Фазированная решетка

Массив антенн, создающих управляемый луч

Анимация, показывающая, как работает фазированная решетка. Он состоит из массива антенных элементов (А) , питаемых от передатчика (TX) . Ток питания каждого элемента проходит через фазовращатель (φ), управляемый компьютером (С) . Движущиеся красные линии показывают волновые фронты радиоволн, излучаемых каждым элементом. Отдельные волновые фронты имеют сферическую форму, но они объединяются ( накладываются ) перед антенной, создавая плоскую волну . Фазовращатели задерживают радиоволны, постепенно идущие вверх по линии, поэтому каждая антенна излучает свой волновой фронт позже, чем та, что находится под ней. Это приводит к тому, что результирующая плоская волна направляется под углом θ к оси антенны. Изменяя фазовые сдвиги, компьютер может мгновенно изменить угол θ луча. Большинство фазированных решеток имеют двумерные антенные решетки вместо показанной здесь линейной решетки, и луч можно управлять в двух измерениях. Показанная скорость радиоволн замедлена.

Анимация, показывающая диаграмму направленности фазированной решетки из 15 антенных элементов, разнесенных на четверть длины волны, когда разность фаз между соседними антеннами колеблется от -120 до 120 градусов. Темная область — это луч или главный лепесток , а светлые линии, расходящиеся вокруг него, — это боковые лепестки .

В теории антенн фазированная решетка обычно означает решетку с электронным сканированием , управляемую компьютером решетку антенн , которая создает луч радиоволн , который можно электронно направлять в разные стороны без перемещения антенн. ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [ чрезмерное цитирование ]} Общая теория электромагнитной фазированной решетки также находит применение в ультразвуковой и медицинской визуализации. применение ( ультразвук с фазированной решеткой ) и в оптике оптическая фазированная решетка .

В простой решетчатой ​​антенне радиочастотный ток от передатчика подается на несколько отдельных элементов антенны с правильным фазовым соотношением, так что радиоволны от отдельных элементов объединяются ( накладываются ), образуя лучи, для увеличения мощности, излучаемой в желаемых направлениях и подавлять излучение в нежелательных направлениях. В фазированной решетке мощность передатчика подается на излучающие элементы через устройства, называемые фазовращателями , управляемые компьютерной системой, которая может изменять фазу или задержку сигнала электронным способом, направляя таким образом луч радиоволн в другом направлении. Поскольку размер антенной решетки должен охватывать многие длины волн для достижения высокого усиления, необходимого для узкой ширины луча, фазированные решетки в основном практичны на высокочастотном конце радиоспектра, в диапазонах УВЧ и СВЧ , в которых рабочие длины волн удобно выбирать. маленький.

Фазированные решетки изначально были задуманы для использования в военных радиолокационных системах, чтобы быстро направлять луч радиоволн по небу для обнаружения самолетов и ракет. Эти системы сейчас широко используются и распространились на гражданские приложения, такие как 5G MIMO для мобильных телефонов. Принцип фазированной решетки также используется в акустике , а фазированные решетки акустических преобразователей используются в медицинских ультразвуковых сканерах ( ультразвук с фазированной решеткой ), в разведке нефти и газа ( сейсмология отражения ) и в военных гидролокационных системах.

Термин «фазированная решетка» также используется в меньшей степени для антенн с неуправляемой решеткой , в которых фаза питающей мощности и, следовательно, диаграмма направленности антенной решетки фиксированы. ^{[8] [11]} Например, радиоантенны AM-вещания, состоящие из нескольких мачтовых излучателей , питаемых так, чтобы создать определенную диаграмму направленности, также называются «фазированными решетками».

Типы

Фазированные решетки принимают различные формы. Однако четырьмя наиболее распространенными являются пассивная матрица с электронным сканированием (PESA), активная матрица с электронным сканированием (AESA), фазированная решетка с гибридным формированием луча и матрица с цифровым формированием луча (DBF). ^[12]

Пассивная фазированная решетка или пассивная решетка с электронным сканированием (PESA) — это фазированная решетка, в которой элементы антенны подключены к одному передатчику и/или приемнику , как показано на первой анимации вверху. PESA — наиболее распространенный тип фазированных решеток. Вообще говоря, PESA использует один приемник/возбудитель для всего массива.

Активная фазированная решетка или активная решетка с электронным сканированием (АФАР) представляет собой фазированную решетку, в которой каждый антенный элемент имеет аналоговый модуль передатчика/приемника (T/R) ^[13] , который создает фазовый сдвиг, необходимый для электронного управления лучом антенны. Активные решетки — это более совершенная технология фазированных решеток второго поколения, которая используется в военных целях; в отличие от PESA, они могут одновременно излучать несколько лучей радиоволн на разных частотах в разных направлениях. Однако количество одновременных лучей ограничено практическими соображениями электронной компоновки формирователей луча примерно до трех одновременных лучей для АФАР. К каждому формирователю луча подключен приемник/возбудитель.

Гибридную фазированную решетку, формирующую луч, можно рассматривать как комбинацию AESA и цифровой фазированной решетки, формирующей луч. Он использует подмассивы, которые представляют собой активные фазированные решетки (например, подмассив может состоять из 64, 128 или 256 элементов, а количество элементов зависит от требований системы). Подмассивы объединяются в полный массив. Каждая подматрица имеет свой собственный цифровой приемник/возбудитель. Этот подход позволяет создавать кластеры одновременных лучей.

Фазированная решетка с цифровым формированием луча (DBF) имеет цифровой приемник/возбудитель на каждом элементе решетки. Сигнал на каждом элементе оцифровывается приемником/возбудителем. Это означает, что антенные лучи могут формироваться в цифровом виде с помощью программируемой вентильной матрицы (FPGA) или компьютера с решеткой. Этот подход позволяет формировать несколько одновременных антенных лучей.

Конформная антенна [ ^14] представляет собой фазированную решетку, в которой отдельные антенны расположены не в плоской плоскости, а установлены на изогнутой поверхности. Фазовращатели компенсируют различную длину пути волн из-за изменяющегося положения элементов антенны на поверхности, позволяя решетке излучать плоскую волну. Конформные антенны используются в самолетах и ​​ракетах для интеграции антенны в изогнутую поверхность самолета и уменьшения аэродинамического сопротивления.

История

Направленная антенна Фердинанда Брауна 1905 года, в которой использовался принцип фазированной решетки, состоящей из трех несимметричных антенн, расположенных в равностороннем треугольнике. Четвертьволновая задержка в фидере одной антенны привела к тому, что решетка излучала луч. Задержку можно было переключать вручную на любой из трех каналов, поворачивая луч антенны на 120°.

Радары BMEWS и PAVE PAWS

РЛС с фазированной решеткой Маммут, Вторая мировая война

Передача фазированной решетки была впервые продемонстрирована в 1905 году нобелевским лауреатом Карлом Фердинандом Брауном, который продемонстрировал улучшенную передачу радиоволн в одном направлении. ^{[15] [16]} Во время Второй мировой войны нобелевский лауреат Луис Альварес использовал передачу с фазированной решеткой в ​​быстро управляемой радиолокационной системе для « захода на посадку с земли », системы, помогающей при посадке самолетов. В то же время GEMA в Германии построила Mammut 1. ^[17] Позже он был адаптирован для радиоастрономии, что привело к получению Нобелевской премии по физике Энтони Хьюиша и Мартина Райла после того, как в Кембриджском университете по межпланетным мерцаниям было разработано несколько крупных фазированных решеток. Множество . Эта конструкция также используется для радиолокации и обобщена в интерферометрических радиоантеннах.

В 1966 году в большинстве радаров с фазированной решеткой использовались ферритовые фазовращатели или лампы бегущей волны для динамической регулировки фазы. AN/SPS-33, установленный на атомных кораблях «Лонг-Бич» и «Энтерпрайз» примерно в 1961 году, в 1966 году был заявлен как единственная действующая трехмерная фазированная решетка в мире. AN/SPG-59 был разработан для генерировать несколько лучей слежения из передающей решетки и одновременно программировать независимые приемные решетки. Первая гражданская трехмерная фазированная решетка была построена в 1960 году в Национальном экспериментальном центре авиационных средств; но был заброшен в 1961 году. ^[18]

В 2004 году исследователи Калифорнийского технологического института продемонстрировали первый интегрированный кремниевый приемник с фазированной решеткой на частоте 24 ГГц с 8 элементами. ^[19] За этим последовала демонстрация КМОП-передатчика с фазированной решеткой 24 ГГц в 2005 году ^[20] и полностью интегрированного приемопередатчика с фазированной решеткой 77 ГГц со встроенными антеннами в 2006 году ^{[21] [22]} командой Калифорнийского технологического института. В 2007 году исследователи DARPA анонсировали радарную антенну с фазированной решеткой из 16 элементов, которая также была интегрирована со всеми необходимыми схемами на одном кремниевом чипе и работала на частоте 30–50 ГГц. ^[23]

Относительные амплитуды , а также конструктивные и деструктивные интерференционные эффекты между сигналами, излучаемыми отдельными антеннами, определяют эффективную диаграмму направленности решетки. Фазированная решетка может использоваться для наведения фиксированной диаграммы направленности или для быстрого сканирования по азимуту или углу места. Одновременное электрическое сканирование как по азимуту, так и по углу места было впервые продемонстрировано в фазированной антенной решетке в Hughes Aircraft Company , Калифорния, в 1957 году. ^[24]

Приложения

Вещание

В технике радиовещания термин «фазированная решетка» имеет значение, отличное от его обычного значения: он означает обычную антенную решетку , решетку из нескольких мачтовых излучателей , предназначенную для излучения направленной диаграммы направленности , в отличие от одной мачты, которая излучает всенаправленную диаграмму направленности. шаблон. Вещательные фазированные решетки имеют фиксированные диаграммы направленности и не «управляются» во время работы, как другие фазированные решетки.

Фазированные решетки используются многими радиостанциями AM-вещания для повышения мощности сигнала и, следовательно, покрытия в лицензионном городе , при этом сводя к минимуму помехи в других районах. Из-за различий между дневным и ночным ионосферным распространением на средневолновых частотах радиовещательные станции AM обычно меняют диаграммы направленности между дневной ( земная волна ) и ночной ( небесная волна ) путем переключения фазы и уровней мощности, подаваемых на отдельные элементы антенны ( мачта ). радиаторы ) ежедневно на восходе и заходе солнца . Для коротковолнового вещания многие станции используют массивы горизонтальных диполей. В обычной схеме используется 16 диполей в массиве 4×4. Обычно это перед отражателем из проволочной сетки. Фазировку часто можно переключать, чтобы обеспечить управление лучом по азимуту, а иногда и по углу места.

Радар

Фазированные решетки были изобретены для радиолокационного слежения за баллистическими ракетами, и из-за их способности к быстрому слежению радары с фазированной решеткой широко используются в военных целях. Например, из-за скорости, с которой можно управлять лучом , радары с фазированной решеткой позволяют военному кораблю использовать одну радиолокационную систему для обнаружения и слежения за поверхностью (поиск кораблей), обнаружения и слежения в воздухе (поиск самолетов и ракет) и возможностей связи с ракетами. . До использования этих систем каждая летящая ракета класса «земля-воздух» требовала специального радара управления огнем , а это означало, что оружие с радиолокационным наведением могло поражать лишь небольшое количество одновременных целей. Системы фазированной решетки могут использоваться для управления ракетами на среднем этапе полета ракеты. На заключительном этапе полета руководители непрерывного управления огнем обеспечивают окончательное наведение на цель. Поскольку диаграмма направленности антенны управляется электроникой , системы с фазированной решеткой могут направлять лучи радара достаточно быстро, чтобы поддерживать качество управления огнем по множеству целей одновременно, одновременно управляя несколькими ракетами в полете.

Радар с активной фазированной решеткой установлен на надстройке фрегата F220 Hamburg класса Sachsen ВМС Германии.

РЛС с фазированной антенной решеткой AN/SPY-1 , входящая в состав боевой системы Aegis, развернутой на современных крейсерах и эсминцах США , «способна выполнять функции поиска, сопровождения и наведения ракет одновременно, охватывая более 100 целей». ^[25] Аналогичным образом, многофункциональная РЛС с фазированной решеткой Thales Herakles , используемая на вооружении Франции и Сингапура , имеет способность сопровождать 200 целей и способна обеспечить автоматическое обнаружение, подтверждение и инициирование цели за одно сканирование, одновременно обеспечивая Обновления курсового наведения для ракет MBDA Aster , запускаемых с корабля. ^[26] ВМС Германии и Королевский флот Нидерландов разработали радиолокационную систему с активной фазированной решеткой (APAR). MIM -104 «Патриот» и другие наземные зенитные системы используют радар с фазированной решеткой для аналогичных целей.

Фазированные антенные решетки используются в военно-морских гидролокаторах, в активных (передача и прием) и пассивных (только прием), а также в гидролокаторах, устанавливаемых на корпусе и с буксируемой решеткой .

Связь с космическим зондом

Космический корабль «Мессенджер» выполнял миссию космического зонда к планете Меркурий (2011–2015 годы ^[27] ). Это была первая миссия в дальний космос, в которой для связи использовалась фазированная антенная решетка . Излучающие элементы представляют собой щелевые волноводы с круговой поляризацией . Антенна, использующая диапазон X , использует 26 излучающих элементов и может плавно деградировать . ^[28]

Использование исследований погоды

Радиолокационная установка AN/SPY-1A в Национальной лаборатории сильных штормов , Норман, Оклахома. Закрывающий обтекатель обеспечивает защиту от атмосферных воздействий.

Национальная лаборатория сильных штормов использует антенну с фазированной решеткой SPY-1A, предоставленную ВМС США, для исследования погоды на своем объекте в Нормане, штат Оклахома, с 23 апреля 2003 года. Есть надежда, что исследования приведут к лучшему пониманию гроз. и торнадо, что в конечном итоге приводит к увеличению времени предупреждения и улучшению прогнозирования торнадо. В настоящее время в проекте участвуют Национальная лаборатория сильных штормов и Центр радиолокационной службы Национальной метеорологической службы компании Lockheed Martin , ВМС США , Школа метеорологии Университета Оклахомы , Школа электротехники и компьютерной инженерии, а также Исследовательский центр атмосферных радиолокаторов Регентов высшего образования штата Оклахома. , Федеральное управление гражданской авиации и основная торговля и промышленность. Проект включает в себя исследования и разработки , будущую передачу технологий и потенциальное развертывание системы на всей территории Соединенных Штатов. Ожидается, что его завершение займет от 10 до 15 лет, а первоначальная стоимость строительства составит около 25 миллионов долларов. ^[29] Команда японского передового института вычислительных наук RIKEN (AICS) начала экспериментальную работу по использованию радара с фазированной решеткой с новым алгоритмом для мгновенного прогноза погоды . ^[30]

Оптика

В видимом или инфракрасном спектре электромагнитных волн можно построить оптические фазированные решетки . Они используются в мультиплексорах длин волн и фильтрах для телекоммуникационных целей, ^[31] управления лазерным лучом и голографии. Гетеродинное детектирование с синтетической решеткой — это эффективный метод мультиплексирования всей фазированной решетки на одноэлементный фотодетектор . Динамический луч, формирующийся в передатчике с оптической фазированной решеткой, можно использовать для электронного растрового или векторного сканирования изображений без использования линз или механически движущихся частей в безлинзовом проекторе. ^[32] Было продемонстрировано, что оптические приемники с фазированной решеткой могут действовать как безлинзовые камеры, избирательно смотрящие в разных направлениях. ^{[33] [34]}

Трансиверы спутникового широкополосного доступа в Интернет

Starlink — это группировка спутников на низкой околоземной орбите , строительство которой начнется в 2021 году . Он предназначен для обеспечения широкополосного подключения к Интернету для потребителей; пользовательские терминалы системы будут использовать антенны с фазированной решеткой. ^{[35][обновлять]}

Радиочастотная идентификация (RFID)

К 2014 году антенны с фазированной решеткой были интегрированы в системы RFID , чтобы увеличить зону покрытия одной системы на 100% до 76 200 м ² (820 000 кв. футов) при сохранении традиционных пассивных меток УВЧ . ^[36]

Человеко-машинный интерфейс (HMI)

Фазированная решетка акустических преобразователей, называемая тактильным дисплеем воздушного ультразвука (AUTD), была разработана в 2008 году в лаборатории Шинода Токийского университета для создания тактильной обратной связи. ^[37] Было продемонстрировано, что эта система позволяет пользователю интерактивно манипулировать виртуальными голографическими объектами. ^[38]

Радиоастрономия

Облучатели с фазированной решеткой (PAF) ^[39] недавно использовались в фокусе радиотелескопов для формирования множества лучей, что давало радиотелескопу очень широкое поле зрения . Тремя примерами являются телескоп ASKAP в Австралии , модернизация Apertif радиотелескопа Вестерборк-Синтез в Нидерландах и Космический институт Флориды в США.

Критическая теория и арифметика

Система координат фазированной решетки, используемая при расчете коэффициента решетки, направленности и усиления.

Коэффициент массива

Общая направленность фазированной решетки будет результатом усиления отдельных элементов решетки, а направленность - результатом их расположения в решетке. Этот последний компонент тесно связан (но не равен ^[40] ) с коэффициентом массива . ^{[41] [ нужна страница ] [40]} В (прямоугольной) плоской фазированной решетке размеров , с межэлементным расстоянием и , соответственно, коэффициент решетки может быть рассчитан соответствующим образом ^{[4] [41] [ нужна страница ]} : ${\displaystyle M\times N}$ ${\displaystyle d_{x}}$ ${\displaystyle d_{y}}$

Диаграмма направленности фазированной решетки, содержащей 7 излучателей, расположенных на расстоянии четверти длины волны друг от друга, показывающая направление переключения луча. Фазовый сдвиг между соседними излучателями переключается с 45 градусов на −45 градусов.

$${\displaystyle AF=\sum _{n=1}^{N}I_{n1}\left[\sum _{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm {e} ^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}\right)}\right]\mathrm {e} ^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}\right)}}$$

Здесь и — направления, в которых мы принимаем коэффициент массива, в системе координат, изображенной справа. Коэффициенты и представляют собой прогрессивный фазовый сдвиг , который используется для электронного управления лучом. Коэффициенты и являются коэффициентами возбуждения отдельных элементов. ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle \beta _{x}}$ ${\displaystyle \beta _{y}}$ ${\displaystyle I_{n1}}$ ${\displaystyle I_{m1}}$

Управление лучом указывается в той же системе координат, однако направление поворота обозначается значками и , которые используются при расчете прогрессивной фазы: ${\displaystyle \theta _{0}}$ ${\displaystyle \phi _{0}}$

${\displaystyle \beta _{x}=-kd_{x}\sin \theta _{0}\cos \phi _{0}}$

${\displaystyle \beta _{y}=-kd_{y}\sin \theta _{0}\sin \phi _{0}}$

Во всех приведенных выше уравнениях значение описывает волновое число частоты, используемой при передаче. ${\displaystyle k}$

Эти уравнения можно решить, чтобы предсказать нули, главный лепесток и лепестки решетки массива. Ссылаясь на показатели степени в уравнении коэффициента массива, мы можем сказать, что основные и решетчатые лепестки будут возникать при целочисленных решениях следующих уравнений: ^{[4] [41] [ нужна страница ]} ${\displaystyle m,n=0,1,2,\dots }$

${\displaystyle kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}=\pm 2m\pi }$

${\displaystyle kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}=\pm 2n\pi }$

Рабочий пример

В технике принято передавать значения фазированной решетки в децибелах через . Вспоминая комплексную экспоненту в приведенном выше уравнении коэффициента массива, часто под коэффициентом массива на самом деле понимают величину суммированного вектора , полученного в конце расчета коэффициента массива. При этом мы можем составить следующее уравнение: ${\displaystyle AF}$ ${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}AF}$

$${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}{\Bigg \|}\sum _{n=1}^{N}I_{1n}\left[\sum _{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm {e} ^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}\right)}\right]\mathrm {e} ^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}\right)}{\Bigg \|}}$$

азимута и угла места ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \phi }$

${\displaystyle \theta =\arccos \left(\cos \left(\theta _{az}\right)\sin \left(\theta _{el}\right)\right)}$

${\displaystyle \phi =\arctan 2\left(\sin \left(\theta _{el}\right),\sin \left(\theta _{az}\cos \left(\theta _{el}\right)\right)\right)}$

Это представляет систему координат, ось которой совмещена с осью массива, а ось совмещена с осью массива. ${\displaystyle \mathbf {x} }$ ${\displaystyle \mathbf {z} }$ ${\displaystyle \mathbf {y} }$ ${\displaystyle \mathbf {x} }$

Если мы рассмотрим фазированную решетку, этот процесс обеспечивает следующие значения для при наведении на точку прицеливания ( , ): ${\displaystyle 16\times 16}$ ${\displaystyle AF_{dB}}$ ${\displaystyle \theta _{0}=0^{\circ }}$ ${\displaystyle \phi _{0}=0^{\circ }}$

Эти значения были ограничены до минимума -50 дБ, однако на самом деле нулевые точки в шаблоне коэффициентов массива будут иметь значения, значительно меньшие, чем это. ${\displaystyle AF}$

Различные типы фазированных решеток

Существует два основных типа формирователей луча. Это формирователи луча во временной области и формирователи луча в частотной области . С теоретической точки зрения, в принципе, обе операции представляют собой одну и ту же операцию, за исключением преобразования Фурье, позволяющего преобразовать один тип в другой.

Градуированное окно затухания иногда применяется к лицевой стороне решетки для улучшения характеристик подавления боковых лепестков в дополнение к фазовому сдвигу.

Формирователь луча во временной области работает за счет введения временных задержек. Основная операция называется «задержка и сумма». Он задерживает входящий сигнал от каждого элемента массива на определенное время, а затем складывает их вместе. Матрица Батлера позволяет формировать несколько лучей одновременно или сканировать один луч по дуге. Наиболее распространенным типом формирователя луча во временной области является змеевидный волновод. В конструкциях с активной фазированной решеткой используются отдельные линии задержки, которые включаются и выключаются. Фазовращатели на железо-иттриевом гранате изменяют фазовую задержку с помощью силы магнитного поля.

Существует два разных типа формирователей луча в частотной области.

Первый тип разделяет различные частотные компоненты, присутствующие в принятом сигнале, на несколько элементов разрешения по частоте (используя либо дискретное преобразование Фурье (DFT), либо набор фильтров ). Когда к каждому частотному элементу применяются разные формирователи луча задержки и суммы, в результате главный лепесток одновременно указывает в нескольких разных направлениях на каждой из разных частот. Это может быть преимуществом для линий связи и используется с радаром СПС-48 .

Другой тип формирователя луча в частотной области использует пространственную частоту. Дискретные выборки берутся из каждого отдельного элемента массива. Образцы обрабатываются с использованием ДПФ. ДПФ вводит несколько различных дискретных фазовых сдвигов во время обработки. Выходными данными ДПФ являются отдельные каналы, соответствующие равномерно расположенным лучам, формируемым одновременно. Одномерное ДПФ создает веер различных лучей. Двумерное ДПФ создает балки в форме ананаса .

Эти методы используются для создания двух типов фазированных решеток.

• Динамический - для перемещения луча используется массив переменных фазовращателей.
• Фиксированное – положение луча неподвижно относительно поверхности решетки, а вся антенна перемещается.

Есть еще две подкатегории, которые изменяют тип динамического массива или фиксированного массива.

• Активный – усилители или процессоры находятся в каждом элементе фазовращателя.
• Пассивный — большой центральный усилитель с ослабляющими фазовращателями.

Динамическая фазированная решетка

Каждый элемент массива имеет регулируемый фазовращатель. Они совместно используются для перемещения луча относительно поверхности массива.

Динамические фазированные решетки не требуют никаких физических движений для наведения луча. Луч перемещается электронным способом. Это может обеспечить достаточно быстрое движение антенны, чтобы использовать небольшой карандашный луч для одновременного отслеживания нескольких целей при поиске новых целей с использованием всего одного радара. Эта возможность известна как отслеживание во время поиска .

Например, антенне с лучом 2 градуса и частотой импульсов 1 кГц потребуется примерно 8 секунд, чтобы охватить всю полусферу, состоящую из 8000 точек наведения. Эта конфигурация предоставляет 12 возможностей обнаружения транспортного средства со скоростью 1000 м/с (2200 миль в час; 3600 км/ч) на расстоянии до 100 км (62 мили), что подходит для военного применения. ^{[ нужна цитата ]}

Положение антенн с механическим управлением можно предсказать, что можно использовать для создания средств электронного противодействия , мешающих работе радара. Гибкость, возникающая благодаря работе фазированной решетки, позволяет направлять лучи в произвольные места, что устраняет эту уязвимость. Это также желательно для военного применения.

Фиксированная фазированная решетка

Антенная башня, состоящая из коллинеарной антенной решетки с фиксированной фазой и четырьмя элементами.

Антенны с фиксированной фазированной решеткой обычно используются для создания антенны с более желательным форм-фактором, чем обычный параболический отражатель или отражатель Кассегрена . Фиксированные фазированные решетки включают в себя фиксированные фазовращатели. Например, в большинстве коммерческих антенных вышек FM-радио и телевидения используется коллинеарная антенная решетка , которая представляет собой фиксированную фазированную решетку из дипольных элементов.

В радиолокационных приложениях этот вид фазированной решетки физически перемещается в процессе отслеживания и сканирования. Есть две конфигурации.

• Несколько частот с линией задержки
• Несколько соседних балок

Радар SPS-48 использует несколько частот передачи с извилистой линией задержки вдоль левой стороны решетки для создания вертикального веера сложенных лучей. Каждая частота испытывает разный фазовый сдвиг по мере распространения по извилистой линии задержки, которая формирует разные лучи. Банк фильтров используется для разделения отдельных приемных лучей. Антенна вращается механически.

Полуактивное радиолокационное самонаведение использует моноимпульсный радар , который использует фиксированную фазированную решетку для создания нескольких соседних лучей, которые измеряют угловые ошибки. Этот форм-фактор подходит для установки на карданный подвес ГСН ракет.

Активная фазированная решетка

Элементы активных решеток с электронным сканированием (АФАР) включают усиление передачи со сдвигом фазы в каждом антенном элементе (или группе элементов). Каждый элемент также включает в себя предварительное усиление приема. Настройка фазовращателя одинакова для передачи и приема. ^[42]

Активные фазированные решетки не требуют сброса фазы после окончания передаваемого импульса, что совместимо с доплеровским радаром и импульсно-доплеровским радаром .

Пассивная фазированная решетка

В пассивных фазированных решетках обычно используются большие усилители, которые производят весь передаваемый микроволновый сигнал для антенны. Фазовращатели обычно состоят из волноводных элементов, управляемых магнитным полем, градиентом напряжения или эквивалентной технологией. ^{[43] [44]}

Процесс фазового сдвига, используемый с пассивными фазированными решетками, обычно помещает луч приема и передачи в диагонально противоположные квадранты. Знак фазового сдвига должен быть инвертирован после окончания передачи импульса и до начала периода приема, чтобы поместить приемный луч в то же место, что и передающий луч. Для этого требуется фазовый импульс, который ухудшает видимость под помехами на доплеровском радаре и импульсно-доплеровском радаре. Например, фазовращатели на железо-иттриевом гранате необходимо менять после гашения импульса передачи и до того, как начнется обработка приемника для выравнивания лучей передачи и приема. Этот импульс создает FM-шум, который ухудшает качество помех.

Пассивная фазированная решетка используется в боевой системе AEGIS ^[45] для оценки направления прибытия .

Смотрите также

• Портал электроники

• Синтез апертуры
• История умных антенн
• Принцип Гюйгенса – Френеля
• Интерферометрический радар с синтезированной апертурой
• Радар с обратной синтезированной апертурой
• Многопользовательский MIMO
• Оптическое гетеродинное обнаружение
• Радар МАСИНТ
• Реконфигурируемая антенна
• Гидролокатор бокового обзора
• Одночастотная сеть
• Умная антенна
• Стандартный линейный массив
• Радар с синтезированной апертурой
• Гидролокатор с синтезированной апертурой
• РЛС с синтетически утонченной апертурой
• Проклятие истонченного массива
• Синтез волнового поля

Рекомендации

1. Браун, Арик Д. (2021). Активные матрицы с электронным сканированием: основы и приложения. Wiley-IEEE Press. ISBN 978-1-119-74905-9.
2. Браун, Арик Д. (2012). Браун, Арик Д. (ред.). Массивы с электронным сканированием: моделирование и моделирование MATLAB, 1-е изд. ЦРК Пресс. дои : 10.1201/b12044. ISBN 9781315217130.
3. Миллиган, Томас А. (2005). Современный дизайн антенн, 2-е изд. Джон Уайли и сыновья. ISBN 0471720607.
4. Баланис, Константин А. (2015). Теория антенн: анализ и проектирование, 4-е изд. Джон Уайли и сыновья. стр. 302–303. ISBN 978-1119178989.
5. Штуцман, Уоррен Л.; Тиле, Гэри А. (2012). Теория и проектирование антенн. Джон Уайли и сыновья. п. 315. ИСБН 978-0470576649.
6. Лида, Такаши (2000). Спутниковая связь: система и технология ее проектирования. ИОС Пресс. ISBN 4274903796.
7. Лапланте, Филипп А. (1999). Большой словарь по электротехнике. Springer Science and Business Media. ISBN 3540648356.
8. Виссер, Хубрегт Дж. (2006). Основы антенных решеток и фазированных решеток. Джон Уайли и сыновья. стр. xi. ISBN 0470871180.
9. Голио, Майк; Голио, Джанет (2007). Пассивные и активные технологии ВЧ и СВЧ. ЦРК Пресс. п. 10.1. ISBN 978-1420006728.
10. Мазда, Ксеркс; Мазда, ФФ (1999). Фокусный иллюстрированный словарь по телекоммуникациям. Тейлор и Фрэнсис. п. 476. ИСБН 0240515447.
11.  Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ). Определение фазированной решетки. Архивировано 21 октября 2004 г. в Wayback Machine . По состоянию на 27 апреля 2006 г.
12. Стердивант, Рик; Цюань, Клифтон; Чанг, Энсон (2018). Системная инженерия фазированных решеток . Артех Хаус. ISBN 978-1630814885.
13. Стердивант, Рик; Харрис, Майк (2015). Модули приема-передачи для радиолокационных систем и систем связи . Норвуд, Массачусетс: Artech House. ISBN 978-1608079797.
14. Панди, Анил (2019). Практичный дизайн микрополосковых и печатных антенн. Бостан: Артех Хаус. п. 443. ИСБН 9781630816681.
15. Браун, Карл Фердинанд (1967) [доставлено 11 декабря 1909 г.]. «Электрические колебания и беспроводная телеграфия». Нобелевские лекции по физике 1901-1921 гг. Амстердам: Эльзевир . Проверено 29 июля 2023 г. - через nobelprize.org.Нобелевская лекция Брауна. Раздел фазированных решеток находится на страницах 239–240.
16. "Die Strassburger Versuche über gerichtete drahtlose Telegraphie" (Страсбургские эксперименты по направленной беспроводной телеграфии), Elektrotechnische und Polytechnische Rundschau (Обзор электротехнологий и политехнических технологий [еженедельник]), (1 ноября 1905 г.). Краткое описание этой статьи (на немецком языке) издано: Адольф Праш, изд., Die Fortschritte auf dem Gebiete der Drahtlosen Telegraphie [Прогресс в области беспроводной телеграфии] (Штутгарт, Германия: Фердинанд Энке, 1906), том. 4, страницы 184–185.
17. http://www.100jahreradar.de/index.html?/gdr_5_deutschefunkmesstechnikim2wk.html. Архивировано 29 сентября 2007 г. на первом радаре раннего предупреждения Wayback Machine Mamut1 PESA.
18. WJ Эванция. «Более быстрые и легкие трехмерные радары для тактической войны». Электроника. 1966. с. 81, 83, 87.
19. «Полностью интегрированный 8-лучевой приемник с фазированной решеткой 24 ГГц в кремниевом исполнении» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 11 мая 2018 г.
20. «Передатчик с фазированной решеткой 24 ГГц и КМОП 0,18 мкм» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 11 мая 2018 г.
21. «4-элементный приемник с фазированной решеткой, 77 ГГц и встроенными дипольными антеннами из кремния» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 11 мая 2018 г.
22. «Передатчик с фазированной решеткой 77 ГГц с локальным фазовым сдвигом LO-тракта в кремнии» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 сентября 2015 г.
23. Самый сложный в мире кремниевый чип с фазированной решеткой, разработанный в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Архивировано 25 декабря 2007 г. в Wayback Machine в UCSD News (проверено 2 ноября 2007 г.).
24. См. Джозеф Спрэдли, «Объемная двумерная микроволновая антенная решетка с электрическим сканированием», Отчет Национальной конвенции IRE, Часть I - Антенны и распространение; Микроволны, Нью-Йорк: Институт радиоинженеров, 1958, 204–212.
25. "Система вооружения AEGIS МК-7" . Информационная группа Джейн . 25 апреля 2001 г. Архивировано из оригинала 1 июля 2006 года . Проверено 10 августа 2006 г..
26. Скотт, Ричард (апрель 2006 г.). «Сингапур движется к реализации своих огромных амбиций». Джейн ВМС Интернэшнл . 111 (4): 42–49.
27. Корум, Джонатан (30 апреля 2015 г.). «Курс столкновения «Мессенджера» с Меркурием». Газета "Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 10 мая 2015 года . Проверено 10 мая 2015 г.
28. Уоллис, Роберт Э.; Ченг, Шэн. «Антенная система с фазированной решеткой для миссии MESSENGER в дальнем космосе» (PDF) . Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса . Архивировано из оригинала (PDF) 18 мая 2015 года . Проверено 11 мая 2015 г.
29. Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Справочный материал PAR. Архивировано 9 мая 2006 г. в Wayback Machine . По состоянию на 6 апреля 2006 г.
30. Оцука, Сигенори; Туэрхонг, Гуланбайер; Кикучи, Рёта; Китано, Ёсиказу; Танигучи, Юсуке; Руис, Хуан Хосе; Сато, Синсуке; Ушио, Томоо; Миёси, Такемаса (февраль 2016 г.). «Прогноз текущих осадков с помощью трехмерной пространственно-временной экстраполяции данных метеорологических радиолокационных наблюдений с плотной и частой фазированной решеткой». Погода и прогнозирование . 31 (1): 329–340. Бибкод : 2016WtFor..31..329O. doi : 10.1175/WAF-D-15-0063.1.
31. П.Д. Трин, С. Йегнанараянан, Ф. Коппингер и Б. Джалали Мульти/демультиплексор с фазированной решеткой и длиной волны на основе кремния на изоляторе (SOI) с чрезвычайно низкой чувствительностью к поляризации. Архивировано 8 декабря 2005 г. в Wayback Machine , IEEE Photonics Technology. Письма , Том. 9, № 7, июль 1997 г.
32. «Электронное управление двумерным лучом для интегрированных оптических фазированных решеток» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 августа 2017 г.
33. «Гетеродинная безлинзовая камера OPA 8x8» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 13 июля 2017 г.
34. «Одномерная гетеродинная безлинзовая камера OPA» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 22 июля 2017 г.
35. Илон Маск, Майк Суффрадини (7 июля 2015 г.). ISSRDC 2015 – Разговор с Илоном Маском (2015.7.7) (видео). Событие происходит в 46:45–50:40 . Проверено 30 декабря 2015 г.
36. «Звездная система Mojix» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 мая 2011 года . Проверено 24 октября 2014 г.
37. "Тактильный дисплей бортового ультразвука" . Архивировано из оригинала 18 марта 2009 года.SIGGRAPH 2008, Тактильный дисплей бортового ультразвука
38. "Осязаемая голография". Архивировано из оригинала 31 августа 2009 г. Проверено 22 августа 2009 г.SIGGRAPH 2009, Сенсорная голография
39. Хэй, СГ; О'Салливан, доктор юридических наук (2008). «Анализ синфазных эффектов в планарной антенне с двойной поляризацией». Радионаука . 43 (6): РС6С04. Бибкод : 2008RaSc...43.6S04H. дои : 10.1029/2007RS003798 .
40. «Антенные решетки: вычислительный подход | Электронные книги IEEE | ​​IEEE Xplore» . ieeexplore.ieee.org . Проверено 20 мая 2023 г.
41. Баланис, Константин А. (2015). Теория антенн: анализ и проектирование, 4-е изд. Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1119178989.
42. Активные массивы с электронным управлением - развивающаяся технология (ausairpower.net)
43. «Фазовращатель на основе YIG-сферы для приложений с фазированной решеткой X-диапазона» . Научные работы. Архивировано из оригинала 27 мая 2014 г.
44. «Сегнетоэлектрические фазовращатели». Микроволновые печи 101. Архивировано из оригинала 13 сентября 2012 г.
45. «Пример снижения совокупной стоимости владения: радарные фазовращатели AEGIS» (PDF) . Военно-морская аспирантура. Архивировано (PDF) из оригинала 03 марта 2016 г.

Внешние ссылки

• Исследования и разработки радаров — радар с фазированной решеткой — Национальная лаборатория сильных штормов
• Корабельные радары с фазированной решеткой. Архивировано 18 ноября 2017 г. в Wayback Machine.
• Отчет НАСА: MMIC для антенн с несколькими сканирующими лучами для космических применений
• Принцип фазированной решетки
• Микрофонная система «Фазированная решетка» Тони Фолкнера
• Принципы систем с фазированной решеткой. Урок 1.