Фазированная решетка

Массив антенн, создающий управляемый луч

Анимация, показывающая, как работает фазированная решетка. Она состоит из массива антенных элементов (A), питаемых передатчиком ( TX) . Ток питания для каждого элемента проходит через фазовращатель (φ), управляемый компьютером (C) . Движущиеся красные линии показывают волновые фронты радиоволн, излучаемых каждым элементом. Отдельные волновые фронты сферические, но они объединяются ( накладываются ) перед антенной, создавая плоскую волну . Фазовращатели задерживают радиоволны, постепенно поднимающиеся по линии, поэтому каждая антенна излучает свой волновой фронт позже, чем та, что под ней. Это приводит к тому, что результирующая плоская волна направляется под углом θ к оси антенны. Изменяя фазовые сдвиги, компьютер может мгновенно изменять угол θ луча. Большинство фазированных решеток имеют двумерные решетки антенн вместо линейной решетки, показанной здесь, и луч можно направлять в двух измерениях. Скорость показанных радиоволн была замедлена.

Анимация, демонстрирующая диаграмму направленности фазированной решетки из 15 антенных элементов, разнесенных на четверть длины волны, когда разность фаз между соседними антеннами изменяется в диапазоне 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 электронно-сканируемую решетку , управляемую компьютером решетку антенн , которая создает пучок радиоволн , который может быть электронно направлен в разных направлениях 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 ( фазированная решетка ультразвука ) и в оптике (оптическая фазированная решетка ) .

В простой антенной решетке радиочастотный ток от передатчика подается на несколько отдельных элементов антенны с надлежащим фазовым соотношением, так что радиоволны от отдельных элементов объединяются ( накладываются ) для формирования лучей, чтобы увеличить мощность, излучаемую в желаемых направлениях, и подавить излучение в нежелательных направлениях. В фазированной решетке мощность от передатчика подается на излучающие элементы через устройства, называемые фазовращателями , управляемые компьютерной системой, которые могут изменять фазу или задержку сигнала электронным способом, таким образом направляя луч радиоволн в другое направление. Поскольку размер антенной решетки должен простираться на много длин 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 малы.

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 теперь широко используются и распространились на гражданские приложения, такие как 5G MIMO для сотовых телефонов. Принцип фазированной решетки также используется в акустике , а фазированные решетки акустических преобразователей используются в медицинских ультразвуковых сканерах ( фазированные ультразвуковые решетки ), разведке нефти и газа ( сейсморазведка отражений ) и военных гидроакустических системах.

Термин «фазированная решетка» также используется в меньшей степени для неуправляемых антенных решеток , в которых фаза мощности питания и, следовательно, диаграмма направленности антенной решетки фиксированы. ^{[8] [11]} Например, антенны вещательной АМ-радиосвязи, состоящие из нескольких мачтовых излучателей, питаемых таким образом, чтобы создавать определенную диаграмму направленности, также называются «фазированными решетками».

Типы

Фазированные решетки могут иметь различные формы. Однако наиболее распространенными являются четыре: пассивная электронно-сканирующая решетка (PESA), активная электронно-сканирующая решетка (AESA), гибридная фазированная решетка с формированием луча и решетка с цифровым формированием луча (DBF). ^[12]

Пассивная фазированная решетка или пассивная электронно-сканируемая решетка (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 фазированной решетки. В общем, PESA использует один приемник/возбудитель для всей решетки.

Активная фазированная решетка или активная электронно-сканируемая решетка (AESA) — это фазированная решетка, в которой каждый элемент антенны имеет аналоговый модуль передатчика/приемника (T/R) ^[13] , который создает сдвиг фазы, необходимый для электронного управления лучом антенны. Активные решетки — это более продвинутая технология фазированной решетки второго поколения, которая используется в военных приложениях; в отличие от PESA, они могут излучать несколько пучков радиоволн на нескольких частотах в разных направлениях одновременно. Однако количество одновременных лучей ограничено практическими соображениями электронной компоновки формирователей лучей примерно тремя одновременными лучами для AESA. К каждому формирователю луча подключен приемник/возбудитель.

Гибридную фазированную решетку формирования луча можно рассматривать как комбинацию АЭСА и цифровой фазированной решетки формирования луча. Она использует подрешетки, которые являются активными фазированными решетками (например, подрешетка может состоять из 64, 128 или 256 элементов, а количество элементов зависит от требований системы). Подрешетки объединяются для формирования полной решетки. Каждая подрешетка имеет свой собственный цифровой приемник/возбудитель. Такой 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 быть сформированы в цифровом виде в программируемой пользователем вентильной матрице (FPGA) или компьютере решетки. Такой подход позволяет формировать несколько одновременных антенных лучей.

Конформная антенна ^[14] представляет собой фазированную решетку, в которой отдельные антенны, вместо того, чтобы располагаться на плоской плоскости, установлены на изогнутой поверхности. Фазовращатели компенсируют различные длины пути волн из-за различного положения элементов антенны на поверхности, позволяя решетке излучать плоскую волну. Конформные антенны используются в самолетах и ​​ракетах для интеграции антенны в изогнутую поверхность самолета с целью снижения аэродинамического сопротивления.

История

Направленная антенна Фердинанда Брауна 1905 года, которая использовала принцип фазированной решетки, состоящей из трех монопольных антенн в равностороннем треугольнике. Задержка в четверть волны в фидерной линии одной антенны заставляла решетку излучать луч. Задержку можно было вручную переключать на любой из трех фидеров, поворачивая луч антенны на 120°.

Радары BMEWS и PAVE PAWS

Фазированная антенная решетка Mammut, Вторая мировая война

Фазированная антенная решетка впервые была продемонстрирована в 1905 году лауреатом Нобелевской премии Карлом Фердинандом Брауном , который продемонстрировал улучшенную передачу радиоволн в одном направлении. ^{[15] [16]} Во время Второй мировой войны лауреат Нобелевской премии Луис Альварес использовал фазированную антенную решетку в быстроуправляемой радиолокационной системе для « наземного управляемого подхода », системы, помогающей при посадке самолетов. В то же время GEMA в Германии построила Mammut 1. [ ^17] Позже она была адаптирована для радиоастрономии, что привело к Нобелевским премиям по физике для Энтони Хьюиша и Мартина Райла после того, как несколько больших фазированных решеток были разработаны в Кембриджском университете Interplanetary Scintillation Array . Эта конструкция также используется для радаров и обобщена в интерферометрических радиоантеннах.

В 1966 году большинство радаров с фазированной решеткой использовали ферритовые фазовращатели или лампы бегущей волны для динамической регулировки фазы. AN/SPS-33, установленный на атомных судах Long Beach и Enterprise около 1961 года, был объявлен единственной рабочей трехмерной фазированной решеткой в ​​мире в 1966 году. AN/SPG-59 был разработан для генерации нескольких следящих лучей из передающей решетки и одновременного программирования независимых приемных решеток. Первая гражданская трехмерная фазированная решетка была построена в 1960 году в Национальном экспериментальном центре авиационных объектов; но была заброшена в 1961 году. ^[18]

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

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

Приложения

Трансляция

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

Фазированные решетки используются многими радиостанциями AM-вещания для усиления сигнала и, следовательно, покрытия в городе лицензии , при этом сводя к минимуму помехи для других областей. Из-за различий между дневным и ночным ионосферным распространением на частотах средних волн , для радиостанций AM-вещания характерно переключение между дневной ( земляная волна ) и ночной ( небесная волна ) диаграммами направленности путем переключения фазы и уровней мощности, подаваемых на отдельные элементы антенны ( мачтовые излучатели ) ежедневно на восходе и заходе солнца . Для коротковолновых передач многие станции используют массивы горизонтальных диполей. Обычно используется 16 диполей в массиве 4×4. Обычно это перед рефлектором из проволочной сетки. Фазировка часто переключается, что позволяет управлять лучом по азимуту, а иногда и по высоте.

Радар

Фазированные решетки были изобретены для радиолокационного слежения за баллистическими ракетами, и из-за их быстрой способности слежения фазированные антенные решетки широко используются в военных приложениях. Например, из-за скорости, с которой можно управлять лучом , фазированные антенные решетки позволяют военному кораблю использовать одну радиолокационную систему для обнаружения и слежения за поверхностью (поиск кораблей), обнаружения и слежения за воздухом (поиск самолетов и ракет) и возможностей восходящей линии связи ракет. Перед использованием этих систем каждая ракета класса «земля-воздух» в полете требовала специального радара управления огнем , что означало, что управляемое радиолокатором оружие могло поражать только небольшое количество одновременных целей. Системы фазированных антенных решеток могут использоваться для управления ракетами на среднем этапе полета ракеты. Во время конечной части полета непрерывно-волновые направляющие управления огнем обеспечивают окончательное наведение на цель. Поскольку диаграмма направленности антенны управляется электроникой , системы фазированных антенных решеток могут направлять радиолокационные лучи достаточно быстро, чтобы поддерживать качественное отслеживание управления огнем по многим целям одновременно, а также управлять несколькими ракетами в полете.

Активная фазированная антенная решетка радара, установленная на надстройке фрегата класса «Саксония» F220 «Гамбург» ВМС Германии

Фазированная антенная решетка AN /SPY-1 , часть боевой системы Aegis , развернутой на современных крейсерах и эсминцах США , «способна выполнять функции поиска, отслеживания и наведения ракет одновременно с возможностью отслеживания более 100 целей». ^[25] Аналогичным образом, фазированная антенная решетка многофункционального радара Thales Herakles , используемая на вооружении Франции и Сингапура, имеет емкость отслеживания 200 целей и способна автоматически обнаруживать цели, подтверждать и инициировать отслеживание за одно сканирование, одновременно предоставляя обновления наведения на середине курса для ракет MBDA Aster , запускаемых с корабля. ^[26] ВМС Германии и Королевский флот Нидерландов разработали активную фазированную антенную решетку (APAR). MIM-104 Patriot и другие наземные зенитные системы используют фазированную антенную решетку для аналогичных преимуществ.

Фазированные решетки используются в морских гидролокаторах, в активных (передача и прием) и пассивных (только прием) гидролокаторах, а также в устанавливаемых на корпусе и буксируемых гидролокаторах .

Космическая связь зонда

Космический аппарат MESSENGER был миссией космического зонда к планете Меркурий (2011–2015 ^[27] ). Это была первая миссия в дальний космос, в которой для связи использовалась фазированная антенная решетка . Излучающие элементы представляют собой круговые поляризованные щелевые волноводы . Антенна, которая использует X-диапазон , использует 26 излучающих элементов и может плавно деградировать . ^[28]

Использование метеорологических исследований

Установка радара AN/SPY-1A в Национальной лаборатории сильных штормов , Норман, Оклахома. Защищающий обтекатель обеспечивает защиту от непогоды.

Национальная лаборатория сильных штормов использует фазированную антенную решетку 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 приведет к увеличению времени предупреждения и улучшенному прогнозированию торнадо. Текущими участниками проекта являются Национальная лаборатория сильных штормов и Центр радиолокационных операций Национальной метеорологической службы, Lockheed Martin , ВМС США , Школа метеорологии Университета Оклахомы , Школа электротехники и вычислительной техники и Центр атмосферных радиолокационных исследований , Совет регентов штата Оклахома по высшему образованию, Федеральное управление гражданской авиации и Basic Commerce and Industries. Проект включает в себя исследования и разработки , будущую передачу технологий и потенциальное развертывание системы по всей территории Соединенных Штатов. Ожидается, что его завершение займет от 10 до 15 лет, а первоначальное строительство обошлось примерно в 25 миллионов долларов. ^[29] Группа специалистов из японского Института передовых вычислительных наук RIKEN (AICS) начала экспериментальную работу по использованию радара с фазированной решеткой с новым алгоритмом для мгновенного прогнозирования 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. Синтетическое решеточное гетеродинное детектирование является эффективным методом мультиплексирования всей фазированной решетки на один элемент фотодетектора . Динамическое формирование луча в оптическом фазированном передатчике решетки может использоваться для электронного растрового или векторного сканирования изображений без использования линз или механически движущихся частей в безлинзовом проекторе. ^[32] Оптические фазированные приемники решетки продемонстрировали свою способность действовать как безлинзовые камеры, выборочно смотря в разных направлениях. ^{[33] [34]}

Спутниковые широкополосные интернет-трансиверы

Starlink — это спутниковая группировка на низкой околоземной орбите , которая находится в стадии строительства по состоянию на 2021 год . Она предназначена для предоставления потребителям широкополосного интернет-подключения; пользовательские терминалы системы будут использовать фазированные антенные решетки. ^{[35][обновлять]}

Радиочастотная идентификация (RFID)

К 2014 году фазированные антенные решетки были интегрированы в системы RFID, что позволило увеличить площадь покрытия одной системы на 100% до 76 200 м ² (820 000 кв. футов), при этом по-прежнему использовались традиционные пассивные метки UHF . ^[36]

Человеко-машинные интерфейсы (HMI)

Фазированная решетка акустических преобразователей, называемая воздушным ультразвуковым тактильным дисплеем (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

Фазированные антенные решетки (PAF) ^[39] недавно использовались в фокусе радиотелескопов для обеспечения множества лучей, что давало радиотелескопу очень широкое поле зрения . Три примера — телескоп ASKAP в Австралии , модернизация Apertif радиотелескопа синтеза Вестерборка в Нидерландах и Космический институт Флориды в Соединенных Штатах.

Критическая теория и арифметика

Координатная система фазированной решетки, используемая при расчете коэффициента решетки, направленности и усиления.

Фактор массива

Общая направленность фазированной решетки будет результатом усиления отдельных элементов решетки и направленности, обусловленной их расположением в решетке. Этот последний компонент тесно связан (но не равен ^[40] ) с коэффициентом решетки . ^{[41] [ нужна страница ] [40]} В (прямоугольной) плоской фазированной решетке с размерами , с межэлементным расстоянием и , соответственно, коэффициент решетки может быть рассчитан следующим 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 берем фактор массива, в системе координат, изображенной справа. Факторы и — это прогрессивный сдвиг фазы , который используется для электронного управления лучом. Факторы и — это коэффициенты 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 управления указывается с помощью и , что используется 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 в уравнении фактора массива, мы можем сказать, что главные и лепестки решетки будут появляться 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 инженерии принято предоставлять значения фазированной решетки в децибелах через . Вспоминая комплексную экспоненту в уравнении фактора решетки выше, часто под фактором решетки на самом деле подразумевается величина суммированного фазора, полученного в конце расчета фактора решетки. С помощью этого мы можем получить следующее уравнение: Для простоты визуализации мы проанализируем фактор решетки, учитывая входной азимут и высоту , которые мы сопоставим с рамкой решетки и через следующее преобразование: ${\displaystyle AF}$ ${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}AF}$ $${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}\left\|\sum _{n=1}^{N}I_{1n}\left[\sum _{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm {e} ^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}\right)}\right]\mathrm {e} ^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}\right)}\right\|}$$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \phi }$

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

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

Это представляет собой систему координат, ось которой совмещена с осью массива, а ось — 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 линию визирования ( , ): ${\displaystyle 16\times 16}$ ${\displaystyle AF_{dB}}$ ${\displaystyle \theta _{0}=0^{\circ }}$ ${\displaystyle \phi _{0}=0^{\circ }}$

Эти значения были ограничены до минимума -50 дБ, однако в действительности нулевые точки в шаблоне коэффициента решетки будут иметь значения значительно меньшие, чем эти. ${\displaystyle AF}$

Различные типы фазированных решеток

Существует два основных типа формирователей луча. Это формирователи луча временной области и формирователи луча частотной области . С теоретической точки зрения оба в принципе представляют собой одну и ту же операцию, с единственным преобразованием Фурье, позволяющим преобразовать один тип в другой.

Иногда на лицевой стороне решетки применяется градуированное окно затухания для улучшения характеристик подавления боковых лепестков в дополнение к фазовому сдвигу.

Формирователь луча во временной области работает, вводя временные задержки. Основная операция называется «задержка и сумма». Он задерживает входящий сигнал от каждого элемента массива на определенное время, а затем складывает их. Матрица Батлера позволяет формировать несколько лучей одновременно или сканировать один луч через дугу. Наиболее распространенным типом формирователя луча во временной области является змеевидный волновод. Активные фазированные конструкции решеток используют отдельные линии задержки, которые включаются и выключаются. Фазовращатели на иттриевом железном гранате изменяют задержку фазы, используя силу магнитного поля.

Существует два различных типа формирователей луча в частотной области.

Первый тип разделяет различные частотные компоненты, которые присутствуют в полученном сигнале, на несколько частотных бинов (используя либо дискретное преобразование Фурье (ДПФ), либо банк фильтров ). Когда к каждому частотному бину применяются различные формирователи луча задержки и суммы, результатом является то, что главный лепесток одновременно указывает в нескольких различных направлениях на каждой из различных частот. Это может быть преимуществом для линий связи и используется с радаром SPS-48 .

Другой тип формирователя луча в частотной области использует пространственную частоту. Дискретные выборки берутся из каждого отдельного элемента массива. Выборки обрабатываются с помощью ДПФ. ДПФ вводит несколько различных дискретных фазовых сдвигов во время обработки. Выходы ДПФ представляют собой отдельные каналы, которые соответствуют равномерно распределенным лучам, сформированным одновременно. Одномерное ДПФ создает веер различных лучей. Двумерное ДПФ создает лучи с конфигурацией ананаса .

Эти методы используются для создания двух видов фазированных решеток.

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

Существуют 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 затухающими фазовращателями

Динамическая фазированная решетка

Каждый элемент массива включает в себя регулируемый фазовращатель. Они совместно используются для перемещения луча относительно лицевой стороны массива.

Динамические фазированные решетки не требуют физического движения для наведения луча. Луч перемещается электронным способом. Это может производить достаточно быстрое движение антенны, чтобы использовать небольшой карандашный луч для одновременного отслеживания нескольких целей при поиске новых целей с использованием всего одного набора радаров, возможность, известная как отслеживание во время поиска .

Например, антенне с 2-градусным лучом и частотой импульсов 1 кГц потребуется около 8 секунд, чтобы покрыть всю полусферу, состоящую из 8000 позиций наведения. Такая конфигурация обеспечивает 12 возможностей для обнаружения транспортного средства со скоростью 1000 м/с (2200 миль/ч; 3600 км/ч) на расстоянии 100 км (62 мили), что подходит для военных приложений. ^{[ необходима цитата ]}

Положение механически управляемых антенн можно предсказать, что может быть использовано для создания электронных контрмер , которые мешают работе радара. Гибкость, получаемая в результате работы фазированной решетки, позволяет направлять лучи в случайные места, что устраняет эту уязвимость. Это также желательно для военных приложений.

Фиксированная фазированная решетка

Антенная башня, состоящая из фиксированной фазовой коллинеарной антенной решетки с четырьмя элементами

Антенны с фиксированной фазированной решеткой обычно используются для создания антенны с более желательным форм-фактором, чем обычный параболический рефлектор или рефлектор Кассегрена . Фиксированные фазированные решетки включают фиксированные фазовращатели. Например, большинство коммерческих антенных башен FM-радио и телевидения используют коллинеарную антенную решетку , которая представляет собой фиксированную фазированную решетку дипольных элементов.

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

• Несколько частот с линией задержки
• Несколько соседних балок

Радар SPS-48 использует несколько частот передачи с серпантинной линией задержки вдоль левой стороны решетки для создания вертикального веера сложенных лучей. Каждая частота испытывает различный сдвиг фазы при распространении по серпантинной линии задержки, которая формирует разные лучи. Для разделения отдельных принимаемых лучей используется банк фильтров. Антенна механически вращается.

Полуактивное радиолокационное наведение использует моноимпульсный радар , который опирается на фиксированную фазированную решетку для создания нескольких смежных лучей, измеряющих угловые ошибки. Этот форм-фактор подходит для установки на карданный шарнир в головках самонаведения ракет.

Активная фазированная решетка

Элементы активных электронно-сканируемых решеток (AESA) включают усиление передачи с фазовым сдвигом в каждом элементе антенны (или группе элементов). Каждый элемент также включает 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 доплеровскими радарами и импульсно-доплеровскими радарами .

Пассивная фазированная решетка

Пассивные фазированные решетки обычно используют большие усилители, которые производят весь микроволновый сигнал передачи для антенны. Фазовращатели обычно состоят из волноводных элементов, управляемых магнитным полем, градиентом напряжения или эквивалентной технологией. ^{[43] [44]}

Процесс сдвига фазы, используемый с пассивными фазированными решетками, обычно помещает луч приема и луч передачи в диагонально противоположные квадранты. Знак сдвига фазы должен быть инвертирован после окончания импульса передачи и до начала периода приема, чтобы поместить луч приема в то же место, что и луч передачи. Для этого требуется фазовый импульс, который ухудшает характеристики видимости под помехами на доплеровском радаре и импульсно-доплеровском радаре. Например, фазовращатели на иттриевом железном гранате должны быть заменены после гашения импульса передачи и до начала обработки приемника для выравнивания лучей передачи и приема. Этот импульс вносит ЧМ-шум, который ухудшает характеристики 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
• Инверсный радиолокатор с синтезированной апертурой
• Многопользовательский MIMO
• Оптическое гетеродинное детектирование
• Радар МАСИНТ
• Реконфигурируемая антенна
• Сонар бокового обзора
• Одночастотная сеть
• Умная антенна
• Стандартная линейная решетка
• Радиолокатор с синтезированной апертурой
• Синтетический апертурный сонар
• Радиолокатор с синтетически утонченной апертурой
• Проклятие прореженного массива
• Синтез волнового поля

Ссылки

1. Браун, Арик Д. (2021). Активные электронно-сканируемые массивы: основы и приложения. Wiley-IEEE Press. ISBN 978-1-119-74905-9.
2. Браун, Арик Д. (2012). Браун, Арик Д. (ред.). Электронно-сканируемые массивы: моделирование и имитация в MATLAB, 1-е изд. CRC Press. doi : 10.1201/b12044. ISBN 9781315217130.
3. Миллиган, Томас А. (2005). Современная конструкция антенн, 2-е изд. John Wiley & Sons. ISBN 0471720607.
4. Баланис, Константин А. (2015). Теория антенн: анализ и проектирование, 4-е изд. John Wiley & Sons. стр. 302–303. ISBN 978-1119178989.
5. Штуцман, Уоррен Л.; Тиле, Гэри А. (2012). Теория и конструкция антенн. John Wiley & Sons. стр. 315. ISBN 978-0470576649.
6. Лида, Такаши (2000). Спутниковая связь: система и технология ее проектирования. IOS Press. ISBN 4274903796.
7. Лапланте, Филлип А. (1999). Полный словарь по электротехнике. Springer Science and Business Media. ISBN 3540648356.
8. Visser, Hubregt J. (2006). Основы антенных решеток и фазированных антенных решеток. John Wiley & Sons. стр. xi. ISBN 0470871180.
9. Голио, Майк; Голио, Джанет (2007). Радиочастотные и микроволновые пассивные и активные технологии. CRC Press. стр. 10.1. ISBN 978-1420006728.
10. Мазда, Ксеркс; Мазда, ФФ (1999). Фокальный иллюстрированный словарь телекоммуникаций. Тейлор и Фрэнсис. стр. 476. ISBN 0240515447.
11.  В этой статье использованы материалы из Федерального стандарта 1037C, являющиеся общественным достоянием . Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22. (в поддержку MIL-STD-188 ). Определение фазированной решетки. Архивировано 21 октября 2004 г. на Wayback Machine . Доступ 27 апреля 2006 г.
12. Sturdivant, Rick; Quan, Clifton; Chang, Enson (2018). Системная инженерия фазированных решеток . Artech House. ISBN 978-1630814885.
13. Sturdivant, Rick; Harris, Mike (2015). Модули приема-передачи для радаров и систем связи . Норвуд, Массачусетс: Artech House. ISBN 978-1608079797.
14. Пандей, Анил (2019). Практическая разработка микрополосковых и печатных антенн. Bostan: Artech House. стр. 443. ISBN 9781630816681.
15. Браун, Карл Фердинанд (1967) [Доставлено 11 декабря 1909 г.]. «Электрические колебания и беспроволочная телеграфия». Нобелевские лекции по физике 1901–1921 гг. Амстердам: Elsevier . Получено 29 июля 2023 г. – через nobelprize.org.Нобелевская лекция Брауна. Раздел о фазированной решетке находится на страницах 239–240.
16. "Die Strassburger Versurche 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) содержится в: 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 29.09.2007 в Wayback Machine Mamut1 первый радар раннего предупреждения PESA
18. WJ Evanzia. «Более быстрые и легкие 3-D радары для тактической войны». Электроника. 1966. стр. 81, 83, 87.
19. "Полностью интегрированный 24 ГГц 8-лучевой фазированный приемник в кремнии" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2018-05-11.
20. "Передатчик с фазированной решеткой 24 ГГц в 0,18 мкм КМОП" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2018-05-11.
21. "77 ГГц 4-элементный фазированный приемник с дипольными антеннами на кристалле в кремнии" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2018-05-11.
22. "77 ГГц фазированный передатчик с локальным гетеродином с фазовым сдвигом в кремнии" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2015-09-09.
23. Самая сложная в мире кремниевая фазированная решетка разработана в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Архивировано 25 декабря 2007 г. на Wayback Machine в UCSD News (обзор 2 ноября 2007 г.)
24. См. Джозеф Спрэдли, «Объемная электрически сканируемая двумерная микроволновая антенная решетка», Протокол национального съезда IRE, Часть I – Антенны и распространение радиоволн; Микроволны, Нью-Йорк: Институт радиоинженеров, 1958, 204–212.
25. "AEGIS Weapon System MK-7". Jane's Information Group . 2001-04-25. Архивировано из оригинала 1 июля 2006 года . Получено 10 августа 2006 года ..
26. Скотт, Ричард (апрель 2006 г.). «Сингапур движется к реализации своих грозных амбиций». Jane's Navy International . 111 (4): 42–49.
27. Corum, Jonathan (30 апреля 2015 г.). «Messenger's Collision Course With Mercury». New York Times . Архивировано из оригинала 10 мая 2015 г. Получено 10 мая 2015 г.
28. Уоллис, Роберт Э.; Ченг, Шенг. "Phased-Array Antenna System for the MESSENGER Deep Space Mission" (PDF) . Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory . Архивировано из оригинала (PDF) 18 мая 2015 года . Получено 11 мая 2015 года .
29. Национальное управление океанических и атмосферных исследований . PAR Backgrounder Архивировано 2006-05-09 на Wayback Machine . Доступно 6 апреля 2006 г.
30. Otsuka, Shigenori; Tuerhong, Gulanbaier; Kikuchi, Ryota; Kitano, Yoshikazu; Taniguchi, Yusuke; Ruiz, Juan Jose; Satoh, Shinsuke; Ushio, Tomoo; Miyoshi, Takemasa (февраль 2016 г.). "Precipitation Nowcasting with Three-Dimensional Space–Time Extrapolation of Dense and Frequent Phased-Array Weather Radar Observations". Weather and Forecasting . 31 (1): 329–340. Bibcode : 2016WtFor..31..329O. doi : 10.1175/WAF-D-15-0063.1.
31. PD Trinh, S. Yegnanarayanan, F. Coppinger и B. Jalali Фазированный волновой мультиплексор/демультиплексор на основе кремния-на-изоляторе (SOI) с чрезвычайно низкой чувствительностью к поляризации. Архивировано 08.12.2005 в Wayback Machine , IEEE Photonics Technology Letters , том 9, № 7, июль 1997 г.
32. "Электронное двумерное управление лучом для интегрированных оптических фазированных решеток" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2017-08-09.
33. "Гетеродная камера OPA 8x8 без линз" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2017-07-13.
34. "Одномерная гетеродинная камера OPA без линз" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2017-07-22.
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 . Получено 2015-12-30 .
36. "Mojix Star System" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 мая 2011 . Получено 24 октября 2014 .
37. "Airborne Ultrasound Tactile Display". Архивировано из оригинала 18 марта 2009 года.SIGGRAPH 2008, бортовой ультразвуковой тактильный дисплей
38. "Touchable Holography". Архивировано из оригинала 2009-08-31 . Получено 2009-08-22 .SIGGRAPH 2009, Осязаемая голография
39. Хей, С.Г.; О'Салливан, Дж.Д. (2008). "Анализ синфазных эффектов в двухполяризованной плоской связанной антенной решетке". Radio Science . 43 (6): RS6S04. Bibcode :2008RaSc...43.6S04H. doi : 10.1029/2007RS003798 .
40. "Антенные решетки: вычислительный подход". IEEE . Получено 2023-05-20 .
41. Баланис, Константин А. (2015). Теория антенн: анализ и проектирование, 4-е изд. John Wiley & Sons. ISBN 978-1119178989.
42. Активные электронно-управляемые решетки – развивающаяся технология (ausairpower.net)
43. "Фазовый сдвигатель на основе YIG-сферы для фазированных антенных решеток в диапазоне X". Scholarworks. Архивировано из оригинала 27.05.2014.
44. "Сегнетоэлектрические фазовращатели". Микроволны 101. Архивировано из оригинала 2012-09-13.
45. "Исследование случая снижения общей стоимости владения: фазовращатели радаров AEGIS" (PDF) . Военно-морская аспирантура. Архивировано (PDF) из оригинала 2016-03-03.

Внешние ссылки

• Исследования и разработки радаров — фазированный радар — Национальная лаборатория сильных штормов
• Судовые фазированные антенные решетки. Архивировано 18 ноября 2017 г. на Wayback Machine.
• Отчет НАСА: MMIC для многолучевых сканирующих антенн для космических применений
• Принцип фазированной решетки
• Микрофонная система «Фазовая решетка» Тони Фолкнера
• Принципы систем фазированных решеток - Учебник 1