Principiul de funcționare a matricei în faze. Antenă phased array

Mă grăbesc să risipesc posibilul scepticism cu privire la crearea de „muci” cu privire la greutățile inovatorilor din Rusia. Vorbim despre tehnologie minunată și avansată.

Antene foarte sensibile bazate pe o serie de dispersoare pasive controlabile

Această tehnologie poate fi aplicată tipuri variate antene pe o gamă foarte largă de frecvențe de la sute de megaherți la 10 GHz. Tehnologia este complet nouă și nu are analogi.

După cum se știe, antenele phased array (PAA) nu au găsit încă o utilizare pe scară largă în sisteme wireless comunicații disponibile pe piața de masă a echipamentelor de telecomunicații (în rețele WiMax, LTE, 3G, WiFi etc.). Au existat încercări izolate de a crea astfel de sisteme de antene comerciale, dar rezultatele nu au fost potrivite pentru utilizare în masă.

Iar motivul pentru aceasta este costul semnificativ al unor astfel de dispozitive, asociat cu prețul ridicat al elementelor cu microunde (defazate, ghiduri de undă etc.), pe care sunt construite majoritatea sistemelor de antene moderne cu modele de radiații controlate și, mai important, software, care este o sarcină foarte netrivială în cadrul acestei tehnologii.

Între timp, utilizarea unor astfel de antene ar duce la un salt calitativ în capabilitățile de comunicații fără fir.

Privind în perspectivă, voi spune că există deja o soluție, dar mai întâi de toate.

Voi oferi principalele avantaje, o descriere schematică a tehnologiei, opțiuni pentru posibilele aplicații ale tehnologiei și voi oferi un scurt rezumat.

Avantaje

Antenele realizate folosind această tehnologie au următoarele avantaje:

Cost redus - până la 500 USD pentru stații de bazăși până la 100 USD pentru stațiile client;
Generare automată de distribuite rețele fără fir cu multe noduri;
Minimizarea impactului surselor de interferență asupra calității comunicațiilor;
Minimizarea impactului negativ al reflexiilor semnalului de la obiectele din jur asupra calității comunicației;
Determinarea direcției către o sursă de semnal în mișcare;
Consum redus de putere;
Viteză mare de comutare a stărilor finale;
Interfață de comunicare rapidă cu un dispozitiv de calcul;
Precizie ridicată a semnalului de ieșire (tensiune);
Posibilitate de reconfigurare.

Descrierea tehnologiei

Antenele noastre pot fi realizate în două versiuni: cu scanare sectorială și cu scanare circulară.

Antene cu scanare circulară.

Diagrama conceptuală a unei antene extrem de sensibile de 2,4 GHz cu câștig mare și capacitate de scanare sectorială:

Antena constă dintr-o oglindă (a), formată dintr-o matrice tridimensională de difuzoare controlate și un element de transmisie și recepție (alimentator) (b).

Ca difuzoare controlate, se propune utilizarea vibratoarelor electrice încărcate în centru cu o impedanță capacitivă, a căror valoare poate varia. Variația impedanței sarcinii vă permite să reglați faza undei împrăștiate de vibrator. În același timp, se modifică și amplitudinea câmpului împrăștiat. Designul propus (în care difuzoarele sunt amplasate în spațiu și nu în plan) vă permite să schimbați în mod arbitrar poziția relativă a difuzoarelor, ceea ce extinde posibilitățile de optimizare a structurii acestuia pentru a obține anumite caracteristici.

Principiul de funcționare:

Principiul de funcționare al produsului este următorul - pentru a recepționa eficient radiația, valorile de încărcare ale dispersoarelor trebuie selectate astfel încât fazele undelor create de dispersoare să asigure adăugarea optimă a acestor unde la locația elementul transceiver (alimentator).

Pentru implementarea conceptului descris, a fost calculat designul difuzorului - un dipol electric -, precum și arhitectura întregii oglinzi formate din difuzoare. În plus, au fost determinate designul iradiatorului oglindă și locația acestuia în raport cu difuzoarele.

Design difuzor:

Difuzorul este unidirecțional placă de circuit imprimatși este format din brațe dipol (a), un transformator de impedanță - o linie lungă (b), un varicap (c) conectat la o linie lungă, bobine de șunt (d) care separă partea RF a difuzorului de liniile de control (e ), prin care se aplică tensiune offset-urilor varicap. O linie lungă (transformator de impedanță) este introdusă în proiectare pentru a extinde gama de modificări ale impedanței de sarcină la intrarea dipolului.

Măsurătorile probei de testare au arătat că antena are următoarele caracteristici:

Interval de frecvență de operare 2,4 GHz;
Lățimea de bandă a frecvenței de operare de până la 200 MHz;
Câștigul matricei de antene este mai mare de 21 dBi cu o dimensiune a matricei de antene de 60 cm x 100 cm;
Reglarea lobului principal al diagramei de radiație de la -60° la +60° în plan azimutal și de la -15° la +15° în elevație;
Asigurarea stabilității recepției/transmisiei atunci când mediul se schimbă, precum și suportarea modurilor de operare multi-utilizator, îndeplinind în același timp cerințele pentru comutarea de mare viteză a stărilor finale și interfața rapidă.
Viteza medie de transfer de date pentru dispozitivele WiFi (IEEE 802.11b) - 6,85 Mbps la o distanță de 6,5 km
Număr de conexiuni simultane - 135

Modelul antenei de scanare sectorială (trei cifre corespund modelelor deplasate vertical):

Cu toate acestea, principala verigă a tehnologiei este software-ul responsabil pentru generarea modelului de radiație necesar. A fost ales un sistem de control care folosește mecanisme de auto-organizare (auto-tuning) a unei serii de dispersoare.

Versiunea de scanare circulară

Antenele de scanare circulare, construite folosind tehnologia UPR, sunt formate dintr-o antenă coliniară cu mai multe niveluri, înconjurată de un strat de difuzoare pasive cu un design special (calculate ținând cont de influența asupra caracteristicilor lor a unui element activ și a liniilor de control apropiate).

Pentru al doilea tip de antene s-au realizat următoarele caracteristici:

interval de frecvență de operare - 2,4 GHz
lățime de bandă - 100/200 MHz
câștig - până la 8 dBi
intervalul unghiului de scanare - 360 de grade în plan orizontal

Modelul de radiație al antenei cu scanare circulară:

Opțiuni posibile pentru comercializarea tehnologiei

Crearea unui modem 3G/LTE echipat cu o antenă controlată;
Creare Puncte WiFi acces echipat cu antenă controlată;
Crearea de antene cu autoajustare pentru sisteme de comunicații implementate rapid în teritorii nepregătite (inclusiv cele cu un număr mare de noduri);
Crearea de sisteme RFID cu rază lungă de acțiune;
Creare de terminale client pentru sisteme de comunicatii prin satelit;
Crearea sistemelor radar de securitate;
Crearea de sisteme de stabilire a direcției pentru deplasarea obiectelor care se deplasează pe o zonă limitată;
Crearea sistemelor de antene distribuite (tehnologia DAS).

Postfaţă

Este de remarcat faptul că tehnologia a fost dezvoltată temeinic, a fost testată în condiții reale și a dat rezultate excelente.
De asemenea, nu există nicio îndoială că perspectivele pentru această tehnologie sunt extrem de mari, dacă nu să spunem că este viitorul.
Pentru mai mult descriere detaliata Puteți vizualiza prezentarea.

Vă mulțumim pentru atenție. Voi fi bucuros să am întrebări sau comentarii. Și propuneri de investiții.

Dedicat antenelor. Continuând subiectul, vreau să spun habrasociety despre principiile de funcționare a antenelor phased array (PAR). Rețelele în faze sunt utilizate pe scară largă în sistemele radar, apărarea antirachetă, comunicații spațiale; Aplicarea în obiecte civile (comerciale) este complicată de complexitatea producției și costul ridicat. Poate că cineva va fi interesat de subiect și va veni cu o utilizare eficientă a matricelor în faze pentru uz comercial.

Ce este asta?

PAR este un grup de emițători (defazatoare, PV), în care fazele relative ale semnalelor se modifică complex conform unei anumite legi, astfel încât radiația efectivă a PAR este amplificată în direcția dorită și suprimată în toate celelalte. PAR este o matrice, unde elementul matricei este PV, dar bineînțeles PV în spațiu poate avea alte configurații. Figura 1 prezintă radarul de vizualizare a sectorului „Ginger”, care face parte din sistemul de rachete antiaeriene S300B. Puteți vedea atât matricea fază, cât și cornul de iradiere.

Poza 1.

Cum se întâmplă treptarea?

Există o formulă simplă dintr-un curs de fizică: V = c/sqrt(mu*eps). În această formulă, V este viteza de fază a undei electromagnetice, c este viteza luminii în vid, mu este permeabilitatea magnetică, eps este constanta dielectrică. Din această formulă este clar că viteza de fază depinde de mu și epsilon, iar prin modificarea acestor valori putem introduce o întârziere a undei EM prin PV. Prin urmare, PV pot fi ferită (le putem modifica permeabilitatea magnetică) și feroelectrice (le putem schimba constanta dielectrică). Alimentarea defazatoarelor este efectuată prin calea aerului (ca în Fig. 1) sau prin ghiduri de undă (de exemplu, în sistemele de rachete antiaeriene de dimensiuni mici, Fig. 2).

Figura 2. Sistemul de apărare aeriană Tor.

Diagrama matrice în faze din Fig. 4: antena este o linie de emițători, PV este inclus între divizor de putere și emițători. Ferita PV este o ferită analogă cilindrică pe care sunt înfășurate înfășurările de control. Prin modificarea curentului în înfășurările de control (setat de unitatea de control PV), se modifică permeabilitatea magnetică și, în consecință, viteza de fază a undei EM în PV. Astfel, prin schimbarea secvențială a nivelului semnalului de control în înfășurări, procesul de formare a frontului de undă poate fi reprezentat așa cum se arată în Figura 3, 4 (caz unidimensional). Se poate face o analogie cu pietricelele pe care le aruncăm succesiv în apă. O altă analogie a modului în care funcționează matricea fază este o lentilă. Figura 5 arată modificarea formei frontului de undă folosind o lentilă.

Figura 3. Formarea frontului de undă.

Figura 4. Diagrama matrice în faze.

Figura 5.

Figura 6. Model tipic de radiație.

Scanarea electrică asigură crearea diferitelor schimbări de fază pe toată deschiderea și o rată semnificativă de schimbare a acestor schimbări cu pierderi de putere relativ mici. Funcționarea schimbatoarelor de fază este controlată cu o viteză mare sistem electronic, care în cele mai simple cazuri controlează grupuri de elemente (de exemplu, rânduri și coloane în matrice fază plate cu emițători dreptunghiulari), iar în cazurile cele mai complexe, controlează fiecare defazator individual. Fasciculul poate fi balansat în spațiu fie conform unei legi predeterminate, fie conform unui program generat în timpul funcționării întregului dispozitiv radio, care include o rețea în fază.

Desenele articolului pot fi găsite în literatura specificată, cu excepția figurii 3. Pentru o introducere mai detaliată a rețelelor în faze și controlul acestora, vă pot recomanda cartea lui Samoilenko și Shishov, „Controlul antenelor cu matrice fază”.

Literatură:

1. O. G. Vendik, „Phased array antenna - the eyes of a radio engineering system”, 1997.

Direcția electronică a fasciculului transformă antena într-un dispozitiv activ de procesare a semnalului. Cea mai comună formă a unei astfel de antene este o antenă phased array (PAA). Sunt luate în considerare diferite căi controlul undelor electromagnetice în rețele fazate, în special controlul utilizând diode semiconductoare.

Să ne imaginăm o antenă foarte direcțională care asigură comunicarea cu un satelit artificial de Pământ (AES). O astfel de antenă are un fascicul foarte focalizat îndreptat cu precizie către obiectul de comunicație. Un exemplu de astfel de antenă este antena de la sol a stației Orbita, care a fost folosită în primele sisteme de transmisie de televiziune sovietice și care furnizează multi-canal. comunicare telefonică prin satelit. O astfel de antenă este un reflector parabolic cu un diametru de aproximativ zece metri. Pentru a urmări un obiect de comunicație sau de supraveghere radio folosind o astfel de antenă, este necesar să se rotească întreg acest sistem mecanic destul de greu.

Evident, în multe cazuri este nevoie de o antenă în care direcția fasciculului nu este legată de orientarea întregii antene ca structură mecanică. Ai nevoie de o antenă cu mișcare nemecanică a fasciculului sau, cu alte cuvinte, de o antenă cu scanare electronică. Scanarea aici se referă la mișcarea fasciculului antenei, care supraveghează spațiul la un unghi spațial dat. O astfel de antenă este necesară nu numai în sistemele de comunicație cu sateliți, ci și într-un sistem de control al traficului în zona unui aeroport mare. Antenele scanate electronic au jucat și continuă să joace un rol special în sistemele de apărare antirachetă (BMD). De la începutul anilor 1990, antenele scanate electronic au devenit o zonă de interes pentru companiile de automobile. În acest sens, astfel de antene pot deveni un articol de cerere în masă, cum ar fi un televizor color sau un computer personal. Soluția tehnică actuală pentru o antenă cu scanare electronică este prezentată sub forma unei rețele, în nodurile căreia se află cei mai simpli emițători ai undei electromagnetice. Circuitele de putere ale acestor emițători sunt organizate astfel încât radiația emisă de fiecare emițător să fie coerentă cu radiația tuturor emițătorilor, în timp ce faza undelor emise variază după o lege dată. Schimbarea distribuției de fază pe emițători vă permite să formați un fascicul de antenă într-o direcție dată. O astfel de matrice de emițători cu o distribuție controlată a fazelor undelor emise de emițători elementari se numește antenă de tip phased array (PAR). Astfel, termenii antenă de mișcare cu fascicul nemecanic, antenă matrice scanată electronic sau antenă matrice fază sunt practic sinonime.

Ideea că fasciculul unui sistem de emițători coerenți poate fi controlat prin modificarea distribuției fazelor pe emițători a fost exprimată cu mult timp în urmă. Una dintre primele antene nemecanice de direcție a fasciculului a fost construită pentru legătura radiotelefonică transatlantică în 1937. Această antenă, având o directivitate destul de mare, a făcut posibilă schimbarea direcției de recepție a razelor în plan vertical și astfel selectarea direcției de sosire a razelor care au fost cel mai puțin atenuate atunci când sunt reflectate din ionosferă. Deoarece, datorită proprietăților direcționale ale antenei, a fost primit un singur fascicul reflectat, estomparea semnalului a fost redusă drastic. Această antenă era un sistem de antene rombice situate de-a lungul unei linii drepte pe o zonă de aproximativ 1,5 km lungime. Modelul direcțional a fost controlat prin schimbarea relațiilor de fază dintre curenții din romburi individuale. De mare viteză nu a fost necesară direcționarea fasciculului a sistemului de antenă rombică. Dezvoltarea radarului a pus problema controlului modelului antenei în intervale de timp măsurate mai întâi în milisecunde, apoi în microsecunde și chiar fracțiuni de microsecundă.

Din câte se poate aprecia din publicațiile cunoscute, prima antenă cu scanare electronică pentru utilizare în radar a fost implementată la Institutul Electrotehnic din Leningrad (LETI) în 1955 într-un grup condus de prof. Yu.Ya. Yurova (1914-1955). Principiul de funcționare al antenei s-a bazat pe controlul fazelor undelor în mai multe emițătoare de antene folosind defazatoare care conțin elemente de ferită. Tocmai în acei ani a început utilizarea pe scară largă a feritelor în electronica de diferite frecvențe - oxizi de metal care conțin fier, care sunt dielectrici, dar au proprietăți magnetice apropiate de proprietățile fierului. Lucrări privind utilizarea radarului a antenelor scanate electronic au fost efectuate și în SUA. Prima publicație despre un comutator de fază pe bază de ferită, destinat utilizării într-o antenă scanată electronic, a apărut la sfârșitul anului 1954, iar publicațiile despre antena în sine au apărut în 1956-1957.

Problema dezvoltării unei antene scanate electronic constă din două componente:

1) selectarea numărului de emițători și configurația amplasării acestora;
2) dezvoltarea defazatoarelor care controlează faza undei electromagnetice în emițători.

machetă a antenei dezvoltată în 1954-1955 și testată în iunie 1955. Antena era o serie de patru emițători dielectrici, cărora le era furnizată o undă de microunde prin defazatoare, care erau secțiuni de ghiduri de undă dreptunghiulare umplute parțial cu ferită. Inserțiile de ferită se află într-un câmp alternant de electromagneți. Un câmp magnetic extern modifică permeabilitatea magnetică a feritei. O modificare a permeabilității magnetice a mediului în care se propagă unda modifică viteza de fază a undei, ducând la schimbarea de fază necesară.

Cum funcționează o antenă scanată electronic? Este necesar să se facă distincția între antene cu

unidimensional
scanare bidimensională

sau, cu alte cuvinte, antene cu mișcarea fasciculului într-un plan și antene cu mișcarea fasciculului în două planuri. Antenele cu scanare unidimensională sunt necesare atunci când lucrați cu obiecte situate în același plan. Un exemplu este o antenă radar care asigură controlul traficului în apele unui port maritim, unde toate obiectele cu care se stabilește sau se monitorizează comunicarea sunt situate la suprafața apei. Situația este diferită atunci când se asigură comunicația cu un satelit artificial de Pământ sau când se controlează traficul în zona unui aeroport mare. În aceste cazuri, direcțiile către obiectele cu care sunt comunicate sau monitorizate pot fi în unghiuri diferite atât în plan orizontal, cât și în plan vertical, astfel încât fasciculul antenei trebuie să se miște în două planuri.

Cu scanare unidimensională. Antena este o linie de emițători, care sunt reprezentați schematic în figură ca emițători de corn. Intrarea antenei este reprezentată de un ghid de undă sau cablu coaxial, care se conectează la un receptor, transmițător sau alt sistem radio. Un divizor de putere este amplasat între intrarea antenei și emițători, iar un defazător este inclus în circuitul de alimentare al fiecărui emițător. Schimbatoarele de fază sunt controlate de la un singur dispozitiv de control (calculator) și formează distribuția de fază necesară pe emițători. un front de fază plat situat la un unghi qk față de planul emițătorilor. Este evident că fasciculul principal al antenei este format de-a lungul normalului față de frontul de fază al undei specificat de emițători și, astfel, fasciculul principal al antenei este, de asemenea, deviat de la axa de simetrie a antenei. printr-un unghi qk. Să reamintim că din legile difracției undelor electromagnetice rezultă că lățimea fasciculului antenei este determinată de raportul dintre lungimea de undă emisă. vibratii electromagnetice la dimensiunea antenei: unde Dq este lățimea fasciculului, l este lungimea de undă, L este dimensiunea antenei. O antenă destul de bine direcționată ar trebui să aibă o lățime a fasciculului de ordinul unui grad unghiular: Dq = 1. Fie Dqk = 90, apoi N = 90, adică designul liniei de emițători se dovedește a fi destul de complex. Să luăm în considerare o antenă sub forma unei rețele de emițători care oferă scanarea electronică a fasciculului în două planuri. Matricea constă dintr-un sistem de linii paralele de emițători situate în același plan. Numărul de emițători dintr-o linie va fi numit numărul de emițători din planul orizontal Ng, iar numărul de linii în sine va fi numit numărul de emițători din planul vertical Nv. Astfel, numărul total de emițători din matricea luată în considerare

DISPOZITIVE DE FORMARE DEFAZĂ După cum se arată mai sus, în circuitul de alimentare al fiecărui emițător cu matrice de fază trebuie să existe un dispozitiv care asigură defazajul necesar - un schimbător de fază. Defazatoarele pentru rețele în fază pot fi împărțite în două grupuri mari:

1) defazatoare analogice, defazajul în care este o funcție continuă a acțiunii de control (tensiune sau curent);
2) defazatoare digitale (discrete), a căror defazare este specificată printr-un cod binar:

Defazatoarele analogice se bazează pe un material a cărui constantă magnetică sau dielectrică se modifică sub influența externă. Un astfel de material poate fi ferită, care a fost discutată pe scurt mai sus, sau un feroelectric, a cărui constantă dielectrică depinde de tensiune. câmp electric Discretitatea specificării fazelor se încadrează bine în structura comenzilor computerului de control, deși generează unele erori în specificarea coordonatelor fasciculului antenei și duce, de asemenea, la o ușoară creștere a nivelului lobilor laterali ai antenei. model de radiație. Cu toate acestea, cu un număr mare de elemente de matrice fază, erorile care apar în acest mod sunt mediate și ating un nivel care poate fi neglijat.

Cu faze controlate sau diferențe de fază (schimbări de fază) ale undelor emise (sau recepționate) de elementele sale (emițători). Controlul de fază (fazare) vă permite: să formați (cu locații foarte diferite ale emițătorilor) modelul de directivitate (modelul) necesar al matricei în faze (de exemplu, un model √ fascicul foarte direcțional); schimbarea direcției fasciculului unei rețele staționare în fază etc. efectuați scanarea rapidă, în unele cazuri aproape fără inerție, √ oscilația fasciculului (vezi, de exemplu, Scanarea în radar); controlați forma modelului în anumite limite - modificați lățimea fasciculului, intensitatea (nivelurile) lobilor laterali etc. (în acest scop, matricea fază controlează uneori și amplitudinile undei ale emițătorilor individuali). Acestea și alte câteva proprietăți ale rețelelor în fază, precum și capacitatea de a utiliza automatizarea și mijloacele computerizate moderne pentru a controla rețelele în fază, le-au determinat perspectivele și utilizarea pe scară largă în comunicații radio, radar, radionavigație, radioastronomie etc. Rețelele în faze, care conțin un număr mare de elemente controlabile (uneori 104 sau mai mult), fac parte din diferite dispozitive radio terestre (staționare și mobile), nave, aviație și spațiale. Sunt în curs de dezvoltare intensivă pentru a dezvolta în continuare teoria și tehnologia matricelor în faze și pentru a extinde domeniul de aplicare a acestora. Structura PAR. Formele, dimensiunile și modelele matricelor moderne în fază sunt foarte diverse; diversitatea lor este determinată atât de tipul emițătorilor utilizați, cât și de natura locației lor ( orez. 1). Sectorul de scanare al matricei în fază este determinat de modelul emițătorilor săi. În rețelele în fază cu oscilație rapidă a fasciculului cu unghi larg, se folosesc de obicei emițători slab direcționali: vibratoare simetrice și asimetrice, adesea cu unul sau mai mulți reflectoare (de exemplu, sub forma unei oglinzi comune întregii rețele de fază); capete deschise ale ghidurilor de undă radio, fantă, corn, spirală, tijă dielectrică, jurnal periodic și alte antene. Uneori, matricele fazate de dimensiuni mari sunt formate din matrice fază mici (module) separate; Modelul acestuia din urmă este orientat în direcția fasciculului principal al întregului tablou fază. În unele cazuri, de exemplu, atunci când deviația lentă a fasciculului este acceptabilă, ca emițători sunt folosite antene înalt direcționale cu rotație mecanică (de exemplu, așa-numita oglindă cu rotație completă); în astfel de rețele fazate, fasciculul este deviat la un unghi mare prin rotirea tuturor antenelor și fazarea undelor pe care le emit; Fazarea acestor antene permite, de asemenea, oscilarea rapidă a fasciculului matrice fază în cadrul modelelor lor. În funcție de forma necesară a modelului și de sectorul de scanare spațială necesar în matricea fază, se utilizează diferite aranjamente relative de elemente: de-a lungul unei linii (dreaptă sau arc); pe o suprafață (de exemplu, plat √ în așa-numitele matrice fază plate; cilindrică; sferică) sau într-un volum dat (rețele volumetrice fază). Uneori, forma suprafeței de emitere a deschiderii matricei fază √ (vezi Emisia și recepția undelor radio) este determinată de configurația obiectului pe care este instalată matricea de fază (de exemplu, forma satelitului). PAR-urile cu o formă de deschidere similară cu forma obiectului sunt uneori numite conforme. PAR-urile plate sunt larg răspândite; în ele, fasciculul poate scana din direcția normală la deschidere (ca într-o antenă în fază) până la direcția de-a lungul deschiderii (ca într-o antenă cu val de călătorie). Coeficientul de directivitate (DA) al unui tablou fază plat scade atunci când fasciculul se abate de la normal la deschidere. Pentru a asigura scanarea cu unghi larg (în unghiuri spațiale mari √ până la 4 (ster) fără o scădere vizibilă a directivității, rețele de fază cu deschidere neplată (de exemplu, sferică) sau sisteme de rețele de fază plate orientate în diverse direcții. Scanarea în aceste sisteme se realizează prin excitarea emițătorilor orientați corespunzător și fazarea acestora. Pe baza naturii distribuției emițătorilor în deschidere, se disting rețele de fază echidistante și neechidistante. În rețele echidistante în faze, distanțele dintre elementele adiacente sunt aceleași pe toată deschiderea. În rețele de fază echidistante plate, emițătorii sunt cel mai adesea localizați la noduri zăbrele dreptunghiulare(aranjament dreptunghiular) sau la nodurile unei ochiuri triunghiulare (aranjament hexagonal). Distanțele dintre emițători în rețele de fază echidistante sunt de obicei alese să fie destul de mici (adesea mai mici decât lungimea de undă de operare), ceea ce face posibilă formarea unui model în sectorul de scanare cu un singur lob principal (fără maxime de difracție laterală - așa- numite raze false) și un nivel scăzut al lobilor laterali; cu toate acestea, pentru a forma un fascicul îngust (adică într-o matrice fază cu o deschidere mare), este necesar să se utilizeze un număr mare de elemente. În rețele de fază neechidistante, elementele sunt situate la distanțe inegale unele de altele (distanța poate fi, de exemplu, o variabilă aleatorie). În astfel de rețele în faze, chiar și la distanțe mari între emițătorii adiacenți, este posibil să se evite formarea de raze parasite și să se obțină un model cu un singur lob principal. Aceasta permite, în cazul deschiderilor mari, formarea unui fascicul foarte îngust cu un număr relativ mic de elemente; totuși, astfel de rețele fazate neechidistante cu o deschidere mare și un număr mic de emițători au un nivel mai ridicat de lobi laterali și, în consecință, eficiență mai scăzută decât rețelele fazate cu un număr mare de elemente. În rețele de fază neechidistante cu distanțe mici între emițători și puteri egale de undă emise de elemente individuale, este posibil să se obțină (ca urmare a distribuției neuniforme a densității radiației în deschiderea antenei) un model cu un nivel mai scăzut de latură. lobi decât în rețele de fază echidistante cu aceeași deschidere și același număr de elemente. Controlul schimbărilor de fază. Pe baza metodei de schimbare a defazajului, se disting rețele în fază cu scanare electromecanică, realizate, de exemplu, prin schimbarea formei geometrice a ghidului de undă radio excitant ( orez. 2, A); scanare în frecvență, bazată pe utilizarea dependenței defazării de frecvență, de exemplu datorită lungimii alimentatorului dintre emițătorii adiacenți ( orez. 2, b) sau dispersia de unde într-un ghid de undă radio; cu scanare electrică, implementată folosind circuite de defazare sau defazatoare controlate de semnale electrice ( orez. 2, c) cu o schimbare lină (continuă) sau treptă (discretă) a schimbărilor de fază. Cel mai mare potențial au matricele fază de scanare electrică. Ele asigură crearea de diferite schimbări de fază pe toată deschiderea și o rată semnificativă de schimbare a acestor schimbări cu pierderi de putere relativ mici. La frecvențele de microunde, rețelele moderne de fază folosesc pe scară largă defazatoare de ferită și semiconductori (cu o viteză de ordinul microsecundelor și pierderi de putere de ~20%). Funcționarea defazatoarelor este controlată cu ajutorul unui sistem electronic de mare viteză, care în cele mai simple cazuri controlează grupuri de elemente (de exemplu, rânduri și coloane în matrice fază plate cu emițători dreptunghiulari), iar în cazurile cele mai complexe, controlează fiecare fază schimbător individual. Fasciculul se poate oscila în spațiu fie conform unei legi predeterminate, fie conform unui program generat în timpul funcționării întregului dispozitiv radio, care include o rețea în fază. Caracteristicile construcției matricei fază. Excitarea emițătorilor PAR ( orez. 3) este produs fie folosind linii de alimentare, fie prin unde care se propagă liber (așa-numitele rețele de fază cvasi-optice), căile de excitație ale alimentatorului, împreună cu defazatoare, conțin uneori dispozitive electrice complexe (așa-numitele circuite de formare a fasciculului) care asigură excitarea tuturor emițătorilor de la mai multe intrări , ceea ce vă permite să creați simultan fascicule de scanare corespunzătoare acestor intrări în spațiu (în rețele de faze cu mai multe fascicule). Rețelele de fază cvasi-optice sunt în principal de două tipuri: trecere (lentila) în care defazatoarele și emițătorii principali sunt excitați (cu ajutorul emițătorilor auxiliari) de undele care se propagă de la o sursă comună de alimentare și reflectorizante - principale și emițătoarele auxiliare sunt combinate, iar reflectoarele sunt instalate la ieșirile defazatoarelor. Rețelele fază cvasi-optice cu mai multe fascicule conțin mai multe iradiatoare, fiecare având propriul fascicul în spațiu. Uneori, în rețele în faze, dispozitivele de focalizare (oglinzi, lentile) sunt folosite pentru a forma modele. Matricele în fază discutate mai sus sunt uneori numite pasive. Rețelele active în fază au cele mai mari capacități de control al caracteristicilor, în care un emițător sau un receptor controlat în fază (uneori controlat în amplitudine) este conectat la fiecare emițător sau modul ( orez. 4). Controlul de fază în rețele active fază poate fi efectuat pe căi de frecvență intermediară sau în circuitele de excitare ale emițătorilor coerente, oscilatoarelor locale ale receptorului etc. Astfel, în rețele active fază, defazatoarele pot funcționa în intervale de unde altele decât gama de frecvente antene; În unele cazuri, pierderile în defazatoare nu afectează direct nivelul semnalului principal. Transmiterea rețelelor active în fază face posibilă adăugarea în spațiu a puterilor undelor electromagnetice coerente generate de transmițătoarele individuale. În recepția rețelelor active în fază, procesarea în comun a semnalelor primite de elemente individuale face posibilă obținerea mai multor informatii complete despre sursele de radiații. Ca urmare a interacțiunii directe a emițătorilor între ei, caracteristicile rețelei în faze (coordonarea emițătorilor cu alimentatoarele excitante, directivitate etc.) se schimbă atunci când fasciculul se modifică. Pentru a combate efectele dăunătoare ale influenței reciproce a emițătorilor în rețele de fază, uneori sunt utilizate metode speciale pentru a compensa cuplarea reciprocă dintre elemente. Perspective pentru dezvoltarea de matrice fază. Cele mai importante direcții pentru dezvoltarea ulterioară a teoriei și tehnologiei radiației în matrice fază includ:

introducerea pe scară largă a rețelelor în fază cu un număr mare de elemente în dispozitivele de inginerie radio, dezvoltarea de noi tipuri de elemente, în special pentru rețele active în fază;

dezvoltarea metodelor de construire a rețelelor de fază cu deschideri mari, inclusiv rețele de fază neechidistante cu antene înalt direcționale situate în întreaga emisferă a Pământului (radiotelescop global),

dezvoltarea în continuare a metodelor și mijloacelor tehnice pentru slăbirea efectelor nocive ale conexiunii reciproce dintre elementele matricei în faze;

dezvoltarea teoriei de sinteză și a metodelor de proiectare a mașinilor de matrice fază;

dezvoltarea teoriei și implementarea de noi metode de procesare a informațiilor primite de elementele matricei în faze și utilizarea acestor informații pentru management

Rețele de fază, în special pentru fazarea automată a elementelor (matrice fază automată) și schimbarea formei modelului, de exemplu, scăderea nivelului lobilor laterali în direcțiile către sursele de interferență (rețele adaptative de fază);

dezvoltarea metodelor de control al mișcării independente a fasciculelor individuale în rețele de faze cu mai multe fascicule.

Lit.: Vendik O. G., Antenne cu mișcare nemecanică a fasciculului, M., 1965; Sisteme de antene de scanare cu microunde, trans. din engleză, vol. 1√3, M., 1966√71.

M. B. Zaxon.

Wikipedia

Antenă phased array (PAR) - o matrice de antene, a cărei direcție de radiație și forma modelului de radiație corespunzător sunt reglate prin modificarea distribuției amplitudine-fază a curenților sau a câmpurilor de excitație pe elementele radiante.

Element radiant - componentă matrice de antene, o antenă sau un grup de antene cu o excitație relativă dată. Într-o matrice de antene, modelul de radiație necesar este format datorită unei interferențe special organizate a undelor electromagnetice emise în spațiu de elementele sale radiante. Pentru a face acest lucru, furnizați necesarul distribuția amplitudine-fază- amplitudinile relative necesare și fazele inițiale ale curenților alternativi sau câmpurile de excitație ale fiecărui element radiant al rețelei de antene. Diferență pe etape matricea de antene este că distribuția amplitudinii-fază nu este fixă, poate fi ajustată de matricea de antene într-un anumit sector al spațiului ( matrice de antene cu fascicul scanat electric ca o alternativă la o antenă de scanare mecanică, adică o alternativă la o antenă care se rotește mecanic) sau să schimbe forma modelului de radiație.

Acestea și alte câteva proprietăți ale matricelor în fază, precum și capacitatea de a utiliza automatizarea modernă și tehnologia calculatoarelor le-au determinat perspectivele și utilizarea pe scară largă în comunicații radio, radar, radionavigație, radioastronomie etc. Rețelele în faze care conțin un număr mare de elemente controlabile fac parte din diverse sisteme radio terestre, nave, aviatice și spațiale. Sunt în curs de dezvoltare intensivă pentru a dezvolta în continuare teoria și tehnologia matricelor în faze și pentru a extinde domeniul de aplicare a acestora.

Antenă activă în fază (AFAR) - o rețea de antene în fază în care direcția radiației și (sau) forma modelului de radiație sunt reglate prin modificarea distribuției amplitudine-fază a curenților sau a câmpurilor de excitație pe elementele radiante active.

O antenă activă în faze este compusă structural din module care combină un element radiant (sau un grup de elemente radiante) și dispozitive active (amplificatoare, generatoare sau convertoare). În cel mai simplu caz, aceste dispozitive pot amplifica semnalul transmis sau primit de elementul radiant, precum și pot converti frecvența semnalului, pot genera (forma) un semnal, pot converti semnalul din formă analogică în formă digitală și (sau) din digital în analogic. . Pentru funcționarea coordonată în comun, toate modulele APAA trebuie să fie combinate printr-un circuit pentru distribuirea semnalului excitator (în modul de recepție, printr-un circuit pentru colectarea semnalului în dispozitivul de recepție), sau funcționarea modulelor trebuie să fie sincronizată dintr-o singură sursă. .

Spre deosebire de AFAR, matricea fază pasivă nu conține dispozitive active. De exemplu, într-un sistem de transmisie echipat cu o matrice fază pasivă, un semnal radio este generat și amplificat la puterea necesară într-un singur transmițător radio pentru întregul sistem, după care este distribuit (și puterea semnalului radio este împărțită) între elementele radiante. Dimpotrivă, APAA de transmisie nu are un singur amplificator de ieșire puternic: mai puțin amplificatoare puternice situate în fiecare dintre modulele sale.

Comparație cu un tablou pasiv[modifica | editați textul wiki]

Într-o matrice pasivă tipică, un transmițător cu o putere de câțiva kilowați alimentează câteva sute de elemente, fiecare dintre ele emite doar zeci de wați de putere. Un amplificator modern cu tranzistor cu microunde poate, totuși, să producă și zeci de wați, iar într-un radar activ în faze câteva sute de module, fiecare cu zeci de wați de putere, creează un total de câțiva kilowați de fascicul principal puternic radar.

Deși rezultatul este identic, rețelele active sunt mult mai fiabile, deoarece, deși defecțiunea unui element transceiver al matricei distorsionează modelul de radiație al antenei, ceea ce degradează oarecum caracteristicile locatorului, în general, acesta rămâne operațional. Defecțiunea catastrofală a lămpii transmițătorului, care este o problemă cu radarele convenționale, pur și simplu nu poate apărea. Un avantaj suplimentar este reducerea greutății fără o lampă mare de mare putere asociată cu un sistem de răcire și bloc mare alimentare de înaltă tensiune.

O altă caracteristică care poate fi utilizată numai în rețele active este capacitatea de a controla câștigul modulelor individuale de transmisie/recepție. Dacă se poate face acest lucru, gama de unghiuri prin care fasciculul poate fi deviat este mult crescută și, astfel, multe dintre limitările geometriei matricei pe care le au rețelele convenționale în faze pot fi ocolite. Astfel de rețele se numesc rețele de super-măsire. Din literatura publicată nu este clar dacă rețelele de antene existente sau planificate utilizează această tehnică.

Dezavantaje[modifica | editați textul wiki]

Tehnologia AESA are două probleme cheie:

Disiparea puterii[modifica | editați textul wiki]

Prima problemă este disiparea puterii. Datorită dezavantajelor amplificatoarelor cu tranzistori cu microunde (microunde monolitice circuit integrat, MMIC (engleză)rusă), eficiența transmițătorului modulului este de obicei mai mică de 45%. Ca rezultat, APAR generează o cantitate mare de căldură, care trebuie disipată pentru a preveni topirea cipurilor transmițătorului - fiabilitatea cipurilor GaAs MMIC se îmbunătățește la temperaturi scăzute. Temperatura de Operare. Răcirea tradițională cu aer, utilizată în calculatoarele convenționale și avionica, este slab potrivită pentru densități mari de ambalare a elementelor AESA, ca urmare a faptului că elementele AESA moderne sunt răcite cu lichid (proiectele americane folosesc lichid de răcire polialfaolefină (PAO), similar fluidului hidraulic sintetic) . Un sistem tipic de răcire cu lichid utilizează pompe care introduc lichid de răcire prin pasajele din antenă și apoi îl transportă la un schimbător de căldură - acesta poate fi fie un răcitor de aer (radiator) fie un schimbător de căldură în rezervorul de combustibil - cu un al doilea fluid care răcește căldura bucla de schimb pentru a reduce incalzirea continutului de combustibil.rezervor.

În comparație cu un radar de luptă convențional răcit cu aer, un radar AESA este mai fiabil, dar consumă mai multă energie și necesită mai multă răcire. Dar AESA poate oferi o putere de transmisie mult mai mare, ceea ce este necesar pentru o rază de detecție mai mare a țintei (creșterea puterii de transmisie, totuși, are dezavantajul de a crește amprenta peste care recunoașterea radio inamică sau RWR poate detecta radarul).

Preț

O altă problemă este costul producției în masă a modulelor. Pentru un radar de luptă, care necesită de obicei 1000 până la 1800 de module, costul AESA devine prohibitiv dacă modulele costă mai mult de o sută de dolari fiecare. Modulele timpurii costau aproximativ 2.000 USD, ceea ce nu permitea utilizare în masă AFAR. Cu toate acestea, costul unor astfel de module și cipuri MMIC este în scădere constantă, deoarece costul dezvoltării și producției lor este în scădere constantă.

În ciuda deficiențelor lor, rețelele active în fază sunt superioare antenelor radar convenționale în aproape toate aspectele, oferind o capacitate și fiabilitate superioare de urmărire, deși cu o anumită creștere a complexității și, eventual, a costurilor.