Фазированная антенная решетка - Phased array

Эта статья посвящена общей теории электромагнитной фазированной решетки. По применению ультразвуковой и медицинской визуализации см. Ультразвук с фазированной решеткой. Для оптического применения см. Фазированная оптика.

Анимация, показывающая, как работает фазированная решетка. Он состоит из массива антенных элементов. (А) питание от передатчик (Техас). Питающий ток для каждой антенны проходит через фазовращатель (φ) управляется компьютером (С). Движущиеся красные линии показывают фронты радиоволн, излучаемых каждым элементом. Отдельные волновые фронты сферические, но они сочетаются (совмещать ) перед антенной, чтобы создать плоская волна, луч радиоволн, движущийся в определенном направлении. Фазовращатели задерживают радиоволны, постепенно идущие вверх по линии, поэтому каждая антенна излучает свой волновой фронт позже, чем тот, который находится под ней. Это приводит к тому, что результирующая плоская волна направляется под углом θ к оси антенны. Изменяя фазовый сдвиг, компьютер может мгновенно изменить угол. θ балки. Большинство фазированных решеток имеют двумерные решетки антенн вместо линейной решетки, показанной здесь, и луч можно направлять в двух измерениях. Показано, что скорость радиоволн сильно замедлена.

Анимация, показывающая диаграмма направленности фазированной решетки из 15 антенных элементов, разнесенных на четверть длины волны, как разность фаз между соседними антеннами развертка составляет от -120 до 120 градусов. Темная область - это луч или главная доля, а световые линии, расходящиеся веером вокруг него, боковые лепестки.

В антенна теория, фазированная решетка обычно означает электронно-сканированная матрица, управляемый компьютером массив антенн который создает луч радиоволн, который можно направлять в разные стороны с помощью электроники, не перемещая антенны.^{[1][2][3][4][5][6][7][8]}

В простом антенная решетка, радиочастотный ток от передатчик подается на отдельные антенны с правильным фаза Таким образом, радиоволны от отдельных антенн складываются, чтобы увеличить излучение в желаемом направлении, и отменяются, чтобы подавить излучение в нежелательных направлениях. В фазированной решетке мощность от передатчика подается на антенны через устройства, называемые фазовращатели, управляемый компьютерной системой, которая может изменять фазу электронным способом, таким образом направляя луч радиоволн в другом направлении. Поскольку для достижения высокого усиления решетка должна состоять из множества маленьких антенн (иногда тысяч), фазированные антенные решетки в основном практичны на высоких частотах. частота конец радиоспектра, в УВЧ и микроволновая печь диапазоны, в которых элементы антенны удобно маленькие.

Были изобретены фазированные решетки для использования в вооруженных силах. радар системы, чтобы быстро направить луч радиоволн по небу для обнаружения самолетов и ракет. Эти системы сейчас широко используются и распространились на гражданское применение. Принцип фазированной решетки также используется в акустика, а фазированные решетки акустические преобразователи используются в медицинских ультразвуковая визуализация сканеры (УЗИ с фазированной решеткой ), разведка нефти и газа (сейсмология отражений ), и военные сонар системы.

Термин «фазированная решетка» также в меньшей степени используется для неуправляемых антенные решетки в котором фаза мощности питания и, следовательно, диаграмма направленности антенной решетки фиксированы.^[6][9] Например, радиовещательные AM-антенны, состоящие из нескольких мачтовые радиаторы подаются так, чтобы создать определенную диаграмму направленности, также называемые «фазированными решетками».

Типы

Фазированные решетки могут иметь несколько форм. Однако четыре наиболее распространенных - это пассивная фазированная матрица (PESA), активная матрица с электронным сканированием (AESA), гибридная фазированная матрица с формированием луча и матрица с цифровым формированием луча (DBF).^[10]

А пассивная фазированная антенная решетка или же пассивная матрица с электронным сканированием (PESA) представляет собой фазированную решетку, в которой элементы антенны подключены к одному передатчик и / или приемник, как показано на анимации вверху^{[требуется разъяснение ]}. PESA - наиболее распространенный тип фазированных решеток. Вообще говоря, PESA использует один приемник / возбудитель для всего массива.

An активная фазированная антенная решетка или же активная матрица с электронным сканированием (AESA) представляет собой фазированную решетку, в которой каждый антенный элемент имеет аналоговый модуль передатчика / приемника (T / R).^[11] который создает фазовый сдвиг, необходимый для электронного управления антенным лучом. Активные матрицы - это более совершенная технология фазированных решеток второго поколения, которая используется в военных приложениях; В отличие от PESA, они могут излучать несколько лучей радиоволн на нескольких частотах одновременно в разных направлениях. Однако количество одновременных лучей ограничено практическими соображениями электронной упаковки формирователя (ов) луча примерно до трех одновременных лучей для AESA. К каждому формирователю луча подключен приемник / возбудитель.

А фазированная антенная решетка с гибридным формированием луча можно рассматривать как комбинацию AESA и фазированной антенной решетки, формирующей цифровой луч. Он использует подмассивы, которые являются активными фазированными массивами (например, подмассив может состоять из 64, 128 или 256 элементов, а количество элементов зависит от требований системы). Подмассивы объединяются вместе, чтобы сформировать полный массив. Каждая подматрица имеет свой собственный цифровой приемник / возбудитель. Этот подход позволяет создавать группы одновременных лучей.

А фазированная антенная решетка с цифровым формированием луча (DBF) имеет цифровой приемник / возбудитель на каждом элементе массива. Сигнал на каждом элементе оцифровывается приемником / возбудителем. Это означает, что антенные лучи могут быть сформированы в цифровом виде в программируемой вентильной решетке (FPGA) или в матричном компьютере. Этот подход позволяет формировать несколько одновременных антенных лучей.

Одна возможная физическая реализация фазированной решетки называется конформная антенна.^[12] Это фазированная решетка, в которой отдельные антенны вместо того, чтобы располагаться в плоской плоскости, установлены на изогнутой поверхности. Фазовращатели компенсируют различную длину пути волн из-за разного положения антенных элементов на поверхности, что позволяет решетке излучать плоскую волну. Конформные антенны используются в самолетах и ​​ракетах, чтобы интегрировать антенну в изогнутую поверхность самолета, чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление.

История

Фердинанд Браун Направленная антенна 1905 года, в которой использовался принцип фазированной решетки, состоящий из 3-х несимметричных антенн в равностороннем треугольнике. Четвертьволновая задержка в фиде одной антенны заставила решетку излучать луч. Задержку можно было вручную переключить на любой из 3-х каналов, повернув луч антенны на 120 °.

нас Проложить лапы активная фазированная антенная решетка Радар обнаружения баллистических ракет на Аляске. Построенная в 1979 году, это была одна из первых активных фазированных решеток.

Крупный план некоторых из 2677 скрещенных дипольных антенных элементов, составляющих плоскую решетку. Эта антенна давала узкий «карандашный» луч шириной всего 2,2 °.

BMEWS & Проложить лапы Радары

Маммут радар с фазированной антенной решеткой Вторая Мировая Война

Передача с фазированной антенной решеткой была впервые показана в 1905 г. Нобелевская лауреат Карл Фердинанд Браун кто продемонстрировал повышенную передачу радио волны в одном направлении.^[13][14] В течение Вторая Мировая Война, Нобелевский лауреат Луис Альварес использовала фазированную решетку в быстром управляемый радар система для "наземный подход ", система помощи при посадке самолетов. В то же время GEMA в Германии построила Маммут 1.^[15] Позже он был адаптирован для радиоастрономия ведущий к Нобелевские премии по физике за Энтони Хьюиш и Мартин Райл после разработки нескольких больших фазированных решеток на Кембриджский университет. Этот дизайн также используется для радар, и обобщается в интерферометрический радиоантенны.

В 2004 г. Калтех Исследователи продемонстрировали первый интегрированный приемник на основе кремния с фазированной решеткой на частоте 24 ГГц с 8 элементами.^[16] За этим последовала демонстрация передатчика CMOS с фазированной решеткой 24 ГГц в 2005 году.^[17] и полностью интегрированный приемопередатчик с фазированной антенной решеткой 77 ГГц со встроенными антеннами в 2006 г.^[18][19] командой Калтеха. В 2007, DARPA Исследователи объявили о 16-элементной фазированной антенной решетке радара, которая также была интегрирована со всеми необходимыми схемами на одном кремниевом чипе и работала на частоте 30–50 ГГц.^[20]

Относительная амплитуды конструктивных и деструктивных вмешательство эффекты среди - сигналы, излучаемые отдельными антеннами, определяют эффективную диаграмма направленности массива. Фазированная решетка может использоваться для наведения фиксированной диаграммы направленности или для сканировать быстро в азимут или возвышение. Одновременное электрическое сканирование по азимуту и ​​углу места впервые было продемонстрировано в фазированной антенной решетке в Hughes Aircraft Company, Калифорния в 1957 году.^[21]

Приложения

Вещание

В радиовещание, фазированные решетки используются многими AM трансляция радиостанции усилить сила сигнала и, следовательно, освещение в город лицензии, минимизируя вмешательство в другие районы. Из-за разницы между дневным и ночным временем ионосферный распространение в средняя волна частоты, как правило, радиостанции AM изменяются между днями (грунтовая волна ) и ночь (небесная волна ) диаграммы направленности путем переключения фаза и уровни мощности, подаваемые на отдельные антенные элементы (мачтовые радиаторы ) ежедневно в Восход солнца и закат солнца. За коротковолновый В радиопередачах многие станции используют массивы горизонтальных диполей. Обычная схема использует 16 диполей в решетке 4 × 4. Обычно это перед отражателем из проволочной сетки. Фазирование часто можно переключать, чтобы Управление лучом по азимуту, а иногда и по высоте.

Частные радиолюбители могут использовать более скромные системы антенн с фазированной антенной решеткой для приема длинноволновых, средневолновых (AM) и коротковолновых радиопередач с больших расстояний.

На УКВ, фазированные решетки широко используются для FM-вещание. Это значительно увеличивает усиление антенны, увеличивая излучаемую радиочастотную энергию в сторону горизонт, что, в свою очередь, значительно увеличивает диапазон вещания. В этих ситуациях расстояние до каждого элемента от передатчика одинаково или равно одному (или другому целое число ) длины волны друг от друга. Фазирование массива таким образом, что нижние элементы немного задерживаются (за счет увеличения расстояния до них), вызывает нисходящее наклон луча, что очень полезно, если антенна расположена достаточно высоко на радиовышка.

Другие настройки фазировки могут увеличить нисходящее излучение в дальнее поле не наклоняя основной мочка, создавая пустая заливка чтобы компенсировать чрезвычайно высокий вершина горы местоположений, или уменьшите его в ближнее поле, чтобы предотвратить чрезмерное воздействие на этих рабочих или даже ближайших домовладельцев на земле. Последний эффект также достигается за счет полуволнового интервала - вставки дополнительных элементов посередине между существующими элементами с полуволновым интервалом. Эта фазировка обеспечивает примерно такое же усиление по горизонтали, что и двухволновое разнесение; то есть пятиэлементная антенная решетка с полуволновым интервалом равна девяти- или десятиэлементной полуволновой решетке.

Радар

Радиолокационные системы с фазированной антенной решеткой также используются военные корабли многих флотов. Из-за скорости, с которой луч можно направить, радары с фазированной антенной решеткой позволяют военному кораблю использовать один радар система обнаружения и сопровождения поверхности (поиск кораблей), обнаружения и слежения за воздухом (обнаружение самолетов и ракет) и возможности восходящей линии связи ракет. Перед использованием этих систем каждый ракета земля-воздух в полете требовался специальный радар управления огнем Это означало, что оружие с радиолокационным наведением могло поражать только небольшое количество одновременных целей. Системы фазированной антенной решетки могут использоваться для управления ракетами на средней фазе полета ракеты. Во время конечной части полета непрерывная волна Начальники управления огнем обеспечивают окончательное наведение на цель. Поскольку диаграмма направленности антенны с электронным управлением системы с фазированной антенной решеткой могут направлять лучи радара достаточно быстро, чтобы поддерживать качество управления огнем отслеживать множество целей одновременно, одновременно управляя несколькими ракетами в полете.

Радар с активной фазированной решеткой установлен на вершине Саксонияфрегат класса F220 Гамбург надстройка Немецкий флот

В AN / SPY-1 РЛС с фазированной антенной решеткой, часть Боевая система Aegis развернуты на современных США крейсеры и разрушители, «способен одновременно выполнять функции поиска, сопровождения и наведения ракет с возможностью поражения более 100 целей».^[22] Точно так же Фалес Геракл Многофункциональная РЛС с фазированной антенной решеткой, используемая на вооружении Франция и Сингапур имеет возможность отслеживания 200 целей и может обеспечить автоматическое обнаружение цели, подтверждение и инициирование отслеживания за одно сканирование, одновременно предоставляя обновления наведения на полпути для MBDA Aster ракеты, запущенные с корабля.^[23] В Немецкий флот и Королевский флот Нидерландов разработали Радар с активной фазированной решеткой Система (APAR). В МИМ-104 Патриот и другие наземные зенитные системы используют радар с фазированной антенной решеткой для аналогичных преимуществ.

Фазированные решетки используются в морских гидролокаторах, в активных (передача и прием) и пассивных (только прием), а также в корпусных и гидролокатор с буксируемой антенной решеткой.

Смотрите также: Радар с активной фазированной решеткой, SMART-L, Активная матрица с электронным сканированием, Боевая система Aegis, и AN / SPY-1

Связь с космическим зондом

В МЕССЕНДЖЕР космический корабль был Космический зонд миссия на планету Меркурий (2011–2015^[24]). Это была первая миссия в дальний космос, в которой использовалась фазированная антенная решетка для коммуникации. Излучающие элементы с круговой поляризацией, прорези волноводы. Антенна, в которой используется Группа X, использовала 26 радиационных элементов и могла изящно деградировать.^[25]

Использование погодных исследований

Радиолокационная установка AN / SPY-1A на Национальная лаборатория сильных штормов, Норман, Оклахома. Вмещающий обтекатель обеспечивает защиту от атмосферных воздействий.

В Национальная лаборатория сильных штормов использует фазированную антенную решетку SPY-1A, предоставленную ВМС США, для исследования погоды на своем Норман, 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. В число нынешних участников проекта входят Национальная лаборатория сильных штормов и Центр радиолокационных операций Национальной метеорологической службы, Локхид Мартин, ВМС США, Университет Оклахомы Школа метеорологии, Школа электротехники и компьютерной инженерии, и Центр атмосферных радиолокационных исследований, Регенты штата Оклахома по высшему образованию, Федеральная авиационная администрация, и Базовая торговля и промышленность. Проект включает исследования и разработки, будущее передача технологии и возможное развертывание системы по всей территории Соединенных Штатов. Ожидается, что на его завершение уйдет от 10 до 15 лет, а первоначальная стоимость строительства составила около 25 миллионов долларов.^[26] Команда из японского передового института вычислительных наук RIKEN (AICS) начала экспериментальную работу по использованию радара с фазированной антенной решеткой с новым алгоритмом для мгновенные прогнозы погоды.^[27]

Оптика

Основная статья: Фазированная оптика

В видимом или инфракрасном спектре электромагнитных волн можно построить оптические фазированные решетки. Они используются в мультиплексорах длин волн и фильтрах для телекоммуникационных целей,^[28] лазер управление лучом, и голография. Обнаружение гетеродина на синтетической матрице это эффективный метод для мультиплексирование целая фазированная решетка на один элемент фотоприемник. Формирование динамического луча 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.^[29] Приемники с оптическими фазированными решетками продемонстрировали способность действовать как безлинзовые камеры, выборочно глядя в разные стороны.^[30][31]

Спутниковые трансиверы широкополосного интернета

Starlink это низкая околоземная орбита спутниковая группировка строится по состоянию на 2020 год^{[Обновить]}. Он разработан для обеспечения потребителей широкополосным доступом в Интернет; пользовательские терминалы системы будут использовать фазированные антенные решетки.^[32]

Радиочастотная идентификация (RFID)

К 2014 году фазированные антенные решетки были интегрированы в RFID систем для увеличения зоны покрытия одной системы на 100% до 76 200 м² (820 000 кв. Футов) при использовании традиционных пассивных УВЧ теги.^[33]

Человеко-машинный интерфейс (HMI)

Фазированная матрица акустических преобразователей, названная тактильным дисплеем с воздушным ультразвуком (AUTD), была разработана в 2008 году в лаборатории Шинода Токийского университета для создания тактильной обратной связи.^[34] Эта система была продемонстрирована, чтобы позволить пользователю интерактивно манипулировать виртуальными голографическими объектами.^[35]

Радиоастрономия

Фазы с фазированной решеткой (PAF)^[36] недавно использовались в центре внимания радиотелескопы обеспечить много лучей, что дает радиотелескопу очень широкий поле зрения. Два примера - это АСКАП телескоп в Австралия и обновление Apertif до Вестерборкский радиотелескоп синтеза в Нидерланды.

Математическая перспектива и формулы

Воспроизвести медиа

Диаграмма направленности фазированной решетки, содержащей 7 эмиттеров, разнесенных на четверть длины волны, показывающая направление переключения луча. Фазовый сдвиг между соседними излучателями переключается с 45 градусов на -45 градусов.

Диаграмма направленности фазированной решетки в полярной системе координат.

Математически фазированная решетка является примером N-щелка дифракция, в котором поле излучения в точке приема является результатом когерентного сложения N точечные источники в строке. Поскольку каждая отдельная антенна действует как щель, излучающая радиоволны, их дифракционная картина может быть вычислена путем добавления фазового сдвига φ к окантовке.

Мы начнем с N-щелевая дифракционная картина, полученная на дифракционный формализм страница, с ${\displaystyle N}$ прорези одинакового размера ${\displaystyle a}$ и интервал ${\displaystyle d}$.

${\displaystyle \psi =\psi _{0}\,{\frac {\sin \left({\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta \right)}{{\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta }}\,{\frac {\sin \left({\frac {N}{2}}kd\sin \theta \right)}{\sin \left({\frac {kd}{2}}\sin \theta \right)}}}$

Теперь, добавив член φ к ${\textstyle kd\sin \theta \,}$ краевой эффект во втором члене дает:

${\displaystyle \psi =\psi _{0}\,{\frac {\sin \left({\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta \right)}{{\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta }}\,{\frac {\sin \left({\frac {N}{2}}\left({\frac {2\pi d}{\lambda }}\sin \theta +\phi \right)\right)}{\sin \left({\frac {\pi d}{\lambda }}\sin \theta +{\frac {\phi }{2}}\right)}}}$

Возведение волновой функции в квадрат дает нам интенсивность волны.

${\displaystyle {\begin{aligned}I&=I_{0}\left({\frac {\sin \left({\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta \right)}{{\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta }}\right)^{2}\left({\frac {\sin \left({\frac {N}{2}}\left({\frac {2\pi d}{\lambda }}\sin \theta +\phi \right)\right)}{\sin \left({\frac {\pi d}{\lambda }}\sin \theta +{\frac {\phi }{2}}\right)}}\right)^{2}\\I&=I_{0}\left({\frac {\sin \left({\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta \right)}{{\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta }}\right)^{2}\left({\frac {\sin \left({\frac {\pi }{\lambda }}Nd\sin \theta +{\frac {N}{2}}\phi \right)}{\sin \left({\frac {\pi d}{\lambda }}\sin \theta +{\frac {\phi }{2}}\right)}}\right)^{2}\end{aligned}}}$

Теперь разместите излучатели на расстоянии ${\textstyle d={\frac {\lambda }{4}}}$ Кроме. Это расстояние выбрано для простоты расчета, но его можно отрегулировать как любую скалярную долю длины волны.

${\displaystyle I=I_{0}{{\left({\frac {\sin \left({\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta \right)}{{\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta }}\right)}^{2}}{{\left({\frac {\sin \left({\frac {\pi }{4}}N\sin \theta +{\frac {N}{2}}\phi \right)}{\sin \left({\frac {\pi }{4}}\sin \theta +{\frac {\phi }{2}}\right)}}\right)}^{2}}}$

Поскольку синус достигает максимума при ${\textstyle {\frac {\pi }{2}}}$, мы устанавливаем числитель второго члена = 1.

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\pi }{4}}N\sin \theta +{\frac {N}{2}}\phi &={\frac {\pi }{2}}\\\sin \theta &=\left({\frac {\pi }{2}}-{\frac {N}{2}}\phi \right){\frac {4}{N\pi }}\\\sin \theta &={\frac {2}{N}}-{\frac {2\phi }{\pi }}\end{aligned}}}$

Таким образом, как N становится больше, термин будет преобладать ${\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {2\phi }{\pi }}\end{matrix}}}$ срок. Поскольку синус может колебаться между -1 и 1, мы можем видеть, что настройка ${\displaystyle \phi =-{\begin{matrix}{\frac {\pi }{2}}\end{matrix}}}$ направит максимальную энергию на угол, задаваемый

${\displaystyle \theta =\sin ^{-1}1={\frac {\pi }{2}}=90^{\circ }}$

Вдобавок мы видим, что если мы хотим отрегулировать угол, под которым излучается максимальная энергия, нам нужно только отрегулировать фазовый сдвиг φ между последовательными антеннами. Действительно, фазовый сдвиг соответствует отрицательному углу максимального сигнала.

Аналогичный расчет покажет, что знаменатель минимизируется тем же фактором.

Различные типы фазированных решеток

Основная статья: Формирование луча

Есть два основных типа формирователей луча. Это область времени формирователи луча и частотная область формирователи луча.

Градуированное окно ослабления иногда применяется на лицевой стороне решетки 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 вместе. А Матрица дворецкого позволяет формировать несколько лучей одновременно или сканировать один луч по дуге. Наиболее распространенным видом формирователя луча во временной области является змеевидный волновод. В конструкциях активных фазированных решеток используются отдельные линии задержки, которые включаются и выключаются. Иттрий-железный гранат фазовращатели изменяют фазовую задержку, используя силу магнитного поля.

Существует два разных типа формирователей луча в частотной области.

Первый тип разделяет различные частотные компоненты, которые присутствуют в принятом сигнале, на несколько частотных элементов разрешения (используя либо Дискретное преобразование Фурье (DFT) или банк фильтров ). Когда к каждому частотному элементу применяются разные формирователи диаграммы направленности задержки и суммирования, в результате главный лепесток одновременно указывает в нескольких разных направлениях на каждой из разных частот. Это может быть преимуществом для каналов связи и используется с СПС-48 радар.

Другой тип формирователя диаграммы направленности в частотной области использует пространственную частоту. Дискретные выборки берутся из каждого отдельного элемента массива. Образцы обрабатываются с помощью ДПФ. ДПФ вводит несколько различных дискретных фазовых сдвигов во время обработки. Выходы DFT - это отдельные каналы, которые соответствуют равномерно распределенным лучам, сформированным одновременно. Одномерное ДПФ создает веер из разных лучей. Двумерное ДПФ создает лучи с ананас конфигурация.

Эти методы используются для создания двух типов фазированных решеток.

• Динамический - для перемещения луча используется набор переменных фазовращателей.
• Фиксированное - положение луча неподвижно по отношению к лицевой стороне решетки, а вся антенна перемещается

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

• Активный - усилители или процессоры есть в каждом элементе фазовращателя
• Пассивный - большой центральный усилитель с ослабляющими фазовращателями

Динамическая фазированная решетка

Каждый элемент матрицы включает в себя регулируемый фазовращатель, которые все вместе используются для перемещения луча относительно лицевой стороны матрицы.

Динамическая фазированная решетка не требует физического движения для наведения луча. Луч перемещается электронным способом. Это может вызвать движение антенны достаточно быстро, чтобы использовать небольшой стержневой луч для одновременного отслеживания нескольких целей при поиске новых целей с использованием всего одного радара (отслеживание во время поиска).

Например, антенне с углом луча 2 градуса и частотой следования импульсов 1 кГц потребуется примерно 8 секунд для покрытия всей полусферы, состоящей из 8000 точек наведения. Эта конфигурация предоставляет 12 возможностей для обнаружения транспортного средства с 1000 м / с (2200 миль / ч; 3600 км / ч) на расстоянии 100 км (62 мили), что подходит для военных целей.^{[нужна цитата ]}

Можно предсказать положение антенн с механическим управлением, которое можно использовать для создания электронные средства противодействия мешающие работе радара. Гибкость, возникающая в результате работы с фазированной антенной решеткой, позволяет направлять лучи в случайные точки, что устраняет эту уязвимость. Это также желательно для военных приложений.

Фиксированная фазированная решетка

Антенная мачта, состоящая из фиксированной фазы коллинеарной антенной решетки с четырьмя элементами

Антенны с фиксированной фазированной решеткой обычно используются для создания антенны с более желаемым форм-фактором, чем обычные параболический отражатель или же отражатель кассегрена. Фиксированные фазированные решетки включают фиксированные фазовращатели. Например, большинство коммерческих FM-радио и телевизионных антенных вышек используют коллинеарная антенная решетка, представляющий собой фиксированную фазированную решетку 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 смежных балок

В СПС-48 радар использует несколько частот передачи с извилистой линией задержки вдоль левой стороны решетки, чтобы создать вертикальный веер из сложенных лучей. Каждая частота испытывает различный фазовый сдвиг при распространении по змеевидной линии задержки, которая формирует разные лучи. Набор фильтров используется для разделения отдельных приемных лучей. Антенна вращается механически.

Полуактивная радиолокационная система самонаведения использует моноимпульсный радар который основан на фиксированной фазированной решетке для создания нескольких соседних лучей, которые измеряют угловые ошибки. Этот форм-фактор подходит для подвес установка в ГСН.

Активная фазированная решетка

Активные матрицы с электронным сканированием (AESA) элементы включают усиление передачи с сдвиг фазы в каждом антенный элемент (или группа элементов). Каждый элемент также включает в себя предварительное усиление приема. Настройка фазовращателя одинакова для передачи и приема.^[37]

Активные фазированные решетки не требуют сброса фазы после окончания передающего импульса, что совместимо с Доплеровский радар и импульсно-доплеровский радар.

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 аналогичной технологией.^[38][39]

Процесс фазового сдвига, используемый с пассивными фазированными решетками, обычно помещает приемный луч и передающий луч в диагонально противоположные квадранты. Знак фазового сдвига должен быть инвертирован после окончания импульса передачи и до начала периода приема, чтобы приемный луч находился в том же месте, что и передающий луч. Для этого требуется фазовый импульс, который ухудшает характеристики видимости суб-препятствий на доплеровском радаре и импульсном доплеровском радаре. В качестве примера, Иттрий-железный гранат фазовращатели необходимо менять после гашения передающего импульса и до начала обработки приемника для выравнивания передающего и принимаемого лучей. Этот импульс вызывает ЧМ-шум, который ухудшает качество изображения.

В боевой системе AEGIS используется конструкция пассивной фазированной решетки.^[40] за направление прибытия оценка.

Смотрите также

• Электронный портал

• Активная матрица с электронным сканированием
• Антенная решетка
• Синтез апертуры
• Формирование луча
• Интерферометрический радар с синтезированной апертурой
• Обратный радар с синтезированной апертурой
• Многопользовательский MIMO
• Обнаружение оптического гетеродина
• Ультразвук с фазированной решеткой
• Фазированная оптика
• Радар МАСИНТ
• Гидролокатор бокового обзора
• Одночастотная сеть
• Умная антенна
• Радар с синтезированной апертурой
• Эхолот с синтетической апертурой
• Радар с синтетической утоненной апертурой
• Проклятие утонченного массива
• Синтез волнового поля
• История умных антенн
• Реконфигурируемая антенна

Рекомендации

1. Миллиган, Томас А. (2005). Современный дизайн антенн, 2-е изд.. Джон Вили и сыновья. ISBN  0471720607.
2. Баланис, Константин А. (2015). Теория антенн: анализ и конструкция, 4-е изд.. Джон Вили и сыновья. С. 302–303. ISBN  978-1119178989.
3. Stutzman, Warren L .; Тиле, Гэри А. (2012). Теория и конструкция антенны. Джон Вили и сыновья. п. 315. ISBN  978-0470576649.
4. Лида, Такаши (2000). Спутниковая связь: система и технология ее проектирования. IOS Press. ISBN  4274903796.
5. Лапланте, Филипп А. (1999). Большой словарь по электротехнике. Springer Science and Business Media. ISBN  3540648356.
6. Виссер, Хубрегт Дж. (2006). Основы антенной решетки и фазированной решетки. Джон Вили и сыновья. стр. xi. ISBN  0470871180.
7. Голио, Майк; Голио, Джанет (2007). ВЧ и СВЧ пассивные и активные технологии. CRC Press. п. 10.1. ISBN  978-1420006728.
8. Mazda, Xerxes; Mazda, Ф. Ф. (1999). Фокальный иллюстрированный словарь по телекоммуникациям. Тейлор и Фрэнсис. п. 476. ISBN  0240515447.
9. Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Администрация общих служб документ: «Федеральный стандарт 1037С». (в поддержку MIL-STD-188 ) Определение фазированной решетки В архиве 2004-10-21 на Wayback Machine. По состоянию на 27 апреля 2006 г.
10. Стурдивант, Куан, Чанг (2018). Системная инженерия фазированных решеток. Артек Хаус. ISBN  978-1630814885.
11. Стердивант, Харрис (2015). Модули приема передачи для радаров и систем связи. Норвуд, Массачусетс: Artech House. ISBN  978-1608079797.
12. Панди, Анил (2019). Практичный дизайн микрополосковой и печатной антенны. Бостан: Artech House. п. 443. ISBN  9781630816681.
13. «Архивная копия» (PDF). В архиве (PDF) из оригинала от 06.07.2008. Получено 2009-04-22. Лекция Брауна о вручении Нобелевской премии. Раздел фазированных решеток находится на страницах 239–240.
14. "Die Strassburger Versuche über gerichtete drahtlose Telegraphie" (Страсбургские эксперименты по направленной беспроводной телеграфии), Elektrotechnische und Polytechnische Rundschau (Обзор электротехники и политехники [еженедельно]) (1 ноября 1905 г.). Эта статья резюмируется (на немецком языке) в: Adolf Prasch, ed., Die Fortschritte auf dem Gebiete der Drahtlosen Telegraphie [Прогресс в области беспроволочного телеграфирования] (Штутгарт, Германия: Фердинанд Энке, 1906), т. 4, страницы 184–185.
15. http://www.100jahreradar.de/index.html?/gdr_5_deutschefunkmesstechnikim2wk.html В архиве 2007-09-29 на Wayback Machine Mamut1 первый радар раннего предупреждения PESA
16. «Полностью интегрированный 8-лучевой приемник с фазированной решеткой на 24 ГГц в кремнии» (PDF). В архиве (PDF) из оригинала 2018-05-11.
17. "Передатчик с фазированной решеткой 24 ГГц в КМОП-матрице 0,18 мкм" (PDF). В архиве (PDF) из оригинала 2018-05-11.
18. «Четырехэлементный приемник с фазированной решеткой, работающий на частоте 77 ГГц, со встроенными дипольными антеннами из кремния» (PDF). В архиве (PDF) из оригинала 2018-05-11.
19. "Передатчик с фазовой решеткой 77 ГГц с локальным фазовым сдвигом тракта гетеродина в кремнии" (PDF). В архиве (PDF) из оригинала от 09.09.2015.
20. Самый сложный в мире чип с кремниевой фазовой решеткой, разработанный в Калифорнийском университете в Сан-Диего В архиве 2007-12-25 на Wayback Machine в UCSD News (рассмотрено 2 ноября 2007 г.)
21. См. Джозеф Спрэдли, «Объемная двумерная микроволновая антенная решетка с электрическим сканированием», IRE National Convention Record, Часть I - Антенны и распространение радиоволн; Микроволны, Нью-Йорк: Институт радиоинженеров, 1958, 204–212.
22. «Система вооружения AEGIS MK-7». Информационная группа Джейн. 2001-04-25. Архивировано из оригинал 1 июля 2006 г.. Получено 10 августа 2006..
23. Скотт, Ричард (апрель 2006 г.). «Сингапур движется к реализации своих грандиозных амбиций». Jane's Navy International. 111 (4): 42–49.
24. Корум, Джонатан (30 апреля 2015 г.). «Курс столкновения Посланника с Меркурием». Нью-Йорк Таймс. В архиве с оригинала 10 мая 2015 г.. Получено 10 мая 2015.
25. Уоллис, Роберт Э .; Ченг, Шэн. "Антенная система с фазированной решеткой для миссии MESSENGER в глубоком космосе" (PDF). Лаборатория прикладной физики Университета Джона Хопкинса. Архивировано из оригинал (PDF) 18 мая 2015 г.. Получено 11 мая 2015.
26. Национальное управление океанических и атмосферных исследований. Справочная информация по PAR В архиве 2006-05-09 на Wayback Machine. По состоянию на 6 апреля 2006 г.
27. Оцука, Сигенори; Туэрхонг, Гуланбайер; Кикучи, Рёта; Китано, Йошиказу; Танигучи, Юсуке; Руис, Хуан Хосе; Сато, Синсукэ; Ушио, Томоо; Миёси, Такемаса (февраль 2016 г.). "Прогнозирование осадков с трехмерной пространственно-временной экстраполяцией плотных и частых наблюдений метеорологических радиолокаторов с фазированной решеткой". Погода и прогнозирование. 31 (1): 329–340. Bibcode:2016WtFor..31..329O. Дои:10.1175 / WAF-D-15-0063.1.
28. П. Д. Тринь, С. Егнанараянан, Ф. Коппингер и Б. Джалали Мультиплексор / демультиплексор с фазированной антенной решеткой на основе кремния на изоляторе (КНИ) с очень низкой поляризационной чувствительностью В архиве 2005-12-08 в Wayback Machine, Письма IEEE Photonics Technology, Vol. 9, No. 7, июль 1997 г.
29. «Электронное управление двумерным лучом для интегрированных оптических фазированных решеток» (PDF). В архиве (PDF) из оригинала от 09.08.2017.
30. "Гетеродинная безобъективная OPA-камера 8x8" (PDF). В архиве (PDF) из оригинала от 13.07.2017.
31. "Одномерная гетеродинная OPA-камера без линз" (PDF). В архиве (PDF) из оригинала от 22.07.2017.
32. 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.
33. "Звездная система Mojix" (PDF). В архиве (PDF) из оригинала 16 мая 2011 г.. Получено 24 октября 2014.
34. «Тактильный дисплей с ультразвуковым дисплеем». Архивировано из оригинал 18 марта 2009 г. SIGGRAPH 2008, Ультразвуковой тактильный дисплей в воздухе
35. «Архивная копия». Архивировано из оригинал 31 августа 2009 г.. Получено 2009-08-22. SIGGRAPH 2009, Сенсорная голография
36. Хэй, С. Г. и О’Салливан, Дж. Д. (2008). «Анализ синфазных эффектов в двухполяризованной планарной антенне с подключенной антенной решеткой». Радио Наука. 43 (6): RS6S04. Дои:10.1029 / 2007RS003798.
37. Активные решетки с электронным управлением - развивающаяся технология (ausairpower.net)
38. "Фазовращатель на основе ЖИГ-сферы для приложений с фазированной решеткой X-диапазона". Научные труды. В архиве из оригинала 27.05.2014.
39. «Сегнетоэлектрические фазовращатели». Микроволны 101. В архиве из оригинала от 13.09.2012.
40. «Практический пример снижения затрат на владение: радарные фазовращатели AEGIS» (PDF). Военно-морская аспирантура. В архиве (PDF) из оригинала от 03.03.2016.

внешняя ссылка

• Исследования и разработки радаров - радар с фазированной решеткой —Национальная лаборатория сильных штормов
• Судовые радары с фазированной решеткой
• Отчет НАСА: MMIC для антенн с несколькими сканирующими лучами для космических приложений
• Принцип фазированной решетки
• Микрофонная система Phased Array Тони Фолкнера
• Программный инструмент для прогнозирования диаграммы направленности антенной решетки