Новое в сентябре 2018: вот страница о цилиндрических фазированных решетках

Новое в декабре 2017 года: — вот подсказка о поэтапной решетке от Колина!

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу страницу на AESAs

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу страницу на PESAs

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу страницу о модулях T / R

Нажмите здесь, чтобы перейти на страницу, посвященную единицам задержки (TDU)

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу страницу по решеткам

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу страницу по вычислениям ошибок RMS

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу по антеннам

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу о фазовращателях

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу страницу о сегнетоэлектрических фазовращателей

Перейдите на нашу страницу загрузки и получите таблицу фазового массива!

Ознакомьтесь с эмпирическим правилом усиления апертуры внизу этой страницы!

Фазированные массивы являются противоположностью микроволновым убийцам карьеры.Большую часть материала на этой странице предоставил Арне Люкер, друг Microwaves101! Для двух отличных учебников по поэтапным массивам перейдите на страницу нашей книги и возьмите книгу Стимсона или Сколника.

Применение фазированных решеток

Антенны с фазированной решеткой могут быть электрически управляемыми, что означает, что физическая антенна может быть стационарной. Эта концепция может устранить все головные боли подвеса в радиолокационной системе. Он может держать антенну заблокированной на спутнике, когда антенна установлена ​​на движущейся платформе.Это то, что позволяет спутнику направлять свой луч вокруг вашего континента, не сталкиваясь с «небольшой проблемой», связанной с попыткой нацелить вещи в пространство, где каждое движение потребует равной и противоположной массы для перемещения, чтобы сохранить стабильность спутника. , Приемник с фазированной решеткой может быть установлен заподлицо на верхней части фюзеляжа коммерческого самолета, чтобы все счастливые пассажиры могли получать спутниковое телевидение!

Возможно, вы удивитесь, узнав, что изобретателем фазированной решетки был Карл Фердинанд Браун, примерно в 1905 году, для радиосвязи на большие расстояния Маркони и Брауна.Вот пример ранней тестовой матрицы L-диапазона, разработанной Sperry Rand и оцененной MIT Lincoln Laboratory в начале 1960-х годов. Движение вперед во времени, фотография рядом с ней — известная антенна с фазированной решеткой для ракеты Патриот. Что означает аббревиатура «Патриот»? Поэтапный массив, отслеживание до перехвата цели. Он заменил «Самонаводящуюся убийцу» или ракету «Ястреб». Есть некоторые мелочи, которые вы не узнаете в Википедии !!!

Радар Patriot, изображение из Википедии.ком

До сих пор существует не так много потребительских приложений с фазированными массивами, за исключением недавних исключений из некоторых новых WiFi-маршрутизаторов. Это связано с тем, что они могут быть довольно дорогими из-за необходимости использования многих микроволновых фазовращателей и их управляющих сигналов. Помимо стоимости фазовращателя, для фазированных решеток обычно требуется малошумящий усилитель на каждом элементе для операции приема и усилитель мощности на каждом элементе для передаваемого сигнала. Один потребительский рынок, который развивается для фазовых массивов, — это спутниковое телевидение для транспортных средств, таких как внедорожники.За пару тысяч долларов ваши дети теперь могут смотреть восемь каналов Диснея, пока вы путешествуете по разрисованной пустыне в вашем Виннебаго. Жизнь хороша, особенно если она появляется на маленьком экране! Конечно, основная движущая сила всех разработок в области потребительской технологии является порнографией, в этом случае, теперь вы и ваша дата можете смотреть с оплатой за просмотр щелчков на канале Playboy, не выходя из вашего отдыха автомобиля!

Физика, лежащая в основе фазированных решеток, такова, что антенна является двунаправленной, то есть они будут иметь одинаковую направленность при передаче и приеме.Во многих приложениях необходимы как передающая, так и приемная системы; Решение этой проблемы известно как модуль приема / передачи (модуль T / R), который будет предметом для другого дня.

Свойства антенны с фазированной решеткой

Принцип фазированной решетки заключается в синтезе определенного электрического поля (фазы и амплитуды) через апертуру. Полученный луч аппроксимирует преобразование Фурье распределения E-поля. Отдельные антенны часто располагаются на расстоянии около половины длины волны.Разреженные массивы, конечно, используют намного больший интервал между элементами, но их поведение и полезность, вероятно, выходят за рамки того, что вы хотите изучить здесь.

Добавление фазового сдвига к сигналу, принимаемому или передаваемому каждой антенной в массиве антенн, позволяет коллективному сигналу этих отдельных антенн действовать как сигнал одной антенны с характеристиками, значительно отличающимися от характеристик отдельных антенн в решетке. Вот список, иллюстрирующий некоторые результаты размещения множества антенн.

1. Мощность: Собранный сигнал является объединенным сигналом всех отдельных антенн и поэтому является более сильным.
2. Формирование луча: диаграмма направленности комбинированных антенн может быть значительно уже любой отдельной антенны.
3. Управление лучом: Направление коллективной антенны с максимальной чувствительностью можно изменить без механического позиционирования отдельных антенн. Для матрицы с электронно-переменными фазовращателями вы можете переключать положение луча так же быстро, как вы можете переключать фазовые сдвиги.Большие антенны движутся довольно медленно.
Надежность:
4. . Для одной антенны, если система позиционирования выходит из строя, вы не можете указывать ни на что, кроме как на линии прямой видимости антенны. Для антенной решетки, если одна антенна выходит из строя, все остальные продолжают функционировать, и общая схема слегка изменяется (так называемое постепенное ухудшение).
5. Вес: для бортовых применений вес фазированной решетки меньше, чем у сопоставимой быстроуправляемой односкатной одиночной антенны.
6. Стоимость: очень большая механически управляемая антенна может быть заменена набором менее дорогих меньших антенн без потери разрешения (хотя один криогенный приемник может стоить меньше, чем набор криогенных приемников), но сравнение затрат затруднительно, если не рассматривать подробные Системные Требования.
7. Multiple Beam: Используя широкий диапазон управления, обеспечиваемый фазовращателями, вы можете синтезировать несколько откликов лучей, если хотите.
8. Digital или микшер Опция: Вы можете обойтись без аналоговых фазовращателей, преобразовав с понижением частоты в основной диапазон, а затем отфильтровав и сдвинув сигнал в цифровом виде.С другой стороны, вы можете сместить фазу сигнала ПЧ или ПУ вместо сигнала РЧ. В цифровом режиме или режиме IF / LO, сложность и стоимость отдельных приемников возрастают, так как вам приходится распределять сигнал LO на каждую антенну. Для больших массивов я не уверен, что это того стоит, но некоторые автомобильные радары сканируют по частоте.

Но, как обычно, вы не получаете что-то даром.

1. Угол сканирования: если цель находится на горизонте, механическая антенна наклоняется, и вся апертура собирает сигнал.Когда вы устанавливаете фазированную решетку так, чтобы она указывала в этом направлении, физическая конфигурация диафрагмы (скажем, параллельно земле) не изменяется, но эффективная площадь сбора апертуры уменьшается. Если цель находится на горизонте, массив граничит с целью и перехватывает очень слабый сигнал. С другой стороны, концепция фазированной решетки позволяет расположить элементы антенны на изогнутой поверхности, например куполе, но, как обычно, перед продолжением необходимо оценить компромиссы.
   
2. Полоса пропускания: большинство фазовращателей предназначены для обеспечения постоянного фазового сдвига в полосе частот. Противный секрет в том, что мы аппроксимировали задержку сигнала с фазовым сдвигом сигнала. Задержанный сигнал имеет линейный фазовый сдвиг с частотой. Для сигналов с широкой мгновенной полосой пропускания и с фазированной решеткой, настроенной на узкую ширину луча, управляемый сдвиг фазы луча будет изменять направление наведения с частотой (косоглазие). Этого может быть достаточно, чтобы полностью отклонить луч от цели, что приведет к значительному уменьшению собранного сигнала.Это не все плохо. Вы можете использовать это свойство для сканирования луча путем сканирования частоты.

   Сдвиг фазы для выравнивания волн перед объединением составляет 2π (d / λ) sinθ, где d — расстояние между элементами массива, λ — длина волны, а θ — направление угла наведения. Обратите внимание, что он основан на частотно-зависимом параметре — длине волны. Если вместо этого вы используете задержку для наведения луча, необходимая задержка равна (d / c) sinθ, где c — скорость света (распространение). Обратите внимание, что шаблон теперь не зависит от частоты.
   

Взаимное соединение
3. . Другое приближение, которое мы использовали, заключается в том, что каждая отдельная антенна работает одинаково, даже когда окружена другими антеннами. К сожалению, это не тот случай. Конструкция должна быть изменена, чтобы уменьшить влияние взаимного сцепления.

Определения и сокращения

Сначала давайте определим несколько терминов и сокращений (которые мы также добавим в словарь сокращений Microwaves101):

ESA: решетка с электронным управлением (в отличие от решетки с механическим управлением или MSA)

AESA: массив с электронным управлением

CPA: цилиндрическая фазированная решетка

PESA: пассивная электронно управляемая решетка

AOA: угол прихода, также известный как угол взгляда

ULA: равномерный линейный массив

УЦА: равномерный круговой массив

UGA: равномерная сетка

TDU: блок задержки времени

Как проектировать системы фазированных решеток

Наши друзья из Keysight Technologies загрузили видео на эту тему на своей странице YouTube.

В этом видео будет рассказано о наиболее важных аспектах проектирования систем с поэтапным массивом, особенно популярных в предлагаемых архитектурах 5G. Он начинается с основ проектирования фазированных решеток, а затем охватывает четыре основных параметра архитектуры фазированных решеток. Затем на примере показано, как шаблон дальнего поля влияет на общую производительность системы, и какие факторы влияют на этот шаблон дальнего поля как часть процесса проектирования.

д-рМурти Упмака из Keysight объясняет, как проектировать системы с фазированной решеткой

Антенны для фазированных решеток

Фазовращатели в основном используются в антеннах с фазированной решеткой (радарных системах), но теперь также в некоторых автомобильных радарах. Стоит немного отступить назад, чтобы ближе рассмотреть аспект антенны.

Антенна должна рассматриваться как согласующая сеть, которая получает энергию от линии передачи (например, сопротивление 50 Ом) и сопоставляет ее с «сопротивлением» в свободном пространстве 377 Ом.Наиболее критическим параметром является изменение VSWR (коэффициент стоячей волны напряжения) с частотой. Шаблон обычно не сильно меняется до начала неприемлемых VSWR (> 2: 1). Для данного геометрического размера физической антенны фактическая диаграмма направленности изменяется с частотой.

Диаграмма направленности антенны, изображенная на рисунке 1, предназначена для диполя. Максимальное усиление нормализовано вне полярного графика, а основные деления соответствуют изменению на 10 дБ. В этом примере длина диполя (в длинах волн) варьируется, но тот же результат может быть получен путем изменения частоты с фиксированной длиной диполя.Из рисунка видно, что боковые лепестки начинают формироваться в 1,25 , и боковые лепестки фактически имеют больший коэффициент усиления, чем основной луч в 1,5 . Поскольку диаграмма направленности меняется с частотой, коэффициент усиления также изменяется.

Рисунок 1. Частотные эффекты

Массив эффектов

На рисунке 2 показаны эффекты фазы / решетки, которые являются еще одним методом получения различных диаграмм направленности. На рисунке параллельные диполи видны с конца.Можно видеть, что изменение фазы двух передач может привести к изменению направления диаграммы направленности. Это концепция антенн с фазированной решеткой. Вместо того, чтобы иметь систему, механически изменяющую направление антенны в пространстве, фаза излучающих компонентов изменяется электронным способом, создавая движущуюся схему без движущихся частей. Также видно, что увеличение количества элементов дополнительно увеличивает направленность массива. В массиве картина действительно сильно меняется с частотой из-за разнесения элементов (измеренного в длинах волн) и частотной чувствительности фазосдвигающих сетей.

Примечание: у нас было несколько комментариев о явной ошибке на этом рисунке. Вместо того, чтобы исправить фигуру, мы расскажем вам, что с ней не так, по словам Тома:

«Я смотрел на участок под названием« Фазированные антенные решетки »и заметил возможную ошибку со средним рисунком на рисунке 2. Диаграмма излучения, показанная для антенн с разнесением на 1/2 волны, питаемых на 90 градусов от фазы, на самом деле является диаграммой Размещенные на 1/4 волны антенны подаются на 90 градусов в противофазе.

Критической переменной, оставленной вне раздела «Антенны с фазированной антенной решеткой», было влияние расстояния между антеннами на диаграмме массива. Учитывая ULA (равномерную линейную решетку), в режиме широкого хода шаблон всегда симметричен (фигура 8 в форме) для любого расстояния между элементами. Расстояния на четных кратных 1/4 длины волны также симметричны в направлении конечного огня. Интервалы с нечетными интервалами в 1/4 длины волны асимметричны в режиме конечного огня, постепенно переходя в симметричный, так как фазировка элемента поворачивает луч в широкополосный режим. «

От другого парня с антенны Джастин:

« Он прав. Эта цифра неверна:

k * d = pi для расстояния между полуволнами

Чтобы вывести полуволновую матрицу из строя, вам нужен сдвиг на 180 фаз:

необходимый сдвиг фазы = k * d sin (тета) = pi * sin (90) = pi = 180 градусов

Эти ребята из НАСА не знают, как приседать! «

(Оригинальная фигура пришла из НАСА…)

Рисунок 2. Фазовые / матричные эффекты

Линейный фазированный массив с равноправными элементами проще всего анализировать и составляет основу для большинства конструкций массивов. На рисунке 3 схематично показана линейная матрица корпоративной подачи с шагом элементов d. Это самый простой и до сих пор широко используется. Управляя фазой и амплитудой возбуждения для каждого элемента, как показано, мы можем контролировать направление и форму луча, излучаемого решеткой.Фазовое возбуждение _(n) контролирует угол наведения луча ₀ в фазированной решетке. Для создания широкого луча ₀ = 0 требуется фазовое возбуждение, = 0. Другие углы сканирования требуют возбуждения, (n) = nkd sin ( 0), для элемента n ^-го , где k равно волновое число (2 /). Таким образом, линейная фазированная решетка может излучать луч в любом направлении сканирования, 0, при условии, что шаблон элемента имеет достаточную ширину луча.Амплитудное возбуждение, A _n , может использоваться для управления формой луча и уровнями боковых лепестков. Часто амплитудное возбуждение сужается таким же образом, как и для апертурных антенн, чтобы снизить уровни боковых лепестков. Одной из проблем, которые могут возникнуть при использовании фазированной решетки, является недостаточная полоса пропускания, поскольку сдвиг фаз обычно не достигается путем введения дополнительной длины пути. Однако следует отметить, что на широкой стороне корпоративный канал имеет одинаковую длину пути и будет иметь хорошую пропускную способность для этого угла сканирования.

Рисунок 3. Корпоративный Федированный массив

Алмаз против квадратной решетки

Скоро!

Как избежать трения лепестков

Теперь у нас есть отдельная страница с решетками, расположенная здесь. С классными картинками!

Лепесток решетки возникает, когда вы поворачиваете слишком далеко с помощью фазированной решетки, и главный луч снова появляется с другой стороны. Элементы должны быть правильно расположены во избежание образования лепестков.Уравнение для максимального расстояния является функцией длины волны работы и максимального угла обзора:

Таким образом, для угла обзора 30 градусов dmax составляет (2/3) xlambda, в то время как для угла обзора 60 градусов dmax составляет 0,54 лямбда.

Расчет усиления антенны в фазированной решетке

Усиление в широком диапазоне в фазированной решетке является функцией как усиления отдельных элементов, так и количества элементов. Усиление апертуры рассчитывается по:

Вот эмпирическое правило Microwaves101, предоставленное Гленном:

Число элементов, необходимых в антенне с фазированной решеткой с электронным сканированием, можно оценить по усилению, которое она должна обеспечить.Массив усиления 30 дБ требует около 1000 элементов, а массив усиления 20 дБ — около 100.

Коэффициент усиления отдельных элементов зависит от того, какой радиатор используется. Это тот случай, когда вы не хотите, чтобы элемент имел слишком большое усиление, потому что вся идея поэтапного массива заключается в том, что вы хотите максимизировать объем сканирования; Вы не хотите, чтобы усиление системы быстро снижалось по мере удаления от широких сторон из-за структуры элемента. На практике большинство излучателей, используемых в фазированных решетках, обеспечивают усиление около шести дБ.

Итак, что же получится, если вы отсканируете бродсайд? Усиление падает как косинус угла. Таким образом, при 60 градусах вы находитесь в 1/2 от усиления на широкой стороне, а когда вы попадаете в состояние конечного огня, усиление снижается до нуля. Это единственная проблема с поэтапными массивами, из-за которой вы можете захотеть пересмотреть односторонний подход. Чтобы получить полное 360-градусное покрытие, обычно требуется четыре фазированных массива, вы можете сделать это с помощью одной вращающейся антенны.

Единицы задержки (TDU)

TDU используются на уровне подмассива в фазовом массиве, чтобы улучшить работу массива по частоте.Задержка по времени требуется для того, чтобы все фазовые центры были приблизительно равны по длине фазы приемнику или возбудителю, в противном случае луч будет искажаться по частоте. Проверьте TDU здесь.

Узнайте, когда использовать TDU в сравнении с фазовращателями, здесь.