمل في حيز التردد العالي جدّاً VHF، وفوق العالي UHF، ولكن تقل اعتباراً من الحيز L ؛ هذه الضوضاء تؤثر بشدة في أداء جهاز الرادار، ولكن هناك استخدام خاص يعتمد أساساً على هذه الإشارات الواردة من الفضاء الخارجي، هذا الاستخدام هو للأغراض الفلكية، ومتابعة الأجسام الفضائية.

ب. ضوضاء الامتصاص الجوي Atmospheric Absorption Noise

من نظريات الديناميكا الحرارية Thermodynamics نعلم أن أي جسم طبيعي يمتص طاقة ما، يلزم أن يشع نسبة منها، وهذا مبدأ طبيعي مرتبط بمبدأ بقاء الطاقة؛ بتطبيق هذا المبدأ على الجو المحيط بجهاز الرادار نجد الآتي:

(1) نفترض أن درجة حرارة الجو المحيط بجهاز الرادار هي ^T_a، فتكون الضوضاء المنتشرة في هذه المنطقة هي ^KT_a ^B_n، وبعد مرورها خلال طبقة الجو معانية من فقد كلي معامله L، تكون قيمة الضوضاء المتبقية قيمتها:

(2) قيمة الضوضاء التي امتصتها طبقة الغلاف الجوي هي الفارق بين القيمتين

وهذه هي قيمة ضوضاء الامتصاص الجوي التي تشعها طبقات الغلاف الجوي، وتؤثر في جهاز الاستقبال الراداري، كجزء من الضوضاء الخارجية.

(3) الضوضاء الجوية، وهي تختلف عن ضوضاء الامتصاص الجوي، وهي ناتجة من العواصف الرعدية[7] ، وتأثير هذه الضوضاء واضح عند الحيزات الرادارية المنخفضة، وينعدم في الحيزات التي يزيد ترددها على الترددات فوق العالية.

(4) الضوضاء الشمسية، حيث تعد الشمس مصدراً قويّاً للإشعاع الكهرومغناطيسي الذي تختلف شدته مع اختلاف الوقت، وتتزايد الضوضاء الشمسية طرديّاً مع مربع التردد.

7. مكبر الترددات العالية Radio Frequency Amplifier

يظهر في الرسم الوظائفي لجهاز الاستقبال السوبرهتروداينى أن أول وحدة تلي الهوائي، الطرف الأمامي لجهاز الاستقبال، هي وحدة مكبر ترددات عالية؛ هذا ليس قاعدة عامة؛ لأن كثيراً من المصممين يميلون إلى الاستغناء عن هذا المكبر، نظراً للضوضاء الداخلية المتولدة فيه، والتي تؤثر في أداء باقي جهاز الاستقبال، ولكن مع التقدم العلمي الحالي وظهور تقنيات جديدة[8] لإنتاج مكبرات منخفضة الضوضاء، بدأ مرة أخري الاعتماد على المكبر كطرف أمامي لجهاز الاستقبال .

الفيصل في الحكم على مكبر التردد العالي، هو رقمه الضوضائي، مع الاعتبار أنه يلزم أن يكون له معامل تكبير محسوس، لتتغلب الإشارة المفيدة على الضوضاء الداخلية للمراحل التالية للمكبر، كما يجب أن يكون متين التصميم حتى يتحمل أي جزء من الطاقة العالية للمرسل قد تتسرب إليه.

توجد أنواع عديدة من مكبرات الترددات العالية أهمها

أ. مكبر التردد العالي ذو الصمام الثلاثي Triode RF Amplifier

على الرغم من أن الصمامات الثلاثية مرتفعة الضوضاء الذاتية، إلا أنه يتم تصميم المكبر بحيث يتحسن رقم الضوضاء ومعامل التكبير، مع انخفاض التردد، ويصبح هذا النوع من المكبرات هو المفضل عند الترددات الرادارية المنخفضة.

ب. مكبرات صمام الموجة المسافرة والكلايسترون

يمكن تصميم هذه المكبرات برقم ضوضاء منخفض، حوالي 3 ديسبيل في الحيز الترددي S وأكبر بقليل من 4 ديسبيل في الحيز X.

8. المازج البلوري Crystal Mixer

كثير من أجهزة استقبال الرادار، التي تستغني عن مكبر التردد العالي، كأول مرحلة للاستقبال، تستخدم بدلاً منه مازجاً بلّوريّاً؛ الرقم الضوضائي لمازج بلوري جيد تكوّن من 7 إلى 10 ديسبيل تقريباً، على امتداد حيز الترددات الرادارية، وهذا الرقم يعد مقبولاً في الحالات التي يكون مطلوب فيها بساطة التصميم. المازج يقوم بمزج تردد الإشارة المستقبلة المرتدة من الهدف مع التردد المنتج محليّاً، ليكون الفارق بينهما ثابتاً، ويساوي التردد البيني. يتحدد حسن أداء المازج البلوري بمعاملين أساسين:

أ. معامل الفقد عند تحويل التردد ^L_C، وهو عبارة عن نسبة قدرة الإشارة المفيدة إلى قدرة الإشارة بعد تحويلها إلى التردد البيني؛ هذا المعامل يعبر عن فعالية المازج البلوري، والمازج المثالي هو الذي يكون معامله يساوي الواحد الصحيح، صفر ديسبيل. أما بالنسبة للمازج الفعلي فقيمة المعامل له تكون في حدود 6 ديسبيل.

ب. الضوضاء الحرارية للبلورة ^t_r، وهي معرفة على أنها النسبة بين قدرة الضوضاء عند التردد البيني إلى قدرة الضوضاء المتولدة من مقاومة مكافئة مثالية، أي أن:

حيث ^F_C هو رقم ضوضاء البلورة، و^G_C معامل كسب التحويل.

ويكون رقم ضوضاء البللورة ^F_C = ^t_r ^L_C

النسبة ^t_r تزيد مع انخفاض التردد، وهي ترتفع جدّاً في حيز الترددات السمعية.

9. مكبر التردد البيني IF Amplifier

يجب أن يوفر مكبر التردد البيني معامل تكبير كافٍ، ومدى تكبير ديناميكي مناسب يلائم الاختلاف المتوقع بين قيم الإشارات المرتدة من الأهداف البعيدة والقريبة. يتم اختيار التردد البيني بناء علي بعض العوامل المتعارضة، فالتردد البيني يجب أن يكون كبيراً بالمقارنة مع حيز الإشارة الترددي، كما أنه، أيضاً، مطلوب قيمة عالية للتردد البيني، حتى يستخدم مكونات صغيرة في تصنيعه، وارتفاع التردد البيني، أيضاً، يؤدي إلى ارتفاع رقم الضوضاء للمكبر. وعموماً فإن معظم الترددات البينية المستخدمة في أجهزة الرادار هي 30 و60 ميجاهرتز.

مواصفات منحني المرور، منحنى التكبير ـ التردد، لمكبر التردد البيني، تعد مهمة جدّاً؛ لأنها تشكل استجابة المكبر بصفة عامة للتردد، حيث إن ذلك يعظم نسبة الإشارة المفيدة إلى الضوضاء؛ يتكون مكبر التردد البيني عادة من عدة مراحل، ويتم تخطيط شكل منحنى المرور Pass band، إما ليتطابق في كل مراحل التكبير أو ليكمل منحنى كل مرحلة منحنى المراحل الأخرى.

أ. المبينات

هدف المبين هو إظهار المعلومات المحتواة في الإشارة المرتدة من الهدف، في صورة تناسب قدرات عامل التشغيل؛ يوصل المبين عادة إلى خرج مكبر الترددات المرئية. وإذا كان معدل تدفق البيانات المتوقع أعلى كثيراً من قدرة استيعاب عامل التشغيل، فيمكن استخدام معالج رقمي للبيانات كوسيط بين مكبر الترددات المرئية، والمبين، إذ يقوم معالج البيانات بعملية المعالجة، والاستنتاج، وتركيز المعلومات، ثم إظهار، فقط، المعلومات النهائية على شاشة المبين بالصورة التي يمكن لعامل التشغيل التعامل معها.

أكثر صور مبينات الرادار، هي شاشة أنبوبة أشعة المهبط Cathode Ray tube في صوره المختلفة، سواء كانت، مبين للإحداثيات الكارتيزية A-Scope أو مبين، إحداثيات قطبية (PPI Scope)، وهناك أنواع أخرى من المبينات مثل المبين السمعي الشائع في الاستخدام في رادارات مراقبة التحركات، ومراقبة حركة المرور، إذ تتناسب حدة الصوت الصادر من السماعات مع سرعة الجسم المتحرك؛ بعض الرادارات الأخرى تستخدم وسائل بيان رقمية متصلة بالحاسب الآلي مباشرة، وهذه الوسائل الرقمية تظهر مباشرة مدلولات الهدف من إحداثيات ومواقع زاوية وسرعة وإشارة تمييز، بعض الرادارات البسيطة البدائية تستخدم مصابيح بيان ضوئية مباشرة، ولكن معظم الرادارات الحديثة تستخدم بالإضافة إلى وسائل البيان الفورية، وسائل تسجيل صوتي، وضوئي، تسمح بإعادة تقييم الموقف في وقت لاحق، أو دراسة الإجراءات التي تمت في مواجهة موقف جوي معين، وكذلك للتدريب.

معظم الرادارات تعمل من خلال شبكة متكاملة للاكتشاف والإنذار والمتابعة للأهداف، وتكون قيادة هذه الشبكة مركزية. وحتى تنجح هذه القيادة في اتخاذ القرار السليم في المواقف المختلفة، يجب أن توجد أمام العاملين فيها صورة الموقف الجوي الموجود على شاشة كل جهاز رادار في شبكة الكشف والتتبع. فيما مضى، كان يتم نقل الصورة من كل جهاز رادار إلى مركز القيادة، بواسطة الرسائل الشفوية، المتبادلة بين عمال مهرة، مدربين جيداً، سواء في موقع جهاز الرادار، أو أمام شاشات خاصة للعرض في مراكز القيادة، وكانت تتوقف سرعة الأداء، وسلامة قرار مركز القيادة على سرعة أداء العمال المسئولين عن عملية النقل ودقتهم. أما في الوقت الحالي، ومع تطور علوم واستخدامات الحاسب الآلي، فتحولت عناصر القيادة إلى القيادة الآلية، التي تستخدم الحاسب الآلي بصورة مكثفة، إذ يتم نقل البيانات الناتجة من جهاز الرادار عبر وصلات خاصة لنقل المعلومات، إلى الحاسب المركزي الموجود في مركز القيادة، الذي يتلقى في الوقت نفسه بيانات جميع الرادارات المكونة للشبكة، ويعالج هذه البيانات، ويحللها، ويربط بين الأهداف الوارد بياناتها من كل رادار، ويوقعها على شاشة كبيرة بعد تمييزها، وتوضيح مدلولات كل هدف، وينقل صورة من الموقف النهائي إلى كل الأماكن، التي قد يكون لها دور في اتخاذ رد الفعل بصورة أو أخرى.

ثالثاً: الهوائي Antenna

وظيفة الهوائي الراداري، هي العمل وسيطاً بين الانتشار الموجي في الفراغ، والانتشار الموجي في خطوط التوصيل أو الأدلة الموجية[9]، فهي أثناء الإرسال، تركز الطاقة المشعة من خلال نموذج إشعاعي ذي شكل محدد، في اتجاه معين في الفضاء، وخلال الاستقبال، يقوم الهوائي بجمع الطاقة المرتدة من الهدف، و يوصلها إلى أول مراحل جهاز الاستقبال؛ أي أن هوائي جهاز الرادار يلعب دوراً مزدوجاً، ويظهر ذلك واضحاً في صياغة المعادلة الرادارية من خلال المعامل ^G_t، كسب الهوائي أثناء الإرسال، والمعامل ^A_C، المساحة الفعالة للهوائي أثناء الاستقبال، ويرتبط المعاملان معاً طبقاً للمعادلة الرياضية:

من المعادلة نستنتج، أنه للحصول على معامل كسب كبير من الهوائي، يلزم أن تكون مساحة السطح الفعالة كبيرة، أيضاً. مساحة سطح فعال كبيرة تؤدي إلى تشكيل النموذج الإشعاعي الضيق، الذي لا يمكن الاستغناء عنه عند قياس الموقع الزاوي للهدف، أو في الحالات التي تتطلب التمييز بين الأهداف المتقاربة. ترتبط مساحة السطح الفعالة بالتردد، حيث إنه عند الترددات العالية يمكن الحصول على هوائيات ذات معامل كسب عالي، ونموذج إشعاعي ضيق، بينما يكون هذا الأمر في غاية الصعوبة عند الموجات القصيرة Short waves.

يختلف شكل الهوائي المستخدم مع جهاز الرادار عن الهوائي المستخدم لأغراض الاتصالات. هوائي الرادار يجب أن ينتج نموذجاً إشعاعيّاً له خواص اتجاهيه، ويمكن تحريكه في الفضاء المحيط لتفتيش قطاع المسئولية، بينما معظم هوائيات الاتصالات تشع بانتظام في جميع الاتجاهات، أو مصممة لتحقيق الاتصال المحدد بين نقطتين Point – to – Point communication . في أوائل ظهور أجهزة الرادار استخدمت هوائيات مكونة من صفوف من المشعات والعاكسات، في الحيز الترددي العالي جدّاً وفوق العالي، ولكن مع التقدم، وعمل الرادارات في حيزات ترددية أعلى، بدأ استخدام الهوائيات ذات العاكس على شكل قطع مكافئ Parabolic reflector.

1. معامل الكسب الموجه Directive Gain

معامل الكسب هو تعبير عن مقدرة الهوائي على تركيز الطاقة في اتجاه معين. ويوجد تعريفان مختلفان ومرتبطان مع بعضهما البعض لمعامل الكسب، أحدهما هو معامل الكسب الموجّه، والآخر هو معامل الكسب للقدرة. الأول يطلق عليه أحياناً "الاتجاهية" Directivity، بينما الآخر يطلق عليه "الكسب" Gain. معامل الكسب الموجه يعبر عن شكل النموذج الإشعاعي للهوائي، وهو يعرّف على أنه النسبة بين شدة أقصى إشعاع إلى شدة الإشعاع المتوسطة؛ حيث إن شدة الإشعاع المتوسطة هي القدرة المشعة خلال وحدة الزاوية المجسمة في الاتجاه المعرف للزاوية q، (زاوية في المستوى الأفقي)، والزاوية j، (زاوية في المستوى الرأسي)، ويرمز لها بالرمز ( j, q) P (القدرة P كدالة في المتغيرات q ,  j)، يطلق على الرسم البياني الذي يوضح العلاقة بين المتغير P والزاوية q  "النموذج الإشعاعي للهوائي في المستوى الأفقي" (اُنظر شكل النموذج الإشعاعي)، والعلاقة بين P والزاوية q "النموذج الإشعاعي للهوائي في المستوى الرأسي"؛ الفص الإشعاعي الرئيس main radiation lobe يرتكز حول الاتجاه صفر درجة، وتظهر إلى جواره الفصوص الجانبية، ثم يظهر بعد ذلك حول الاتجاه 180 درجة الفص الإشعاعي الخلفيBack lobe .

متوسط شدة الإشعاع خلال زاوية فراغية قيمتها "2ط[10]"  بالتقدير الدائري radians ، تساوي الطاقة الكلية المشعة مقسومة على (4ط)، وعلى هذا الأساس يكون معامل الكسب الموجه ^G_d مكافئاً للتعريف التالي:

يعرف المعامل B على أنه مساحة مقطع النموذج الإشعاعي؛ وهذه المساحة تساوي تقريباً حاصل الضرب ؛ حيث هي الزاوية بين النقط التي تنخفض فيها القدرة المشعة إلى نصف قيمتها العظمى في المستوى الأفقي، (اُنظر شكل زاوية في المستوى الأفقي)، j_B وهي الزاوية نفسها في المستوى الرأسي، ويصبح معامل الكسب الاتجاهي ^G_D في حالة قياس الزوايا بالتقدير الدائري كالآتي:

وبالتقدير الستيني كالآتي:

2. معامل الكسب للقدرة Power Gain

تعريف معامل الكسب الموجه، يعبر أساساً عن شكل النموذج الإشعاعي، ويتجاهل الطاقة المفقودة نتيجة التحول الحراري، سواء في مقاومة خطوط التوصيل، أو الحركة العشوائية للإلكترونات؛ أما معامل الكسب للقدرة الذي يرمز له بالرمز G، فإنه يراعي تأثير كميات الطاقة المفقودة التي تؤثر على فعالية الهوائي، وبصفة عامة يعرف على أنه نسبة شدة الطاقة العظمى المشعة من الهوائي موضع الدراسة، وبين شدة الطاقة المشعة من هوائي مثالي غير موجّه، مع مراعاة تغذية كلا الهوائيين بالقدرة نفسها. هذا التعريف هو التعريف الواجب استخدامه في المعادلة الرادارية؛ لأنه يتضمن تقييماً للقدرة المفقودة نتيجة لاستخدام الهوائي، وكما سبق فإن معامل الكسب الموجه، الذي تزيد قيمته دائماً على قيمة معامل كسب القدرة، يستخدم عند دراسة شكل النموذج الإشعاعي، وعند دراسة قدرة التمييز بين الأهداف. معامل فعالية الإشعاع هو النسبة بين معامل كسب القدرة، ومعامل الكسب الموجّه، أي أن:

3. مساحة سطح الهوائي الفعالة Effective Aperture

هو تعريف مهم لأحد مواصفات الهوائي التي ترتبط مع معامل الكسب، وهو يعد مقياساً للمساحة الفعالة للهوائي التي تواجه الأشعة الساقطة عليه؛ معامل الكسب G والمساحة الفعالة ^A_e لهوائي مثالي ترتبطان بالعلاقة الآتية:

حيث l هو الطول الموجي، وA المساحة الطبيعية للهوائي، و^P_a معامل فعالية مساحة الهوائي.

4. استقطاب الهوائي Antenna Polarization

استقطاب الهوائي، أو اتجاه قطبية الهوائي، هو اتجاه المتجه الذي يعبر عن المجال الكهربي Electric field vector. معظم هوائيات الرادار ذات استقطاب خطي Linear Polarization ، أي أن اتجاه متجه المجال الكهربي، يكون رأسيّاً أو أفقيّاً. استقطاب هوائي الرادار من الممكن أن يكون دائريّاً Circular أو على شكل قطع ناقص elliptical. الاستقطاب الدائري هو عبارة عن مجموع موجتين لهما التردد نفسه، والقيمة العظمى نفسها، ولهما استقطاب خطي متعامد، وينتشران معاً.

الاستقطاب الخطي هو الأكثر انتشاراً في هوائيات أجهزة الرادار لسهولة تنفيذه، والاختيار بين الاستقطاب الرأسي والاستقطاب الأفقي، يتم وفق معايير معينة، أهمها الانعكاسات من على سطح الأرض. أما الهوائيات ذات الاستقطاب الدائري، فتستخدم للرادارات التي من مهامها العمل في الظروف الجوية المضطربة.

5. الفصوص الجانبية والإشعاع غير المخطط Side lobes and spurious Radiation

الفصوص الجانبية هي الاتجاهات الثانوية التي تتركز فيها الطاقة، بعيداً عن الاتجاه الرئيسي لتركيز الطاقة، وهي تمثل ظاهرة غير مرغوب فيها تسبب الأضرار الآتية:

أ. تقلل من فعالية الهوائي نظراً لتشتيت جزء محسوس من الطاقة، بعيداً عن الاتجاه الرئيسي لتركيز الطاقة.

ب. تتداخل الانعكاسات المستقبلة من الفصوص الجانبية، فتطمس إشارات الأهداف المستقبلة بواسطة الفص الرئيسي.

د. قد يستخدمها العدو لإعاقة عمل جهاز الرادار الصديق، عن طريق حقن طاقة ضوضائية من خلال الفصوص الجانبية.

هـ. الرادار يصبح عرضة للتداخل من الرادارات الصديقة المجاورة.

للأسباب السابقة، يسعى مصمم جهاز الرادار إلى خفض مستوى الفصوص الجانبية إلى أدنى حد، ولكن ذلك ليس متاحاً دائماً. في الهوائيات العملية، تكون الفصوص الجانبية منخفضة عن الفص الرئيسي بنسبة من 20 إلى 30 ديسبيل تقريباً.

6. بعض أنواع الهوائيات المستخدمة في أجهزة الرادار

الهوائي ذو العاكس على شكل قطع مكافئParabolic - reflector antenna  هو أحد الأنواع الأكثر انتشاراً في أجهزة الرادار، إذ يستخدم عاكس عبارة عن سطح، ناشئ من دوران منحنى، على شكل جزء من قطع مكافئ، حول محور، عمودي على مماس المنحنى عند قمته، وفي نفس مستواه، وينتج سطح يقال له، "سطح دائري قطع مكافئ" Paraboloide surface؛ يتم إضاءة هذا السطح بمصدر للطاقة الكهرومغنطيسية، يطلق عليه "المشع" أو "المغذي" feeder موجود عند بؤرة العاكس؛ هذا النوع من الهوائيات مناسب للاستخدام في حيز الموجات المتناهية في القصر، وينتج شعاعاً مجسماً ضيقاً قلمي الشكل، يستخدم في رادارات التتبع (اُنظر شكل هوائي قطع مكافئ).

أ. الهوائيات المصفوفة Array Antennas

يتكون الهوائي المصفوف من عدد من العناصر المشعة المنفردة، (اُنظر شكل الهوائي المصفوف)، موزعة بطريقة محددة، وعلى أبعاد متساوية من بعضها، يتم التحكم في السعة النسبية للذبذبات المطبقة على كل عنصر، وزاوية الطور لها، للحصول على شكل النموذج الإشعاعي، كمجموع لأداء كل العناصر المكونة للهوائي؛ العناصر المشعة قد تكون دايبولات Dipoles، أو أدلة موجية، أو أي أنواع أخرى من الهوائيات، وتتكون المصفوفة بما لا يقل عن عنصرين، ويحدد العدد الأقصى الاعتبارات العملية، ويصل في بعض الهوائيات عدد العناصر إلى عشرات الآلاف من العناصر أو أكثر؛ يحرّك النموذج الإشعاعي ويوجّه إلى أي نقطة في الفراغ، بتغيير زاوية الطور النسبية للإشارات المطبقة على عناصر الهوائي المختلفة؛ إذا ثبتت زاوية الطور النسبية يثبت اتجاه الشعاع في الفضاء، وإذا اختلفت تحرك النموذج الكلي، وفي بعض الأحوال، يكتفى بتثبيت الشعاع، وتحريك مجموعة عناصر المصفوفة كلها ميكانيكيّاً، وهناك بعض أجهزة الرادار التي يتم فيها تحريك الشعاع إلكترونيّاً، في الوقت نفسه الذي يتم فيه تحريك مجموعة العناصر ميكانيكيّاً؛ إذا غطت مجموعة العناصر المشعة سطحاً مستوياً مستطيل الشكل، يطلق عليها مصفوفة "ثنائية الأبعاد مستوية" two dimensional array ، وهذه المجموعة المستطيلة يمكنها أن تنتج نموذجاً إشعاعيّاً مروحي الشكل، بينما المصفوفة المربعة أو الدائرية فتنتج شعاعاً قلميّ الشكل؛ ويمكن للمصفوفة أن تنتج أكثر من شعاع في الوقت نفسه بعضها يستغل للبحث، وبعضها يستغل للتتبع؛ يتم ذلك باختيار أوضاع العناصر المشعة، من ضمن المصفوفة، التي تجمع الطاقة المنبعثة منها، لتكوين النموذج الإشعاعي المقصود، وعادة يتم هذا النوع من التحكم المعقد بواسطة حاسب آلي، يختص بتحديد زوايا الطور النسبية، التي يتم تطبيقها على العناصر المشعة المكونة للمصفوفات الفرعية، يطلق على هذه المصفوفة "هوائي مصفوف ذو بحث إلكتروني" electronically scanned array. بعض الاستخدامات الخاصة، تستدعي تركيب عناصر المصفوفة على سطح أسطواني، لتحقيق تغطية منتظمة لكل الفراغ المحيط، وبعض أجهزة الرادار تستخدم مصفوفة موزعة على الأسطح الأربعة الجانبية لمتوازي المستطيلات.