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] Общая теория электромагнитной фазированной решетки также находит применение в ультразвуковой и медицинской визуализации ( фазированная решетка ультразвук ) и в оптике оптических фазированных решеток .
В простой решетчатой антенне радиочастотный ток от передатчика подается на несколько отдельных элементов антенны с правильным соотношением фаз , 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 гидроакустических системах.
Термин «фазированная решетка» также используется в меньшей степени для неуправляемых антенных решеток , 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».
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 подрешетка 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 цифровой форме 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 для уменьшения аэродинамического сопротивления.
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] Позднее 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 радаров и обобщена в интерферометрических радиоантеннах.
В 2004 году исследователи Калифорнийского технологического института продемонстрировали первый интегрированный кремниевый приемник с фазированной решеткой на частоте 24 ГГц с 8 элементами. [18] За этим последовала демонстрация КМОП-передатчика с фазированной решеткой 24 ГГц в 2005 году [19] и полностью интегрированного приемопередатчика с фазированной решеткой 77 ГГц со встроенными антеннами в 2006 году [20] [21] 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. [22]
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. [23]
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.
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 середине ее полета. 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.
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». [24] 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. [25] 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 .
Космический корабль «Мессенджер» представлял собой космический зонд к планете Меркурий (2011–2015 годы [26] ). 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 . [27]
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 вычислительной техники, 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. [28] Команда японского передового института вычислительных наук RIKEN (AICS) начала экспериментальную работу по использованию радара с фазированной решеткой с новым алгоритмом для мгновенного прогноза погоды . [29]
В видимом или инфракрасном спектре электромагнитных волн можно построить оптические фазированные решетки . Они используются в мультиплексорах длин волн и фильтрах для телекоммуникационных целей, [30] управления лазерным лучом и голографии. Гетеродинное детектирование с синтетической решеткой — это эффективный метод мультиплексирования всей фазированной решетки на одноэлементный фотодетектор . Динамический луч, формирующийся в оптическом передатчике с фазированной решеткой, можно использовать для электронного растрового или векторного сканирования изображений без использования линз или механически движущихся частей в безлинзовом проекторе. [31] Было продемонстрировано, что оптические приемники с фазированной решеткой могут действовать как безлинзовые камеры, избирательно смотрящие в разных направлениях. [32] [33]
Starlink — группировка спутников на низкой околоземной орбите , строительство которой начнется в 2021 году . Он предназначен для предоставления потребителям широкополосного подключения к Интернету; пользовательские терминалы системы будут использовать антенны с фазированной решеткой. [34][обновлять]
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 . [35]
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. [36] Было продемонстрировано, что эта система позволяет пользователю интерактивно манипулировать виртуальными голографическими объектами. [37]
Облучатели с фазированной решеткой (PAF) [38] недавно использовались в фокусе радиотелескопов для создания множества лучей, что давало радиотелескопу очень широкое поле зрения . Двумя примерами являются телескоп ASKAP в Австралии и модернизация Apertif радиотелескопа Вестерборк-Синтез в Нидерландах .
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 [39] ) с коэффициентом массива . [40] [ нужна страница ] [39] В (прямоугольной) плоской фазированной решетке размеров с межэлементным расстоянием и соответственно коэффициент решетки можно рассчитать соответствующим образом [4] [40] [ нужна страница ] :
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.
Управление лучом указывается в той же системе координат, однако направление поворота обозначается значками и , которые используются при расчете прогрессивной фазы:
Во всех приведенных выше уравнениях значение описывает волновое число частоты, используемой при передаче.
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] [40] [ нужна страница ]
В технике принято передавать значения фазированной решетки в децибелах через . Если вспомнить комплексную экспоненту в приведенном выше уравнении коэффициента массива, то под коэффициентом массива часто понимают величину суммированного вектора , полученного в конце расчета коэффициента массива. При этом мы можем составить следующее уравнение:
Это представляет систему координат, ось которой совмещена с осью массива, а ось совмещена с осью массива.
Если мы рассмотрим фазированную решетку, этот процесс обеспечивает следующие значения для при наведении на точку прицеливания ( , ):
Эти значения были ограничены до минимума -50 дБ, однако в действительности нулевые точки в шаблоне коэффициентов массива будут иметь значения, значительно меньшие, чем это.
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. Выходные данные ДПФ представляют собой 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.
Есть еще две подкатегории, которые изменяют тип динамического массива или фиксированного массива.
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.
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.
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.
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. [41]
Активные фазированные решетки не требуют сброса фазы после окончания передаваемого импульса, что совместимо с доплеровским радаром и импульсно-доплеровским радаром .
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. [42] [43]
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. [44] для оценки направления прибытия .