Szyk fazowy — Phased array

Animacja przedstawiająca działanie szyku fazowanego. Składa się z szeregu elementów antenowych (A) zasilanych z nadajnika (TX) . Prąd zasilający dla każdego elementu przechodzi przez przesuwnik fazowy (φ) sterowany przez komputer (C) . Ruchome czerwone linie pokazują fronty fal radiowych emitowanych przez każdy element. Poszczególne fronty falowe są sferyczne, ale łączą się ( nakładają ) przed anteną, tworząc falę płaską , wiązkę fal radiowych biegnącą w określonym kierunku. Przesuwniki fazowe opóźniają fale radiowe progresywnie wznoszące się w górę linii, więc każda antena emituje swoje czoło fali później niż ta poniżej. Powoduje to, że otrzymana fala płaska jest skierowana pod kątem θ do osi anteny. Poprzez zmianę przesunięć fazowych komputer może błyskawicznie zmienić kąt θ wiązki. Większość szyków fazowanych ma dwuwymiarowe szyki anten zamiast pokazanej tutaj szyku liniowego, a wiązka może być sterowana w dwóch wymiarach. Na tym schemacie prędkość pokazanych fal radiowych została spowolniona.
Animacja przedstawiająca charakterystykę promieniowania fazowanego układu 15 elementów antenowych oddalonych od siebie o ćwierć długości fali, ponieważ różnica faz między sąsiednimi antenami jest przesunięta w zakresie od -120 do 120 stopni. Ciemny obszar to wiązka lub płat główny , podczas gdy jasne linie rozchodzące się wokół niego to płaty boczne .

W teorii anten , szyk fazowany zwykle oznacza elektronicznie skanowany szyk , sterowany komputerowo szyk anten, który tworzy wiązkę fal radiowych, która może być elektronicznie sterowana w różnych kierunkach bez przesuwania anten.

W prostym szyku antenowego , prąd o częstotliwości radiowej z nadajnika są doprowadzane do poszczególnych elementów antenowych, które są rozmieszczone na płaskim lub konfiguracji liniowej z różnicą fazy związku tak, że energia z oddzielnych elementów dodawać, w celu zwiększenia dalekiego pola moc w pożądanym kierunku i tłumić promieniowanie w niepożądanych kierunkach. Moc w niepożądanym kierunku jest funkcją dokładności fazy i względnej amplitudy elementów w aperturze matrycy. Na przykład równomierny rozkład mocy w układzie fazowym będzie wykazywał poziom listków bocznych niższy o 13 dB od wiązki głównej. W szyku fazowanym moc z nadajnika jest podawana do elementów promieniujących przez urządzenia zwane przesuwnikami fazowymi , sterowane przez system komputerowy, który może elektronicznie zmieniać opóźnienie fazy lub sygnału, kierując w ten sposób wiązkę fal radiowych w innym kierunku. Ponieważ rozmiar szyku antenowego musi rozciągać się na wiele długości fal, aby osiągnąć wysoki zysk, szyki fazowe są praktyczne głównie na końcu widma radiowego o wysokiej częstotliwości , w pasmach UHF i mikrofalowych , w których długości fal roboczych są dogodnie małe.

Układy fazowane zostały pierwotnie opracowane do użytku w wojskowych systemach radarowych , aby szybko kierować wiązką fal radiowych po niebie w celu wykrywania samolotów i pocisków. Systemy te są obecnie szeroko stosowane i rozpowszechniły się w zastosowaniach cywilnych, takich jak 5G MIMO dla telefonów komórkowych. Zasada Phased Array jest również stosowana w akustyce , a Phased Array przetworników akustycznych jest wykorzystywana w medycznych skanerach do obrazowania ultrasonograficznego ( Phased Array Ultrasonics ), poszukiwaniach ropy naftowej i gazu ( Sejsmologia odbiciowa ) i wojskowych systemach sonarowych .

Termin „szyk fazowy” jest również używany w mniejszym stopniu dla niesterowanych anten szyków, w których faza mocy zasilającej, a tym samym charakterystyka promieniowania szyku antenowego, jest ustalona. Na przykład, anteny radiowe nadawcze AM składające się z wielu promienników masztowych zasilanych w taki sposób, aby stworzyć określoną charakterystykę promieniowania, są również nazywane „macierzami fazowanymi”.

Rodzaje

Tablice fazowe przybierają różne formy. Jednak cztery najbardziej popularne to pasywna macierz fazowana (PESA), aktywna elektronicznie skanowana macierz (AESA), hybrydowa macierz fazowana formująca wiązkę i macierz formująca wiązkę cyfrową (DBF).

Pasywny fazowanych lub pasywny układ odczytu elektronicznego (PESA) jest fazowane w której elementy antenowe są podłączone do jednego nadajnika i / lub odbiornika , jak to pokazano w pierwszym animacji na górze. PESA są najczęstszym rodzajem fazowanego układu. Ogólnie rzecz biorąc, PESA używa jednego odbiornika/wzbudnicy dla całego szeregu.

Aktywny fazowane lub aktywny skanowana elektronicznie tablica (AESA) jest fazowane w którym każdy element antenowy posiada analogowy nadajnik / odbiornik (T / C) tworzy moduł, który wymaga przesuwania fazy elektronicznego kierować wiązkę anteny. Macierze aktywne to bardziej zaawansowana technologia Phased Array drugiej generacji, wykorzystywana w zastosowaniach wojskowych; w przeciwieństwie do PESA mogą emitować jednocześnie kilka wiązek fal radiowych na wielu częstotliwościach w różnych kierunkach. Jednakże liczba jednoczesnych wiązek jest ograniczona ze względu na praktyczne względy elektronicznego pakowania urządzenia(-ów) wiązki do około trzech jednoczesnych wiązek dla AESA. Do każdego wzornika wiązki podłączony jest odbiornik/wzbudnik.

Hybrydowy formowania wiązki fazowany układ może być traktowany jako połączenie z ASEA oraz belki formie tworzącej stopniowe tablicy. Wykorzystuje podtablice, które są aktywnymi macierzami fazowanymi (na przykład podtablica może mieć 64, 128 lub 256 elementów, a liczba elementów zależy od wymagań systemowych). Podtablice są łączone w celu utworzenia pełnej tablicy. Każda podmacierz ma swój własny cyfrowy odbiornik/wzbudnik. Takie podejście umożliwia tworzenie klastrów równoczesnych wiązek.

Wiązki tworząc cyfrowy (DBF) fazowane ma cyfrowy odbiornik / wzbudnicy na każdy element tablicy. Sygnał na każdym elemencie jest digitalizowany przez odbiornik/wzbudnik. Oznacza to, że wiązki antenowe mogą być formowane cyfrowo w macierzy programowalnych bramek terenowych (FPGA) lub w komputerze macierzy. Takie podejście pozwala na tworzenie wielu jednoczesnych wiązek antenowych.

Antena konformalna . jest układem fazowym, w którym poszczególne anteny, zamiast być ułożone w płaskiej płaszczyźnie, są zamontowane na zakrzywionej powierzchni. Przesuwniki fazowe kompensują różne długości drogi fal ze względu na zmieniające się położenie elementów anteny na powierzchni, umożliwiając szyk promieniować falę płaską. Anteny konformalne są stosowane w samolotach i pociskach, aby zintegrować antenę z zakrzywioną powierzchnią samolotu w celu zmniejszenia oporu aerodynamicznego.

Historia

Antena kierunkowa Ferdinanda Brauna z 1905 roku, która wykorzystywała zasadę szyku fazowanego, składającą się z 3 anten jednobiegunowych w trójkącie równobocznym. Opóźnienie ćwierćfalowe w linii zasilającej jednej anteny spowodowało, że szyk promieniował w wiązce. Opóźnienie można było przełączać ręcznie na dowolny z 3 kanałów, obracając wiązkę anteny o 120°.
Aktywny radar do wykrywania rakiet balistycznych US PAVE PAWS na Alasce. Ukończony w 1979 roku był jednym z pierwszych aktywnych układów fazowanych.
Zbliżenie na niektóre z 2677 skrzyżowanych elementów anteny dipolowej, które tworzą szyk samolotu. Antena ta wytwarzała wąską wiązkę „ołówkową” o szerokości zaledwie 2,2°.
Radar z fazowanym układem radarowym Mammut II wojny światowej

Transmisję z układem fazowym pierwotnie wykazał w 1905 roku laureat Nagrody Nobla Karl Ferdinand Braun, który zademonstrował ulepszoną transmisję fal radiowych w jednym kierunku. Podczas II wojny światowej laureat Nagrody Nobla Luis Alvarez zastosował fazowany układ transmisji w szybko sterowalnym systemie radarowym do „ podejścia kontrolowanego z ziemi ”, systemu wspomagającego lądowanie samolotów. W tym samym czasie GEMA w Niemczech zbudowała Mammut 1. Został on później zaadaptowany do radioastronomii, co doprowadziło do otrzymania Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki dla Antony'ego Hewisha i Martina Ryle'a po opracowaniu kilku dużych układów fazowanych na Uniwersytecie w Cambridge . Ten projekt jest również używany do radarów i jest uogólniony w interferometrycznych antenach radiowych.

W 2004 r. naukowcy z Caltech zademonstrowali pierwszy zintegrowany, oparty na krzemie odbiornik z układem fazowym, pracujący w paśmie 24 GHz z 8 elementami. Następnie zespół Caltech zademonstrował nadajnik z układem fazowanym CMOS 24 GHz w 2005 r. oraz w pełni zintegrowany nadajnik-odbiornik z układem fazowanym 77 GHz ze zintegrowanymi antenami w 2006 r. W 2007 roku naukowcy z DARPA ogłosili 16-elementową antenę radarową z układem fazowym, która była również zintegrowana ze wszystkimi niezbędnymi obwodami na jednym chipie krzemowym i działała z częstotliwością 30–50 GHz.

Względne amplitudy – oraz konstruktywne i destrukcyjne efekty interferencji między – sygnałów emitowanych przez poszczególne anteny określają efektywną charakterystykę promieniowania szyku. Układ fazowany może być używany do wskazywania stałej charakterystyki promieniowania lub do szybkiego skanowania w azymucie lub elewacji. Jednoczesne skanowanie elektryczne w azymucie i elewacji zostało po raz pierwszy zademonstrowane w antenie z układem fazowanym w Hughes Aircraft Company w Kalifornii w 1957 roku.

Aplikacje

Nadawanie

W inżynierii rozgłoszeniowej termin „macierz fazowany” ma znaczenie inne niż jego normalne znaczenie, oznacza zwykłą antenę macierzową , układ wielu promienników masztowych zaprojektowanych do emitowania kierunkowej charakterystyki promieniowania, w przeciwieństwie do pojedynczego masztu, który promieniuje dookólnie wzór. Fazowane matryce rozgłoszeniowe mają stałe wzorce promieniowania i nie są „sterowane” podczas pracy, tak jak inne matryce fazowane.

Macierze fazowe są używane przez wiele stacji radiowych nadawczych AM w celu zwiększenia siły sygnału, a tym samym zasięgu w mieście objętym licencją , przy jednoczesnym zminimalizowaniu zakłóceń w innych obszarach. Ze względu na różnice między dziennym i nocnym jonosferycznego propagacji na fale średnie częstotliwości, to jest wspólne dla stacji AM transmisji na zmianę między dniem ( groundwave ) i nocy ( skywave ) wzorców promieniowania przez przełączenie fazy poziomy i mocy dostarczanej do poszczególnych elementów antenowych ( maszt grzejniki ) codziennie o wschodzie i zachodzie słońca . W przypadku transmisji na falach krótkich wiele stacji używa tablic dipoli poziomych. Typowy układ wykorzystuje 16 dipoli w szyku 4×4. Zwykle znajduje się to przed reflektorem z siatki drucianej. Fazowanie jest często przełączane, aby umożliwić sterowanie wiązką w azymucie, a czasem w elewacji.

Bardziej skromne systemy antenowe z układem fazowym typu longwire mogą być wykorzystywane przez prywatnych entuzjastów radia do odbioru transmisji radiowych na falach długich, średnich (AM) i krótkofalowych z dużych odległości.

Na falach VHF do transmisji FM szeroko stosowane są macierze fazowe . To znacznie zwiększa zysk anteny , zwiększając emitowaną energię RF w kierunku horyzontu , co z kolei znacznie zwiększa zasięg nadawania stacji . W takich sytuacjach odległość do każdego elementu od nadajnika jest identyczna lub wynosi jedną (lub inną liczbę całkowitą ) długość fali. Fazowanie tablicy w taki sposób, że dolne elementy są nieco opóźnione (poprzez zwiększenie odległości do nich) powoduje pochylenie wiązki w dół , co jest bardzo przydatne, jeśli antena jest dość wysoko na wieży radiowej .

Inne regulacje fazowe mogą zwiększyć promieniowanie skierowane w dół w polu dalekim bez przechylania głównego płata , tworząc zerowe wypełnienie, aby zrekompensować bardzo wysokie położenia szczytów górskich lub zmniejszyć je w polu bliskim , aby zapobiec nadmiernemu narażeniu tych pracowników lub nawet pobliskich właścicieli domów na grunt. Ten ostatni efekt uzyskuje się również poprzez rozstawienie półfalowe – wstawianie dodatkowych elementów w połowie odległości między istniejącymi elementami z rozstawem pełnofalowym. To fazowanie osiąga z grubsza takie samo wzmocnienie w poziomie, jak w przypadku pełnego odstępu fal; oznacza to, że pięcioelementowa tablica z pełnym odstępem fal jest równa dziewięciu lub dziesięciu elementom z półfalowymi odstępami.

Radar

Systemy radarowe z układem fazowym są również wykorzystywane przez okręty wojenne wielu marynarek wojennych. Ze względu na szybkość, z jaką można sterować wiązką , radary z układem fazowanym umożliwiają okrętowi wojennemu korzystanie z jednego systemu radarowego do wykrywania i śledzenia powierzchni (znajdowanie statków), wykrywania i śledzenia powietrza (odnajdywanie samolotów i pocisków) oraz możliwości połączenia w górę pocisków. Przed użyciem tych systemów każdy pocisk ziemia-powietrze w locie wymagał dedykowanego radaru kontroli ognia , co oznaczało, że broń naprowadzana radarowo mogła zwalczać tylko niewielką liczbę jednoczesnych celów. Systemy Phased Array mogą być wykorzystywane do sterowania pociskami podczas fazy lotu pocisku w połowie kursu. Podczas końcowej części lotu dyrektorzy kierowania ogniem na fali ciągłej zapewniają ostateczne wskazówki do celu. Ponieważ wzorzec anteny jest sterowany elektronicznie , systemy szyków fazowanych mogą kierować wiązki radaru wystarczająco szybko, aby utrzymać jakość kontroli ognia na wielu celach jednocześnie, jednocześnie kontrolując kilka pocisków w locie.

Aktywny radar Phased Array zamontowany na szczycie nadbudówki niemieckiej fregaty F220 Hamburg typu Sachsen

AN / SPY-1 fazowanych radar, część Walki Aegis systemu wdrożonego na nowoczesnych amerykańskich krążowników i niszczycieli „jest zdolny do pełnienia funkcji wyszukiwania, śledzenia i naprowadzania rakiet jednocześnie z możliwością ponad 100 celów.” Podobnie wielofunkcyjny radar Thales Herakles z fazowanym układem, używany we Francji i Singapurze, ma zdolność śledzenia 200 celów i jest w stanie osiągnąć automatyczne wykrywanie celów, potwierdzanie i inicjowanie śledzenia w jednym skanie, jednocześnie zapewniając prowadzenie w połowie kursu aktualizacje pocisków MBDA Aster wystrzeliwanych ze statku. German Navy i Royal Dutch Navy opracowali aktywny fazowanych radar systemu (APAR). MIM-104 Patriot i inne systemy przeciwlotnicze naziemne używać fazowanych radaru podobnych korzyści.

Fazowane tablice są używane w sonarze okrętowym, w aktywnym (nadawanie i odbiór) i pasywnym (tylko odbiór) oraz w sonarze montowanym na kadłubie i holowanym szyku .

Komunikacja sondy kosmicznej

MESSENGER sonda była sonda kosmiczna misja na planecie Merkury (2011-2015). Była to pierwsza misja kosmiczna, w której wykorzystano do komunikacji antenę z układem fazowym . Elementami promieniującymi są falowody spolaryzowane kołowo , szczelinowe . Antena, która wykorzystuje pasmo X , wykorzystywała 26 elementów promieniujących i potrafi z wdziękiem degradować .

Wykorzystanie badań pogody

Instalacja radarowa AN/SPY-1A w National Severe Storms Laboratory , Norman, Oklahoma. Otoczamy radome zapewnia ochronę przed warunkami atmosferycznymi.

Narodowe nawałnice Laboratorium zostało za pomocą SPY-1A stopniowo anteny tablicy, dostarczone przez US Navy na badania pogody na swojej Norman, Oklahoma obiekcie od 23 kwietnia 2003. Jest nadzieja, że badania doprowadzą do lepszego zrozumienia burz i tornada, co ostatecznie prowadzi do wydłużenia czasu ostrzegania i lepszego przewidywania tornad. Obecni uczestnicy projektu to m.in. National Severe Storms Laboratory i National Weather Service Radar Operations Center, Lockheed Martin , Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych , Szkoła Meteorologii Uniwersytetu Oklahoma , Szkoła Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej oraz Atmospheric Radar Research Center , Oklahoma State Regents for Higher Education , Federalna Administracja Lotnictwa oraz Podstawowe Handel i Przemysł. Projekt obejmuje prace badawczo-rozwojowe , przyszły transfer technologii i potencjalne wdrożenie systemu na terenie całych Stanów Zjednoczonych. Oczekuje się, że ukończenie projektu zajmie od 10 do 15 lat, a początkowa budowa wyniosła około 25 milionów dolarów. Zespół z japońskiego RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS) rozpoczął eksperymentalne prace nad wykorzystaniem radaru z fazową matrycą z nowym algorytmem do natychmiastowych prognoz pogody .

Optyka

W zakresie widzialnym lub podczerwonym widma fal elektromagnetycznych można skonstruować optyczne układy fazowane . Wykorzystywane są w multiplekserach i filtrach długości fal do celów telekomunikacyjnych, sterowania wiązką laserową i holografii. Wykrywanie heterodyn z matrycą syntetyczną jest wydajną metodą multipleksowania całej matrycy fazowanej na pojedynczym fotodetektorze . Dynamiczna wiązka tworząca się w optycznym nadajniku z układem fazowym może być wykorzystana do elektronicznego skanowania obrazów rastrowych lub wektorowych bez użycia soczewek lub mechanicznie ruchomych części w projektorze bezsoczewkowym. Wykazano, że odbiorniki optyczne z układem fazowym mogą działać jak kamery bezobiektywowe, selektywnie patrząc w różnych kierunkach.

Satelitarne szerokopasmowe transceivery internetowe

Starlink to konstelacja satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej, która jest budowana od 2021 r. Została zaprojektowana w celu zapewnienia konsumentom szerokopasmowej łączności internetowej; terminale użytkownika systemu będą wykorzystywać anteny z układem fazowanym.

Identyfikacja radiowa (RFID)

Do roku 2014, stopniowo anteny tablicy zostały zintegrowane RFID systemu w celu zwiększenia obszaru pokrycia jednego systemu 100% do 76200 m 2 (820,000 sq ft), a jednocześnie za pomocą tradycyjnych pasywne UHF znaczników.

Interfejsy człowiek-maszyna (HMI)

W 2008 r. w Shinoda Lab na Uniwersytecie Tokijskim opracowano stopniowy układ przetworników akustycznych, nazwany powietrznym ultradźwiękowym wyświetlaczem dotykowym (AUTD), w celu wywołania dotykowego sprzężenia zwrotnego. Wykazano, że system ten umożliwia użytkownikowi interaktywne manipulowanie wirtualnymi obiektami holograficznymi.

Radioastronomia

Systemy Phased Array Feeds (PAF) zostały ostatnio użyte w centrum zainteresowania radioteleskopów, aby zapewnić wiele wiązek, dając radioteleskopowi bardzo szerokie pole widzenia . Dwoma przykładami są teleskop ASKAP w Australii i modernizacja Apertif do Westerbork Synthesis Radio Telescope w Holandii .

Perspektywa matematyczna i formuły

Wzór promieniowania układu fazowanego zawierającego 7 emiterów oddalonych od siebie o ćwierć długości fali, pokazujący kierunek przełączania wiązki. Przesunięcie fazowe między sąsiednimi emiterami jest przełączane z 45 stopni na -45 stopni
Charakterystyka promieniowania układu fazowanego w układzie współrzędnych biegunowych.

Matematycznie układ fazowany jest przykładem dyfrakcji N - szczelinowej , w której pole promieniowania w punkcie odbioru jest wynikiem spójnego dodania N źródeł punktowych w linii. Ponieważ każda pojedyncza antena działa jak szczelina, emitując fale radiowe, ich wzór dyfrakcyjny można obliczyć, dodając przesunięcie fazowe φ do składnika brzegowego.

Rozpoczniemy od N -slit dyfrakcji otrzymane na dyfrakcji formalizmu stronie ze szczeliny jednakowej wielkości i odstępy .

Teraz dodanie wyrazu φ do efektu brzegowego w drugim wyrazie daje:

Biorąc kwadrat funkcji falowej, otrzymujemy intensywność fali.

Teraz rozmieść emitery w pewnej odległości od siebie. Ta odległość jest wybrana dla uproszczenia obliczeń, ale może być dostosowana jako dowolny ułamek skalarny długości fali.

Ponieważ sinus osiąga maksimum w , ustawiamy licznik drugiego członu = 1.

Zatem gdy N staje się duże, termin będzie zdominowany przez termin. Ponieważ sinus może oscylować między -1 a 1, widzimy, że ustawienie wyśle ​​maksymalną energię pod kątem określonym przez

Dodatkowo widzimy, że jeśli chcemy wyregulować kąt, pod jakim emitowana jest maksymalna energia, musimy jedynie wyregulować przesunięcie fazowe φ pomiędzy kolejnymi antenami. Rzeczywiście, przesunięcie fazowe odpowiada ujemnemu kątowi maksymalnego sygnału.

Podobne obliczenia pokażą, że mianownik jest zminimalizowany o ten sam współczynnik.

Różne typy tablic fazowanych

Istnieją dwa główne typy kształtowników wiązki. Są to generatory wiązki w dziedzinie czasu i generatory wiązki w dziedzinie częstotliwości .

Stopniowane okno tłumienia jest czasami nakładane na powierzchnię matrycy, aby poprawić skuteczność tłumienia listków bocznych, oprócz przesunięcia fazowego.

Beamformer w dziedzinie czasu działa poprzez wprowadzenie opóźnień czasowych. Podstawowa operacja nazywa się "opóźnienie i suma". Opóźnia przychodzący sygnał z każdego elementu tablicy o określony czas, a następnie sumuje je. Butler matryca pozwala kilku wiązek są tworzone jednocześnie lub jedna wiązka być skanowane przez łuk. Najpopularniejszym rodzajem formowania wiązki w dziedzinie czasu jest falowód serpentynowy. Aktywne projekty szyków fazowanych wykorzystują indywidualne linie opóźniające, które są włączane i wyłączane. Przesuwniki fazowe granatu itru zmieniają opóźnienie fazowe za pomocą siły pola magnetycznego.

Istnieją dwa różne typy generatorów wiązki w dziedzinie częstotliwości.

Pierwszy typ rozdziela różne składowe częstotliwości, które są obecne w odbieranym sygnale, na wiele przedziałów częstotliwości (przy użyciu albo dyskretnej transformacji Fouriera (DFT) albo banku filtrów ). Gdy do każdego przedziału częstotliwości stosuje się różne elementy opóźniające i sumujące wiązki, w wyniku tego główny płat jednocześnie wskazuje w wielu różnych kierunkach na każdej z różnych częstotliwości. Może to być zaletą dla łączy komunikacyjnych i jest używane z radarem SPS-48 .

Inny typ generatora wiązki w dziedzinie częstotliwości wykorzystuje częstotliwość przestrzenną. Odrębne próbki są pobierane z każdego z poszczególnych elementów tablicy. Próbki są przetwarzane przy użyciu DFT. DFT wprowadza wiele różnych dyskretnych przesunięć fazowych podczas przetwarzania. Wyjścia DFT są pojedynczymi kanałami, które odpowiadają równomiernie rozmieszczonym wiązkom tworzonym jednocześnie. Jednowymiarowa warstwa DFT tworzy wachlarz o różnych wiązkach. Dwuwymiarowa DFT wytwarza belki o konfiguracji ananasa .

Techniki te są wykorzystywane do tworzenia dwóch rodzajów szyku fazowanego.

  • Dynamiczny – do przesuwania wiązki służy szereg zmiennych przesuwników fazowych
  • Naprawiono – pozycja wiązki jest nieruchoma w stosunku do czoła anteny, a cała antena jest przesunięta

Istnieją dwie dalsze podkategorie, które modyfikują rodzaj tablicy dynamicznej lub tablicy stałej.

  • Aktywny – wzmacniacze lub procesory są w każdym elemencie przesuwnika fazowego
  • Pasywny – duży wzmacniacz centralny z tłumiącymi przesuwnikami fazowymi

Dynamiczny układ fazowany

Każdy element matrycy zawiera regulowany przesuwnik fazowy, który jest wspólnie używany do przesuwania wiązki względem czoła matrycy.

Dynamiczny układ fazowany nie wymaga fizycznego ruchu, aby skierować wiązkę. Wiązka jest przesuwana elektronicznie. Może to wytworzyć ruch anteny wystarczająco szybki, aby użyć małej wiązki ołówkowej do jednoczesnego śledzenia wielu celów podczas wyszukiwania nowych celów za pomocą tylko jednego zestawu radarowego (śledzenie podczas wyszukiwania).

Na przykład antena z wiązką 2 stopni i częstotliwością impulsów 1 kHz będzie potrzebować około 8 sekund, aby pokryć całą półkulę składającą się z 8000 pozycji wskazujących. Ta konfiguracja zapewnia 12 możliwości wykrycia pojazdu o prędkości 1000 m/s (2200 mph; 3600 km/h) w zakresie 100 km (62 mil), co jest odpowiednie do zastosowań wojskowych.

Można przewidzieć położenie anten sterowanych mechanicznie, które można wykorzystać do tworzenia elektronicznych środków zaradczych zakłócających działanie radaru. Elastyczność wynikająca z działania szyku fazowanego umożliwia kierowanie wiązek w losowe miejsca, co eliminuje tę podatność. Jest to również pożądane w zastosowaniach wojskowych.

Naprawiono szyk fazowany

Wieża antenowa składająca się z układu anten współliniowych o stałej fazie z czterema elementami

Stałe anteny z układem fazowym są zwykle używane do tworzenia anten o bardziej pożądanym współczynniku kształtu niż konwencjonalny reflektor paraboliczny lub reflektor Cassegraina . Stałe matryce fazowe zawierają stałe przesuwniki fazowe. Na przykład, większość komercyjnych wież antenowych radia FM i telewizji wykorzystuje układ anten współliniowych , który jest stałym układem fazowym elementów dipolowych.

W zastosowaniach radarowych ten rodzaj szyku fazowanego jest fizycznie przemieszczany podczas procesu śledzenia i skanowania. Istnieją dwie konfiguracje.

  • Wiele częstotliwości z linią opóźniającą
  • Wiele sąsiednich belek

SPS 48 radaru wykorzystuje wiele częstotliwości transmisyjnych z linią opóźniającą serpentyny po lewej stronie tablicy w celu wytworzenia pionowego wentylatora ułożone belki. Każda częstotliwość doświadcza innego przesunięcia fazowego, gdy propaguje się wzdłuż serpentynowej linii opóźniającej, która tworzy różne wiązki. Bank filtrów służy do rozdzielania poszczególnych wiązek odbiorczych. Antena jest obracana mechanicznie.

Półaktywne naprowadzanie radaru wykorzystuje radar monopulsowy, który opiera się na stałym układzie fazowanym, aby wytworzyć wiele sąsiednich wiązek, które mierzą błędy kąta. Ten współczynnik kształtu jest odpowiedni do montażu kardanowego w poszukiwaczach rakiet.

Aktywna tablica fazowa

Elementy aktywne elektronicznie skanowane tablice (AESA) zawierają wzmocnienie transmisji z przesunięciem fazowym w każdym elemencie anteny (lub grupie elementów). Każdy element zawiera również przedwzmacniacz odbioru. Ustawienie przesuwnika fazy jest takie samo dla nadawania i odbioru.

Aktywne układy fazowane nie wymagają resetowania fazy po zakończeniu impulsu nadawczego, co jest kompatybilne z radarem dopplerowskim i radarem impulsowo-dopplerowskim .

Pasywna tablica fazowa

Pasywne szyki fazowe zwykle wykorzystują duże wzmacniacze, które wytwarzają cały nadawany przez antenę sygnał mikrofalowy. Przesuwniki fazowe zazwyczaj składają się z elementów falowodowych sterowanych polem magnetycznym, gradientem napięcia lub równoważną technologią.

Proces przesunięcia fazowego stosowany w pasywnych układach fazowanych zwykle umieszcza wiązkę odbiorczą i wiązkę nadawczą w przeciwległych ćwiartkach po przekątnej. Znak przesunięcia fazowego musi zostać odwrócony po zakończeniu impulsu nadawczego i przed rozpoczęciem okresu odbioru, aby umieścić wiązkę odbiorczą w tym samym miejscu co wiązka nadawcza. Wymaga to impulsu fazowego, który pogarsza widoczność w zakresie sub-bałaganu w radarze dopplerowskim i radarze impulsowo-dopplerskim. Na przykład, przesuwniki fazowe granatu itru muszą być zmieniane po wygaszeniu impulsu nadawczego i przed rozpoczęciem przetwarzania odbiornika w celu wyrównania wiązek nadawczych i odbiorczych. Impuls ten wprowadza szum FM, który pogarsza działanie bałaganu.

W systemie bojowym AEGIS zastosowano pasywny układ fazowany. do oszacowania kierunku przybycia .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki