Фазированная антенная решетка своими руками. Фазированные антенные решетки: принципы работы, применение и перспективы развития

04.02.2020, Вт, 09:02, Мск , Текст: Дмитрий Степанов

«Умная поверхность»

Специалисты Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (MIT CSAIL) создали приспособление, позволяющее значительно усилить радиосигнал, в том числе и в частотных диапазонах сетей Wi-Fi и 5G. При этом устройство является относительно недорогим и энергоэффективным.

«Умная поверхность» под названием RFocus представляет собой двумерный массив из 3 тыс. миниатюрных антенн, управляемых с помощью специального ПО, пишет Engadget. Она «может работать как зеркало или линза», либо отражая сигнал либо пропуская его насквозь, чтобы затем сфокусировать на конкретных устройствах.

Прототип RFocus, по данным инженеров MIT, позволяет добиться десятикратного усиления медианной (усредненной) мощности, одновременно удваивая пропускную способность канала.

Один из авторов проекта RFocus Венкат Арун (Venkat Arun) и прототип «умной поверхности»

Как отмечают разработчики RFocus, не содержит активных усилителей сигнала, а стоимость каждой одной антенны составляет «всего несколько центов», поэтому само устройство, вероятно, будет недорогим в производстве, особенно в массовом. Отсутствие активных усилителей сигнала также положительно сказывается на уровне энергопотребления устройства.

Применение RFocus

В представлении разработчиков RFocus технология имеет множество сценариев применения. В идеале «умная поверхность» должна выпускаться в виде тонких обоев, которые можно наклеить на стену любого помещения – от небольшого офиса до промышленного склада.

Схема работы «умной поверхности»

Особенно полезной RFocus может оказаться при использовании в сфере интернета вещей, который в последние годы набирает популярность. Разнообразные датчики ввиду своих небольших габаритов сложно оснастить мощной антенной, а «умная поверхность», будучи пассивным устройством, позволяет обеспечить их нормальное взаимодействие в помещениях достаточно большой площади, без необходимости модифицировать приемо-передающие модули и существенных затрат, в том числе и на электроэнергию.

Когда именно создатели RFocus планируют вывести разработку на рынок, не сообщается. Им еще предстоит «довести до ума» дизайн устройства, сделав его привлекательным для потребителя, отмечает Engadget.

Исследователи из MIT не стали первопроходцами на этом направлении. Ранее команда из Принстонского университета во главе с профессором Кайлом Джеймисоном (Kyle Jamieson) предложила похожую технологию. Однако в рамках проекта RFocus преследуется создание более дешевой и универсальной системы, которую можно было бы использовать в самых разных условиях.

Список принятых сокращений радиоволн

Постройте фазированную решетку на пластине для повышения производительности антенны

Потребность в значительных улучшениях радара по-прежнему вызывает постоянную озабоченность Министерства обороны (DoD). Одной из наиболее впечатляющих разработок, направленных на удовлетворение этой потребности, является система формирования РЧ-луча с высоким разрешением с использованием фазированных антенных решеток.

Хотя фазированные решетки — далеко не новость, новая пластинчатая антенна демонстрирует важные преимущества, которые могут поддерживать решетки с низкой плотностью мощности для различных приложений радаров.На военной арене используются:

• наземные радиолокаторы средней зоны действия
• РЛС морского базирования
• РЛС перспективной блочной системы ПРО
• группировок радаров космического базирования с задачами, включающими постоянную близость слежение за движущимися целями в реальном времени по индикации
• информация о местности с высоким разрешением
• радар с синтезированной апертурой

Технология формирования РЧ-луча с высоким разрешением также имеет огромный потенциал в коммерческих беспроводных приложениях, таких как специальная связь, двухточечная и многоточечная беспроводная связь, радиометрия, пассивная медицинская визуализация, средства мобильности для слабовидящие, системы наблюдения и предотвращения столкновений.

Разработчики могут воспользоваться преимуществами компактного, надежного, эффективного и недорогого полупроводника. и решение из керамического материала для радаров V-диапазона (от 50 до 75 ГГц), которые поддерживают доступная работа с полным полем обзора (FOV) при уменьшении аппаратного обеспечения, логистика и эксплуатационные расходы существующих систем.

Это решение реализовано в виде единого антенного модуля в масштабе пластины (WSAM), который выполняет все компоненты и функции антенны (например, формирование РЧ-луча). ¹ Концепция WSAM, которая обеспечивает независимое решение для фазированных антенных решеток, значительно увеличивает отношение сигнал / шум (SNR) радиолокационных систем.

В диапазоне X (от 8 до 12 ГГц) концепция включает 64-элементный массив, содержащий элементы антенны, а также все цепи передатчика (Tx) и приемника (Rx) на стандартной 8 дюйм. кремниевая пластина (рис. 1а). На более высоких частотах V-диапазона при гораздо меньших размерах антенных элементов пластина может обрабатывать до 1024 элементов и связанных схем (рис. 1б).

ПРОБЛЕМЫ ИНТЕГРАЦИИ ВАФЕРНОГО МАСШТАБА
Интеграция вафельного масштаба не обходится без проблем.Во-первых, дизайн должен поддерживать однородную фазу и амплитуду от центральной точки питания до всей антенны элементы. Тем не менее, на частоте 60 ГГц ослабление в линии может быть значительным, от менее От 10 дБ для 1 мм до примерно 200 дБ для 150 мм. ² Следовательно, в вафле используется балансный Htree и распределенное усиление на пути прохождения сигнала для компенсации для линейного затухания (рис. 2).

Ширина линии передачи, также называемой копланарным волноводом (CPW), является другой проблемой.Более широкий CPW означает большую паразитную связь из-за емкости и индуктивности линии передачи и окружающей среды. Но чем уже CPW, тем выше сопротивление, вызванное скин-эффектом и окружающими паразитами.

Мы выбрали линию 4 мкм, потому что паразитное затухание преобладает над скин-эффектом. Хотя эта узкая линия создаст более высокое сопротивление, большая емкость и индуктивность более широкой линии значительно ухудшат сигнал.

КОНСТРУКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Схема распределенного усиления использует инновационный подход, основанный на на усиление балансировки нагрузки (LBA) между согласующими цепями и драйверная пара усилителей (рис. 3). Путем изменения отношение TL1 / TL2 (общая длина TL1 и TL2 равна кратной четверть длины волны), номинальное стабильное усиление от 10 до 15 дБ на каскад LBA (включая затухание в линии передачи). Потребляемая мощность для блока LBA менее 40 мВт с 1.Питание 5 В для стандартного кремниевого процесс.

На рисунке 4 показан предлагаемый сверхширокополосный (UWB) блок Tx / Rx формирования луча. Во время передачи радиосигнал направляется и сдвигается по фазе, усиливается и подключается к передающей антенне. Преимущество такой функции формирования луча состоит в том, что она обеспечивает улучшенный необходимый диапазон и охват. Это достигается за счет улучшения отношения сигнал / шум передачи. канал для двухточечного или многоточечного вещания или для высокого разрешения функция радара.

Точно так же во время операции приема РЧ-сигнал направляется и усиливается, сдвинутые по фазе, объединенные и переданные во внешнюю цифровую обработку сигналов Блок. Функция фазового сдвига, если повторяется для нескольких входных антенн с фиксированные приращения, правильно взвешенные и объединенные, приведут к пространственному формирование луча, которое может применяться для приложений поиска и сопровождения целей.

ВЧ-блок состоит из распределенного малошумящего усилителя (DLNA), основанного на КМОП-матрице. маломощный контроллер, аналоговые переключатели для выбора режима Rx или Tx и линия задержки маршрутизатор или блок фазовращателя (рис.4, снова). Функция усилителя мощности (PA) заменена выходом DLNA с низким энергопотреблением, поэтому достаточно энергии сигнала передается, не прибегая к к мощному PA.

Функция контроллера обращается к управлению питанием на основе пикового обнаружения. механизм, регулировка усиления DLNA для оптимального и постоянного отношения сигнал / шум, а также фазовращатель (массив линий задержки), основанный как минимум на 2-битном цифровом управлении перевертыш. Связь радиочастотного блока с внешним электронным блоком (основная полоса частот процессора и медиа-контроллера доступа) базируется на серии полученных блоки импульсов, содержащие информацию для адресации.

Включает инициализацию, выбор элемента в случае развертывания антенной решетки. (выбор строки и / или столбца) возможность адресации массива тайлов, ³ выбор величины фазового сдвига / задержки, необязательное поле для адреса Регулировка усиления LNA, выбор переключателя Tx или Rx и управление питанием для решения спящий режим работы.

Секция DLNA и интегрированного усилителя может быть многокаскадной биполярной или на основе КМОП. конструкция, использующая менее 100 мВт для обеспечения усиления 10 дБ в активном режиме.Фаза сдвигатель обеспечивает как минимум 2 бита управляемого фазового сдвига с максимальным изменение среднеквадратичного значения 10 °. Это соответствует точности 0,6 пс (среднеквадратичное значение) при 4,15 пс. разрешение при работе на частоте 60 ГГц. Радиочастотные переключатели, DLNA, фазовращатель и контроллер все включены в матрицу, которая вставляется под антенную пластину в качестве элемента внутри всей вафли. Обеспечиваются надлежащее экранирование и изоляция, чтобы исключить электромагнитная связь с активными устройствами.

Для передачи данных на конструкцию блока накладываются строгие ограничения.Чтобы достичь 70% открытия глаза (временной интервал окна захвата) для обнаружения сигнала, максимально допустимый общий джиттер должен быть менее 1,2 пс. Как результат, полное ограничение джиттера, включая время нарастания и спада на точном расположение луча, отношение сигнал / шум радиочастотного тракта данных и активные схемы — должны быть менее 2 пс на частоте 60 ГГц.

Это требование явно выходит за рамки возможностей современной технологии для маломощная работа. Для справки, общий джиттер для OC-192 (10 Гбит / с) и OC-768 (40 Гбит / с) менее 2 пс.4 Такого рода ограничения на Tx / Rx сигнал миллиметрового диапазона в V-диапазоне делает конструкцию импульсного СШП радиоприемника очень привлекательный. Схема импульсно-позиционной модуляции (PPM) кажется наиболее подходящей. привлекательное решение 5

УСИЛЕНИЕ И ШИРИНА ЛУЧА АНТЕННОЙ МАССЫ
Изолированный антенный элемент обеспечивает полосу пропускания 7% при постоянном напряжении 2: 1. волновое отношение (КСВН) при усилении лучше 7 дБ. Элемент возбуждается через металлический стержень, соединенный с переходным отверстием, заполненным наплавленным металлическим слоем.Что слой подключен к выходу аналогового радиочастотного переключателя, питаемого от PA, или эквивалентный DLNA после правильного фазового сдвига.

Аналогичным образом элемент может подавать принимаемое излучение на вход ВЧ переключите питание DLNA, а затем выполните фазовый сдвиг.

На рисунке 5 показаны результаты моделирования. для массива антенных дипольных петель, построенных на кремниевой подложке. Эта симуляция была основана на сотовой подложке с относительной диэлектрической проницаемостью 2.2. В 60 лет ГГц, 32 элемента в строке обеспечивают ширину луча менее 2 °, что дает разрешение 1 м на дальнем поле 150 м. Луч 2 ° с боковым лепестком меньше более 5 дБ было получено для массива плиток 32 на 2 (два ряда по 32 антенны петли). Коэффициент усиления антенной решетки 32 на 2 составляет около 21 дБи. Матрица 32 по 32 (1024 элемента) обеспечивает усиление антенны лучше 37 дБи.

При правильном управлении фазой и амплитудой луч решетки можно регулировать. для решения множества адаптивных функций.Они могут включать в себя высокое разрешение сканирование дальних и ближних целей, динамическое управление дальним отслеживанием и управление питанием для уменьшения радиочастотных помех в системах наведения для массового рынка, например, автомобильные радары для предотвращения столкновений.

МАСШТАБИРУЕМОСТЬ И ИНТЕГРАЦИЯ
Как уже отмечалось, размещение большего количества антенных элементов на одной пластине улучшает антенну. усиление и обеспечивает более мелкую ширину луча, что важно для высокого разрешения приложения для сканирования датчиков или радара, а также беспроводное соединение с очень высокой скоростью передачи данных. ссылки.

На рисунке 6 показан прототип такого массив. 1024 антенных элемента интегрированы в систему с несколькими входами и выходами. (MIMO) конфигурация под каждой подрешеткой антенн. Из-за пространственного свойство объединения мощности волн, функция формирования луча обеспечивает улучшенный диапазон и покрытие, которые необходимы для улучшения отношения сигнал / шум передачи или приема канал на большие расстояния и для высокого разрешения.

Одним из ключевых ограничений при разработке WSAM является отвод тепла от вафля.Практическое ограничение для рассеивания тепла без необходимости внешняя система охлаждения составляет около 1 Вт / см ² для кремниевой подложки. Это соответствует примерно 375 Вт / пластина (для 8-дюймовой подложки). Очевидно, что рассеиваемая мощность напрямую зависит от количества антенных элементов на вафля. С различной плотностью упаковки, зависящей от частоты работы, 64 элемента и антенны могут быть размещены на X-диапазоне и 4096 элементов на V-диапазоне.

Основным фактором интегрированного решения является мощность, потребляемая PA (DLNA) и контроллером для решения глобального управления WSAM.Должно Следует подчеркнуть, что интегрированное решение WSAM включает в себя создание антенны матрица и активная электроника на одной подложке.

Ключевым моментом является то, что для массива из 4096 элементов (на частоте 60 ГГц) вес Модуль WSAM как минимум в 2000 раз меньше, чем у дискретно-компонентной версии — результат значительного сокращения материала упаковки и подложки. Примечательно, что объем модуля WSAM в 4000 раз меньше, чем у дискретно-компонентного выполнение.

ПОДТВЕРЖДЕНИЕ
Автор выражает признательность за значительную поддержку проекта WSAM со стороны различных DoD. агентства. Развитие РЧ и распределения сигналов управления по WSAM был спонсирован Агентством оборонных исследовательских проектов (DARPA). Поддерживается развитие возможностей электронного сканирования WSAM. Исследовательской лабораторией ВВС.

Список литературы

1. Ф. Мохамади, «Предложено полностью электронно управляемое формирование луча. технология для увеличения покрытия «IEEE P802.15 Рабочая группа по беспроводной связи Персональные сети (WPAN), март 2005 г., Атланта, штат Джорджия,
2. Б. Кливленд и др., «Использование масштабирования обратного межсоединения CMOS в несколько гигагерц. конструкция усилителя и генератора », IEEE Journal of Solid-State Circuits , Vol. 36, No. 10, октябрь 2001 г., стр. 1480-1487
3. Ф. Мохамади, «Интеграция Si с фазированной антенной решеткой миллиметрового диапазона», RF Design, февраль 2004 г., стр. 40-48
4. Стандарты IEEE 802.3ae, «Параметры управления доступом к среде (MAC), физические Уровень и параметры управления для работы со скоростью 10 Гбит / с, http: // grouper.ieee.org/groups/802/3/a e / public /
5. М.З. Вин и Р.А. Scholtz, «Spreadspectrum со сверхширокой полосой пропускания со скачкообразной перестройкой времени» импульсное радио для беспроводной связи с множественным доступом « IEEE Trans. Comm. об. 48, стр. 679-689, апрель 2000

Как работают антенны с фазированной решеткой

Одна из этих экзотических антенн в вашем будущем.

Что вы думаете, когда слышите термин антенна? Вы представляете себе вышку сотового телефона, старую телевизионную антенну, вертикальную штыревую антенну, используемую для CB-радио, или проволочную антенну, используемую радиолюбителями? Или что-то совсем другое?

бывают самых разных форм в зависимости от приложения, услуги и частоты эксплуатации.Некоторые антенны вы даже не видите — например, четыре или пять единиц в вашем смартфоне. Эти антенны представляют собой одноэлементные устройства, металлическую структуру или рисунок печатной платы (PCB), которые подключены к приемнику или передатчику с помощью линии передачи.

Теперь появляется еще один тип антенны, предназначенный для будущих экзотических сотовых систем 5G и других передовых беспроводных продуктов, таких как маршрутизаторы Wi-Fi. Эта антенна представляет собой фазированную решетку: группа антенн, которые работают вместе, чтобы обеспечить некоторые значительные преимущества и возможности, недоступные с известными нам простыми антеннами.

Фазированные антенные решетки в течение многих лет использовались в военных радарах для обнаружения ракет на большом расстоянии. Они также широко используются в радарах военных и коммерческих самолетов и некоторых спутниках. Эти фазированные массивы дороги, но сегодня, благодаря новой технологии и более высоким частотам, фазированные массивы меньше и более доступны, что делает их практичными для новых беспроводных устройств. Эта статья представляет собой вводное руководство по этому особому типу антенн, о котором вам нужно знать.

Типы антенн

Для создания решетки используются различные типы антенных элементов.В фазированных решетках обычно используются диполь и патч; см. Рисунок 1 .

РИСУНОК 1. Общие типы антенн: (а) полуволновой диполь; (б) патч.

Диполь — это основной провод на половине длины волны, подключенный к центру. Патч обычно представляет собой медный квадрат половинной длины на печатной плате. Были использованы другие типы антенн. Расстояние между антенными элементами меняется в зависимости от конструкции, но обычно немного больше или меньше половины длины волны.

Запомните взаимосвязь между частотой (f) и длиной волны (λ):

f = 300 / λ
λ = 300 / f

Здесь λ в метрах, а f в МГц.

Например, частота 1296 МГц имеет длину волны:

λ = 300/1296 = 0,23 метра или 23 см

Половина длины волны:

λ / 2 = 11,5 см или около 4,5 дюймов

(ПРИМЕЧАНИЕ: 2,54 см на дюйм.)

Также имейте в виду, что длина антенны зависит от частоты работы.Половина длины волны обычно вычисляется с помощью выражения:

L = 492 / f

, где f — частота в МГц, а длина L в футах. Эту формулу также можно использовать, если L в метрах:

λ = 150 / f

Чем выше частота, тем меньше антенна. На более низких частотах антенны слишком велики, чтобы их можно было использовать. Например, на частоте 30 МГц половина длины волны составляет около 16,4 футов в длину. Множественный массив был бы огромным. Однако на частоте 5 ГГц или 5000 МГц половина длины волны составляет всего

λ / 2 = 150/5000 = 0.03 метра или 1,18 дюйма

Массивы большего размера на высоких частотах меньше и практичнее.

Многие из новых сотовых систем 5G будут работать в миллиметровом диапазоне волн; 28 ГГц является примером. Только одна половина длины волны на этой частоте:

λ / 2 = 150/28000 = 0,00536 метра или 0,21 дюйма

Половина длины волны на 60 ГГц (популярный нелицензионный диапазон частот) составляет всего:

λ / 2 = 150/60000 = 0,0025 метра или примерно 0,1 дюйма

На этих частотах большие массивы могут быть упакованы в небольшом пространстве.Антенная решетка может быть даже достаточно маленькой, чтобы ее можно было интегрировать в полупроводниковый кристалл вместе с соответствующей схемой. Это переводится в фазированные решетки внутри смартфонов и другого портативного оборудования.

На рисунке 2a показана диаграмма направленности основного диполя. Его диаграмма, изображенная на фигуре 8, заставляет большую часть мощности излучаться в поперечном направлении от антенного элемента, а также в других направлениях, за исключением тех, которые находятся на концах антенных элементов. При использовании нескольких антенн в решетке диаграмма направленности может быть сформирована в виде более узкого луча, как показано на , рис. 2b, .Эта диаграмма или лепесток состоит из множества сигналов от множества антенн в решетке. Сигналы сфокусированы, что делает их сильнее и позволяет направить луч в нужном направлении.

РИСУНОК 2. Диаграммы направленности диполя (a) и пятна (b).

Определение фазированной решетки

Фазированная антенная решетка — это две или более антенны, используемые вместе для обеспечения некоторых желаемых характеристик или функций, недоступных для одной антенны. Массив обычно представляет собой набор из нескольких антенн, расположенных в виде матрицы строк и столбцов или какой-либо другой схемы.

На рис. 3 показан пример использования 16 квадратных патч-антенн на печатной плате. Антенны в матрице питаются индивидуально, но вместе они работают вместе как одна антенна. На задней стороне печатной платы есть медная объединительная панель, которая действует как отражатель. Линии подачи не показаны.

РИСУНОК 3. Массив из 16 патчей на печатной плате. Задняя часть платы представляет собой сплошную медную объединительную панель, которая служит отражателем. Линии подачи не показаны.

Вся идея фазированной решетки заключается в достижении некоторых необходимых функций.Вот эти ключевые особенности:

• Gain — усиление похоже на усиление. Некоторые типы антенн повышают уровень сигнала или эффективную излучаемую мощность (ERP), как если бы использовалась большая мощность сигнала. Усиление применяется как к передаче, так и к приему.
• Направленность — Направленность подразумевает, что антенна более эффективна в том или ином направлении. Направленность означает, что сигнал узко сфокусирован в одном направлении. Эта фокусировка сигнала и создает усиление антенны. На рис. 2 показана диаграмма направленности стандартного диполя и диаграмма направленности (или лепестка) фазированной решетки.
• Минимизация помех — Направление антенны в определенном направлении означает, что она менее эффективна в других направлениях. Эта функция помогает устранить или уменьшить помехи для сигналов, поступающих с других направлений. Для исключения нежелательных сигналов могут быть созданы нулевые значения.
• Steerable — Фазированные решетки можно отрегулировать для изменения положения лепестка на лету.Направление сигнала можно изменить электронным способом для оптимизации усиления. Это позволяет им сканировать по горизонтали и / или по вертикали.

Работа с фазированной решеткой

Фазированные массивы реализуют то, что мы называем формированием луча. Это делается путем взятия диаграмм направленности каждой из антенн в решетке и их сложения таким образом, чтобы они концентрировали энергию в узком луче или лепестке. Считается, что сигналы отдельных антенн создают взаимные помехи либо конструктивно, либо деструктивно.Некоторые сигналы объединяются, чтобы сформировать более сильный композитный сигнал, в то время как другие частично компенсируют друг друга.

Передаваемый радиосигнал представляет собой синусоидальную волну. Когда вы алгебраически складываете две синусоидальные волны одной и той же частоты, но с разными фазами, вы получаете еще одну синусоидальную волну той же частоты, но с другой амплитудой и фазой. Управляя фазой и амплитудой сигнала на каждой антенне, составной луч можно изменять как по ширине, так и по длине (уровню мощности). Кроме того, луч можно направить в нужном направлении.

Есть несколько способов реализовать фазированную решетку. Более старый аналоговый метод показан на рис. 4 . РЧ-сигнал от усилителя мощности передатчика (УМ) отправляется на делитель мощности, который разделяет РЧ-сигнал на равные количества сигнала, создавая несколько путей к антеннам. Сигналы проходят через аттенюаторы и фазовращатели, которые позволяют индивидуально регулировать уровень и фазу сигнала для каждого антенного элемента.

РИСУНОК 4. Оригинальный подход к реализации массива с отдельными схемами.Приращения фазы выбираются для создания лепестка желаемой ширины и точки в желаемом направлении.

Фазовращатели вводят короткую задержку, которую можно изменять. Эти фазовращатели и аттенюаторы можно регулировать электронно, чтобы можно было быстро вносить изменения по мере необходимости.

На рисунке 4 показано, как фазовращатели влияют на составной сигнал. Красная кривая представляет собой волновой фронт от каждой антенны. Без задержки на верхней антенне и равных инкрементных задержек на нижних элементах вы можете видеть, что задержанные волны возникают дальше по времени вправо.Затем они объединяются, чтобы создать составной волновой фронт, который смещен вверх под углом.

В этом более старом методе использовались отдельные аттенюаторы, фазовращатели и другие компоненты. Новый подход — модульный. То есть антенный элемент и соответствующие усилители передачи и приема, переключатели, аттенюаторы и переключатели упакованы вместе как модуль; см. Рисунок 5 . В режиме передачи сигнал от трансивера проходит через аттенюатор, фазовращатель и переключатель T / R на усилитель мощности, а затем на антенну.

РИСУНОК 5. Модульный подход к созданию корпусов с фазированной решеткой со всеми компонентами на одном кристалле. Аттенюаторы и фазовращатели изменяются электронным способом с помощью внешнего микроконтроллера, который запрограммирован на реализацию желаемой ширины и направления луча.

В режиме приема сигнал от антенны проходит через переключатель T / R на малошумящий усилитель и через фазовращатель и аттенюатор в приемную часть трансивера.

Эти модули могут быть упакованы вместе в виде массива по мере необходимости. Сегодня полупроводниковая технология позволяет разместить один или несколько модулей на одном полупроводниковом кристалле.

Хорошим примером коммерческого продукта, доступного для реализации фазированных решеток, является семейство фронтальных модулей с фазированной антенной решеткой миллиметрового диапазона миллиметрового диапазона волн Anokiwave. AWMF-0139 работает в диапазоне от 24 до 26 ГГц, выделенном для будущих сотовых сетей 5G. Он инкапсулирует четыре модуля на одну ИС. Рисунок 6 показывает, как 64 из этих микросхем могут быть использованы для создания массива 4 x 64 = 256 элементов.Еще одна похожая ИС — Analog Devices ADAR1000.

РИСУНОК 6. ИМС Anokiwave AWMF-0139 содержит четыре антенных модуля. Эти микросхемы устанавливаются на задней стороне печатной платы, а патч-матрица — на передней.

MIMO

Фазированные антенные решетки также могут использоваться для множественных входов и выходов (MIMO). MIMO — это метод, который передает одни и те же данные с помощью нескольких антенн по одному и тому же пути в одной и той же полосе пропускания. Это делает две вещи.

Во-первых, каждый сигнал направляется к приемным антеннам по разному.Результат — меньшее затухание и большая надежность данных. Во-вторых, MIMO умножает скорость передачи данных на коэффициент, который определяется количеством передающих и приемных антенн. Общие конфигурации: 2 x 2, 4 x 2, 4 x 4 и 8 x 8, где первое число — это количество передающих антенн, а второе число — количество приемных антенн.

Многоэлементную фазированную решетку можно разделить на секции, что делает ее пригодной для некоторых приложений MIMO. Например, массив из 256 элементов может быть скомпонован так, чтобы обеспечить четыре массива из 64 элементов или шестнадцать массивов из 16 элементов.Благодаря возможности управления лучом путь прохождения сигнала может быть оптимизирован для достижения наилучших характеристик.

Кроме того, сотовые радиостанции 5G, работающие в миллиметровом диапазоне волн, будут использовать MIMO для обеспечения гигабитных скоростей передачи данных. Серьезным препятствием является установка фазированной антенной решетки в телефонную трубку смартфона. Первоначально будут использоваться две антенны, позже их количество будет увеличено до четырех. MIMO также широко используется в маршрутизаторах Wi-Fi. NV

Микроволны101 | Антенны с фазированной решеткой

Новое в сентябре 2018 г .: вот страница о цилиндрических фазированных решетках

Новинка декабря 2017 г .: вот наконечник фазированной решетки от Colin!

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу, посвященную AESAs

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу о PESA

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

Щелкните здесь, чтобы перейти на страницу, посвященную устройствам с выдержкой времени (TDU)

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу решетчатых лепестков

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу расчета ошибок RMS

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу об антеннах

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу, посвященную фазовращателям

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу страницу о сегнетоэлектрических фазовращателях

Перейдите на нашу страницу загрузки и получите таблицу фазовой решетки!

Ознакомьтесь с практическим правилом увеличения диафрагмы внизу этой страницы!

Фазированные решетки — это полная противоположность «убийцам карьеры» микроволновки.Большая часть материала на этой странице предоставлена ​​Арне Люкером, другом Microwaves101! За двумя отличными учебниками по фазированным решеткам перейдите на страницу нашей книги и возьмите копию книг Стимсона или Сколника.

Применение фазированных решеток

Фазированные антенные решетки могут быть электрически управляемыми, что означает, что физическая антенна может быть стационарной. Эта концепция может устранить все проблемы, связанные с подвесом в радиолокационной системе. Он может удерживать антенну 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 указать объекты в космосе, где каждое движение потребует равной и противоположной массы для перемещения, чтобы спутник оставался стабильным. . Приемник с фазированной решеткой можно установить заподлицо на верхней части фюзеляжа коммерческого самолета, чтобы все счастливые пассажиры могли принимать спутниковое телевидение!

Вы можете быть удивлены, узнав, что изобретателем фазированной решетки был Карл Фердинанд Браун, примерно в 1905 году, для междугородной радиосвязи Маркони и Браун.Вот пример ранней тестовой группы L-диапазона, разработанной Sperry Rand и оцененной лабораторией Линкольна Массачусетского технологического института в начале 1960-х годов. Забегая вперед во времени, на фотографии рядом с ним изображена хорошо известная фазированная антенная решетка для ракеты «Патриот». Что означает аббревиатура «Патриот»? Трек с фазированной решеткой на перехват цели. Он заменил «Самонаводящийся универсальный убийца» или ракету «Ястреб». Есть некоторые мелочи, которые вы не узнаете в Википедии !!!

Радар Патриот, изображение из Википедии.com

Пока существует не так много потребительских применений фазированных массивов, за исключением некоторых новых маршрутизаторов WiFi. Это связано с тем, что они могут быть довольно дорогими из-за необходимости во многих микроволновых фазовращателях и их управляющих сигналах. Помимо затрат на фазовращатель, фазированным решеткам обычно требуется малошумящий усилитель на каждом элементе для приема и усилитель мощности на каждом элементе для сигнала передачи. Одним из развивающихся потребительских рынков фазовых решеток является спутниковое телевидение для транспортных средств, таких как дома на колесах.За пару тысяч долларов ваши дети теперь могут смотреть восемь каналов Disney, пока вы путешествуете по раскрашенной пустыне в своем Виннебаго. Жизнь хороша, особенно если она появляется на маленьком экране! Конечно, основной движущей силой всех достижений в области потребительских технологий является порнография. В этом случае теперь вы и ваша подруга можете смотреть фильмы с оплатой за просмотр на канале Playboy, не выходя из своего транспортного средства для отдыха!

Физика фазированных решеток такова, что антенна является двунаправленной, то есть они обеспечивают одинаковую управляемую диаграмму направленности как при передаче, так и при приеме.Во многих приложениях необходимы как передающие, так и приемные системы; решение этой проблемы известно как модуль приема / передачи (модуль T / R), который будет предметом обсуждения в другой день.

Свойства фазированной антенной решетки

Принцип фазированной решетки заключается в синтезе заданного электрического поля (фазы и амплитуды) через апертуру. Результирующий луч аппроксимирует преобразование Фурье распределения электрического поля. Отдельные антенны часто находятся на расстоянии около половины длины волны друг от друга.Разумеется, в разреженных массивах расстояние между элементами намного больше, но их поведение и полезность, вероятно, выходят за рамки того, что вы хотите здесь изучить.

Добавление сдвига фазы к сигналу, принимаемому или передаваемому каждой антенной в решетке 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. Power: Собранный сигнал представляет собой комбинированный сигнал всех отдельных антенн, поэтому он сильнее.
2. Beam Shaping: диаграмма направленности комбинированных антенн может быть намного уже, чем у любой из отдельных антенн.
3. Управление лучом: направление максимальной чувствительности коллективной антенны можно изменить без механического изменения положения отдельных антенн. Для массива с электронно регулируемыми фазовращателями вы можете переключать положение луча так же быстро, как вы можете переключать фазовые сдвиги.Большие антенны движутся довольно медленно.
4. Надежность: в случае одиночной антенны, если система позиционирования выйдет из строя, вы не сможете указать ни на что, кроме как на линию прямой видимости антенны. Для антенной решетки, если одна антенна выходит из строя, все остальные продолжают функционировать, а коллективная диаграмма направленности немного изменяется (это называется постепенной деградацией).
5. Вес: для бортовых применений вес фазированной антенной решетки меньше, чем у сопоставимой быстроуправляемой одиночной антенны на карданном подвесе.
6. Стоимость: очень большую антенну с механическим управлением можно заменить набором менее дорогих антенн меньшего размера без потери разрешения (хотя один криогенный приемник может стоить меньше, чем набор криогенных приемников), но сравнение затрат затруднено без подробного рассмотрения. Системные Требования.
7. Multiple Beams: Используя широкий диапазон управления, обеспечиваемый фазовращателями, вы можете синтезировать характеристики нескольких лучей, если хотите.
8. Цифровой или микшерный вариант: вы действительно можете обойтись без аналоговых фазовращателей, преобразовав его с понижением в базовую полосу, а затем фильтруя и сдвигая сигнал в цифровом виде.С другой стороны, вы можете сместить фазу сигнала IF или LO вместо сигнала RF. В цифровом режиме или режиме работы ПЧ / гетеродина сложность и стоимость отдельных приемников возрастают, поскольку вам необходимо распределять сигнал гетеродина на каждую антенну. Я не уверен, что для больших массивов оно того стоит, но некоторые автомобильные радары сканируют по частоте.

Но, как всегда, даром ничего не дается.

1. Угол сканирования: если цель находится низко над горизонтом, механическая антенна наклоняется, и вся апертура улавливает сигнал.Когда вы увеличиваете фазированную решетку так, чтобы она указывала в этом направлении, физическая конфигурация апертуры (скажем, параллельна земле) не меняется, но эффективная собирающая площадь апертуры уменьшается. Если цель находится на горизонте, массив направлен к цели ребром и улавливает очень слабый сигнал. С другой стороны, концепция фазированной решетки позволяет размещать антенные элементы на изогнутой поверхности, например куполе, но, как обычно, необходимо оценить компромиссы, прежде чем продолжить.
   
2. Полоса пропускания: Большинство фазовращателей предназначены для обеспечения постоянного фазового сдвига в диапазоне частот. Гадкий секрет в том, что мы приближали задержку сигнала к фазовому сдвигу сигнала. Задержанный сигнал имеет линейный сдвиг фазы с частотой. Для сигналов с широкой мгновенной полосой пропускания и фазированной решетки, настроенной на узкую ширину луча, луч с управляемым фазовым сдвигом будет изменять свое направление наведения с частотой (косоглазие). Этого может быть достаточно, чтобы полностью отвести луч от цели, что приведет к значительному снижению собираемого сигнала.Не все так плохо. Вы можете использовать это свойство для сканирования луча путем сканирования частоты.

   Фазовый сдвиг для выстраивания волн перед объединением равен 2π (d / λ) sinθ, где d — расстояние между элементами решетки, 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 будет (d / c) sinθ, где c — скорость света (распространение). Обратите внимание, что шаблон теперь не зависит от частоты.
   

3. Взаимная связь: Еще одно приближение, которое мы использовали, заключается в том, что каждая отдельная антенна работает одинаково, даже когда она окружена другими антеннами. К сожалению, это не случай. Конструкцию необходимо изменить, чтобы уменьшить влияние взаимной связи.

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: решетка с электронным управлением

CPA: цилиндрическая фазированная решетка

PESA: пассивная решетка с электронным управлением

AOA: угол прихода, также известный как угол обзора

ULA: однородный линейный массив

UCA: однородный круговой массив

UGA: единый сеточный массив

TDU: блок временной задержки

Как проектировать системы с фазированной решеткой

Наши друзья из Keysight Technologies загрузили видео по этой теме на свою страницу YouTube.

В этом видео рассказывается о наиболее важных аспектах проектирования систем с фазированной антенной решеткой, особенно популярных для предлагаемых архитектур 5G. Он начинается с основ проектирования фазированных решеток, а затем охватывает четыре ключевых параметра архитектуры фазированных решеток. Затем на примере показано, как шаблон дальнего поля влияет на общую производительность системы, и какие факторы влияют на этот шаблон в дальней зоне в процессе проектирования.

Др.Мурти Упмака из Keysight объясняет, как проектировать системы с фазированной решеткой

Антенны для фазированных решеток

Фазовращатели в основном используются в антеннах с фазированными решетками (радиолокационные системы), но теперь и в некоторых автомобильных радарах. Стоит немного отступить, чтобы поближе познакомиться с антенной.

Антенну следует рассматривать как согласующую сеть, которая принимает мощность от линии передачи (например, сопротивление 50 Ом) и согласовывает ее с «импедансом» свободного пространства 377 Ом.Наиболее важным параметром является изменение КСВН (коэффициента стоячей волны напряжения) с частотой. Схема обычно не сильно меняется до начала неприемлемого КСВ (> 2: 1). Для данного физического геометрического размера антенны фактическая диаграмма направленности зависит от частоты.

Диаграмма направленности антенны, изображенная на рисунке 1, предназначена для диполя. Максимальное усиление нормализовано к внешней стороне 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 при 1,25, а боковой лепесток на самом деле имеет большее усиление, чем главный луч при 1,5. Поскольку диаграмма направленности изменяется с изменением частоты, изменяется и усиление.

Рисунок 1. Частотные эффекты

Эффекты массива

На рисунке 2 показаны эффекты фазы / решетки, которые представляют собой еще один метод получения различных диаграмм направленности. На рисунке параллельные диполи видны с торца. Можно видеть, что изменение фазы двух передач может вызвать изменение направления диаграммы направленности.Это концепция фазированных антенных решеток. Вместо того, чтобы иметь систему, которая механически перемещает направление антенны в пространстве, фаза излучающих компонентов изменяется электронным способом, создавая движущуюся диаграмму без движущихся частей. Также видно, что увеличение количества элементов дополнительно увеличивает направленность массива. В массиве диаграмма действительно сильно зависит от частоты из-за расстояния между элементами (измеряемого в длинах волн) и частотной чувствительности схем фазового сдвига.

Примечание: у нас был ряд комментариев по поводу очевидной ошибки на этом рисунке. Вместо того, чтобы исправлять фигуру, мы расскажем, что с ней не так, по словам Тома:

«Я смотрел раздел под названием» Фазированные антенные решетки «и заметил возможную ошибку со средним рисунком на рис. 2. Диаграмма направленности, показанная для антенн, разнесенных на 1/2 волны и подаваемых на 90 градусов не по фазе, на самом деле является диаграммой направленности Антенны, разнесенные на 1/4 волны, подавались на 90 градусов не по фазе.

Критической переменной, не включенной в раздел «Антенны с фазированной решеткой», было влияние разнесения антенн на диаграмму направленности решетки. Учитывая ULA (однородный линейный массив), в поперечном режиме шаблон всегда симметричен (в форме цифры 8) для любого расстояния между элементами. Расстояния, кратные 1/4 длины волны, также симметричны в направлении конечного пламени. Расстояния с нечетными интервалами в 1/4 длины волны асимметричны в режиме торцевого пламени, постепенно становясь симметричными по мере того, как фазировка элемента поворачивает луч вокруг в поперечном режиме. «

От другого антенного парня Джастина:

« Он прав. Эта цифра неверна:

k * d = pi для шага полуволны

Чтобы направить массив с разнесением полуволн до конца, вам необходим сдвиг фазы на 180:

необходимый фазовый сдвиг = k * d sin (theta) = pi * sin (90) = pi = 180 градусов

Эти парни из НАСА не умеют приседать! »

(Первоначальная цифра была получена из НАСА…)

Рис. 2. Эффекты фазы / решетки

Линейную фазированную решетку с одинаковыми разнесенными элементами легче всего анализировать, и она составляет основу большинства конструкций решеток. На рисунке 3 схематично показан линейный массив корпоративных каналов с шагом d элементов. Он самый простой и до сих пор широко используется. Управляя фазой и амплитудой возбуждения каждого элемента, как показано, мы можем управлять направлением и формой луча, излучаемого решеткой.Фазовое возбуждение _(n) управляет углом наведения луча ₀ в фазированной решетке. Для получения поперечного луча, ₀ = 0, требуется фазовое возбуждение, = 0. Для других углов сканирования требуется возбуждение, (n) = nkd sin (0), для элемента n ^th , где k — волновое число ( 2 /). Таким образом, линейная фазированная решетка может излучать луч в любом направлении сканирования, 0 при условии, что диаграмма элементов имеет достаточную ширину луча. Амплитудное возбуждение A _n можно использовать для управления формой луча и уровнями боковых лепестков.Часто амплитуда возбуждения сужается аналогично тому, как это используется для апертурных антенн, чтобы уменьшить уровни боковых лепестков. Одна из проблем, которые могут возникнуть с фазированной антенной решеткой, — недостаточная ширина полосы, поскольку фазовый сдвиг обычно не достигается за счет введения дополнительной длины пути. Однако следует отметить, что в широком смысле корпоративный канал имеет одинаковую длину пути и хорошую полосу пропускания для этого угла сканирования.

Рисунок 3.ФАР корпоративного питания

Алмаз против квадратной решетки

Скоро в продаже!

Как избежать решетчатых лепестков

Теперь у нас есть отдельная страница, посвященная лепесткам решетки, расположенная здесь. С прикольными картинками!

Лепесток решетки возникает, когда вы слишком далеко поворачиваете с фазированной решеткой, и главный луч снова появляется не с той стороны. Элементы должны быть расположены правильно, чтобы избежать появления решетчатых лепестков. Уравнение максимального интервала является функцией рабочей длины волны и максимального угла обзора:

Таким образом, для угла обзора 30 градусов dmax составляет (2/3) xlambda, а для угла обзора 60 градусов dmax равно 0.54 лямбда.

Расчет усиления антенны в фазированной решетке

Коэффициент усиления в фазированной решетке зависит как от усиления отдельного элемента, так и от количества элементов. Коэффициент увеличения диафрагмы рассчитывается по формуле:

Вот эмпирическое правило Microwaves101, предоставленное Гленном:

Количество элементов, необходимых в фазированной антенной решетке с электронным сканированием, можно оценить по коэффициенту усиления, который она должна обеспечивать. Для массива с усилением 30 дБ требуется около 1000 элементов, а для массива с усилением 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 фазированной решетки заключается в том, что вы хотите максимизировать объем сканирования; вы не хотите, чтобы коэффициент усиления системы быстро падал при удалении от борта из-за структуры элементов. На практике большинство излучателей, используемых в фазированных решетках, обеспечивают усиление около шести дБ.

Итак, что происходит при сканировании вне поля зрения? Коэффициент усиления падает как косинус угла.Таким образом, при 60 градусах вы получаете половину усиления в поперечном направлении, а когда вы доходите до состояния конца стрельбы, усиление снижается до нуля. Это единственная проблема с фазированными массивами, которая может заставить вас пересмотреть подход с подвесом. Чтобы получить полный охват на 360 градусов, обычно требуется четыре фазированных решетки, вы можете сделать это с помощью одной вращающейся антенны.

Блоки задержки времени (TDU)

TDU используются на уровне подматрицы в фазовой решетке, чтобы улучшить работу массива по частоте. Временная задержка необходима для того, чтобы все фазовые центры были примерно равны фазовой длине приемника или возбудителя, в противном случае луч будет искажаться по частоте.Ознакомьтесь с TDU здесь.

Узнайте, когда использовать TDU по сравнению с фазовращателями.

ФАР 60 ГГц за 10

Фазированная антенная решетка 60 ГГц за 10 долларов

В 2018 году я выступал на Hackaday Supercon с докладом, который по сути представлял собой Phased Arrays 101. Вы можете посмотреть его внизу этого поста.

В конце этого выступления я упомянул, что ищу сотрудников для разработки небольшой недорогой фазированной антенной решетки с использованием действительно уникального чипа, который я нашел.Этим чипом был SB9210 от SiBeam. Эта часть изначально предназначалась для использования в WirelessHD, протоколе беспроводной потоковой передачи видео, который так и не стал популярным. Причина, по которой эта деталь такая крутая, заключается в том, что она представляет собой целую фазированную решетку на частоте 60 ГГц на кристалле, включая антенны, с возможностью передачи и приема. Покупался прямо у производителя по цене 15 долларов в разовых количествах.

А теперь плохие новости: SiBeam был куплен Lattice Semiconductor, и прямо перед тем, как я выступил с этим докладом, Lattice закрыл всю организацию SiBeam и прекратил поддержку и производство этой части.Я узнал об этом только через несколько месяцев, когда связался с инженерами по продажам, с которыми я разговаривал по этой части, и они рассказали мне, что произошло.

Но есть и хорошие новости. Вы все еще можете купить SB9210, если знаете, где искать. Хотя они больше не производятся, когда-то они были включены в некоторые смарт-телевизоры и некоторые ноутбуки высокого класса. Если вы знаете правильные загадочные буквы для ввода на ebay, вы можете найти сменные платы для тех ноутбуков, которые содержат чип, а также вспомогательную схему.По сути, это доска для разработки! Я видел, как цена на них снижается до 6 долларов за штуку, и нередко можно найти их по 10 долларов. Вопрос в том, как с ними разговаривать.

В этих микросхемах используется что-то вроде шины QSPI для установки регистров управления и перемещения данных на микросхему и обратно. Несмотря на то, что я искал несколько месяцев, мне так и не удалось найти техническое описание SB9210. Информация, которую я, , смог узнать, взята из таблиц данных для более поздних версий версий SB9210, Sil6310.Перед тем, как SiBeam был закрыт, я смог получить полные спецификации для этой и еще одной детали из того же семейства от их инженеров. Эти листы данных требовали NDA, которое я подписал со своей компанией. Несмотря на то, что SiBeam отключен, Lattice все еще существует, и пока я не получу от них разрешения, я не могу поделиться этими таблицами данных NDA. Я надеюсь, что последовательный интерфейс на более поздних версиях микросхемы достаточно близок к SB9210, чтобы драйвер мог быть написан с использованием документации от Sil6310.Мне удалось найти только SB9210 на ebay, но не Sil6310.

Может быть другой способ перепроектировать интерфейс связи с этим чипом. SB9210 — это радиочастотный интерфейс, и есть сопутствующий чип, который им управляет (также произведенный SiBeam). Обнюхивая следы между этими двумя ИС, можно было бы выяснить, какие команды используются для настройки и отключения передатчика, отправки данных для передачи и приема данных. Я считаю, что на SB9210 отправляются только образцы I и Q.

Итак, вот как найти эти детали: выполните поиск по любому из этих условий на ebay, чтобы получить SB9210 (чип внешнего интерфейса RF):
J4DFM
с передатчиком
0j4dfm
передатчик m14x
передатчик m17x
передатчик m18x
039pkf
39pkf
6YC1 4VWVN
m18xr2
m17xr4
kvr0y
5ht44
208-1a
b71
0ywxt1
ywxt1
wp6px

Чтобы найти сопутствующий чип / контроллер, выполните поиск по:
WirelessHD WiHD Transmitter Card
CHA01
5HT44

Если вы ищете «wirelessHD», вы также можете иногда найти продукты для создания беспроводного соединения HDMI, и они будут иметь полную реализацию этой части, которая также может быть полезна для анализа / обратного проектирования.Я знаю, что в альянсе WirelessHD были и другие компании, поэтому не уверен, есть ли конкурирующие чипы. Пока что я видел только одну семью от SiBeam.

Что было бы действительно круто, так это построить плату USB, которая подключается к одной из плат SB9210 и подключается к gnuradio. Вы можете проводить всевозможные аккуратные радиолокационные эксперименты, обнаружение присутствия, формирование луча и т. Д. Вроде как RTL-SDR на 60 ГГц.

Хотя я не могу отказаться от имеющихся у меня таблиц данных о неразглашении информации, есть много общедоступных материалов, если вы внимательно присмотритесь.По ссылкам ниже я нашел кое-что из того, что я нашел в Google. Если вы хотите помочь с этим, или если у вас есть какая-либо информация о SB9210, дайте мне знать! hunter на hscott.net или @hunterscott в твиттере.

Несколько человек прислали мне электронные письма с вопросами о том, как они могут помочь в этом проекте, и это действительно захватывающе. Я запустил сервер Discord и приглашаю всех, чтобы мы все вместе могли поделиться тем, что узнали. Вот он:
https://discord.gg/PwMK82a

Если вам это показалось интересным и вы хотите узнать больше о проектировании электроники, посмотрите книгу, над которой я работал: проектирование электроники.com

Документы по испытаниям FCC для SB9210

Обновление : другие продукты, использующие это семейство компонентов (также известные как неисправные продукты, в которых использовался WirelessHD:

W2H
Acer MWiHD1 -> https://fccid.io/HLZMWIT1/Internal-Photos/Internal-Photos-2532935
AzureWave WH064T -> https://fccid.io/TLZ-WH064T/User-Manual/User-manual -2042485
Другие продукты через fccid.io -> https://www.google.com/search?client=firefox-b-d&q=site%3Afccid.io+wirelesshd

2-фазная вертикальная решетка 40 м

На прошлой неделе я построил вертикальную базуку на 40 м (см. Ссылку здесь) с хорошими результатами.

Это вдохновило меня на создание второго и реализацию двухфазной системы с вертикальными решетками.

Я выбрал для системы фазирования Christman: просто и легко построить

Теперь, практически … просто, да … но …

Здесь я расскажу, как сделал: наверное, есть методы получше. Я далек от того, чтобы быть особенным!

Первое: начало сборки двух одинаковых вертикальных антенн базуки

• Центральная частота: 7,050 МГц
• Радиалы: система из 4 приподнятых радиалов на высоте 2 м над землей
• Коаксиальный кабель, из которого построены антенны: б / у h200
• Верхний удлинитель антенны (часть C на рисунке ниже): Обрыв 300 Ом на обоих концах закорочен
• Измеренный коэффициент скорости коаксиального кабеля (*): 0.82

(*) Не слишком доверяйте данному скоростному коэффициенту коаксиальных кабелей, которые у вас есть: мудрый человек проверит его с помощью антенного анализатора (я использую MFJ 259-B), иногда результаты очень удивительны. со старыми кабелями, проложенными в лачуге годами, или мало окисленными, или часто дешевыми кабелями, поставляемыми «экзотическими производителями».

Я использовал формулы, приведенные на странице о вертикальной базуке:

А = (230 / F) * 0.305 (метры) = (230 / 7,050) * 0,305 = 9,95 м

B = A * Vf = 9,95 * 0,82 = 8,16 м

C = (A — B) = 1,79 м

S = +/- 10 см (не критично)

R = A * 1,05 = 9,95 * 1,05 = 10,45 м

Обе антенны были изготовлены одинаково, смонтированы вдоль рыболовных корней из стекловолокна и установлены на высоте примерно 2 м над землей.

КСВ обеих антенн не превышал 1,2: 1 на всем диапазоне 40 м.

Фазирующие линии … другая история ….

λ / 4 = 75 / 7,05 = 10,638 м

90 ° = 10,638

1 ° = 1,638 / 90

84 ° = (10,638 / 90) * 84 = 9,93 м

71 ° = (10,638 / 90) * 71 = 8,39 м

Частота λ / 4 = 9,93 м => 7,54 МГц

Частота λ / 4 = 8,39 => 8,94 МГц

Vel.fact коаксиальный кабель. = 0,65

Длина патрубка 84 ° = 9,93 м * 0,65 = 6,45 м

Длина патрубка 71 ° = 8,39 м * 0,65 = 5,45 м

Теперь я отрезал куски коаксиального кабеля немного длиннее, чем упоминалось, я установил соединитель с одной стороны, а другую оставил открытой и определил с помощью MFJ-259B правильную длину четверти волны.Вы должны найти провал и значение X = 0 или близкое к 0.

Чтобы быть уверенным: я проверил на соответствующих частотах, где моя длина коаксиального кабеля реагирует как 3 или 5 четвертьволны, я заметил, что значения X = 0 более выражены на более высоких частотах.

Пример: если ваш провал составляет около 6,58 МГц и показывает X = 1 или 2, я пробую 19,7 МГц (6,58 X 3): и я проверяю, если X = 0 на этой частоте, при необходимости отрегулируйте заново. Повторите эти меры несколько раз, прежде чем вставлять коаксиал.

Работа на более высоких частотах позволяет работать точнее.

После того, как коаксиальные компоненты были готовы, я смонтировал фазирующие линии и использовал коаксиальное реле, я не использовал реле K1, как показано на рисунке.

Последние отзывы:

Ваши лучшие враги:

разъемы «Т» SO-239 (особенно дешевые от «экзотических» производств).

разъемы PL-259, пожалуйста, используйте профессиональное качество (например, амфенол),

неправильный метод сборки разъемов.

Вкратце: насколько сложнее, насколько больше нужно собрать «по последнему слову техники».

Меры:

Измеренный КСВ фазировки в обоих направлениях не превышает 1,3: 1 на всем диапазоне.

Практические результаты:

Наблюдается сильный эффект направленности и хорошее соотношение сторон и цветов.

Смотрите это демонстрационное видео здесь

Я успешно установил связь со станциями США, используя только 50W SSB. Не так уж и плохо ….

Формирование луча любительского радио с помощью фазированных решеток

Фазирование антенны используется для формирования луча любительского радио и прослушивания коротких волн, особенно на нижних диапазонах, где использование обычных лучей невозможно.

Большинство радиолюбителей используют антенны Яги для формирования луча на более высоких частотах. Яги отличаются от фазированных решеток. В Яги управляется только один элемент. Остальные элементы — паразиты, которые повторно излучают управляемый сигнал в разных фазах.В настоящей фазированной решетке все элементы приводятся в действие непосредственно на разных фазах.

На более низких частотах невозможно использовать Яги из-за требований к размеру и высоте. Вместо этого радиолюбители используют формирование луча. Типичное решение — четырехугольный массив, показанный выше. С их помощью оператор устанавливает четыре монополя с высотой длины волны λ / 4 и расстоянием между ними. Каждый монополь подключен к линии передачи переменной длины, которая вводит шаблоны в зависимости от выбора. В качестве альтернативы используется общая согласующая сеть RF, которая обеспечивает задержки -90 ° и + 90 °, и реле используются для настройки каждого элемента.

С помощью Four Square оператор может выбрать переключаемое формирование луча в четырех или восьми направлениях.

Ham Radio Beamforming — отлично подходит для прослушивания

Средневолновые DXеры Avid всегда в восторге от «фазирования». Они будут использовать направленные петли и фазирующие устройства для формирования луча в разных направлениях. Пространственная фильтрация создает очень узкие диаграммы направленности. С их помощью слушатели средних волн могут настраиваться на несколько разных станций на одной и той же частоте, если они не расположены рядом.

Вот отличный пример трансатлантического средневолнового DX, полученного путем просто исчезновения ближайшей AM-станции. Вы можете использовать формирование луча с совершенно разными типами антенных элементов, как показано в этом видео.

Многие коротковолновые слушатели и радиолюбители используют формирование луча с помощью небольших активных антенн. Например, DX Engineering Receive Four Square действительно хорошо работает для направленного прослушивания в широком диапазоне частот.

Даже если вы не можете получить идеальный дизайн, некоторая базовая фазировка двух или более антенн даст полезные эффекты направленности.Это метод, который мы уже опробовали с помощью «шумоподавителей». Теперь у нас есть возможность вывести методы фильтрации пространственных помех на новый уровень.

Как упростить конструкцию антенны? ИС с формированием луча с фазированной решеткой может вам помочь — Производство печатных плат и сборка печатных плат — RayMing

Для повышения производительности радиолокационные системы и системы беспроводной связи все чаще требуют архитектуры антенн на печатных платах.Только те антенны, которые потребляют меньше энергии, чем обычные параболические антенны с механическим приводом, могут найти множество новых применений. Помимо этих требований, необходимо быстро перемещать новые угрозы или новых пользователей, передавать несколько потоков данных и продлевать срок службы по сверхнизкой цене. Некоторым приложениям необходимо противодействовать эффектам входного сигнала блокировки и уменьшать вероятность перехвата. Конструкции фазированных антенн, которые широко распространены в отрасли, позволяют решить эти проблемы.Передовая полупроводниковая технология использовалась для устранения недостатков фазированных антенных решеток в прошлом, чтобы в конечном итоге уменьшить размер, вес и мощность этих решений.

В этой статье будут кратко описаны преимущества существующих антенных решений и антенн с электронным управлением. Исходя из этого, в этой статье будет описано, как развитие полупроводниковой технологии может помочь в достижении цели по совершенствованию антенны SWaP-C с электронным управлением, а затем показано, как это можно сделать с помощью технологии ADI.

Введение

Радиоподсистемы, использующие антенны для передачи и приема сигналов, эксплуатируются более 100 лет. По мере того, как точность, эффективность и показатели более высокого уровня становятся все более важными, эти электронные системы будут продолжать совершенствоваться и улучшаться. В последние несколько лет параболические антенны широко использовались для передачи (Tx) и приема (Rx) сигналов, где решающее значение имеет направленность, и после многих лет оптимизации многие из этих систем имеют относительно низкую стоимость.запустить. Эти выпуклые антенны имеют роботизированный манипулятор для поворота направления излучения, и у них действительно есть некоторые недостатки, в том числе медленное управление, большой физический размер, плохая долговременная надежность и только одна диаграмма направленности или поток данных, отвечающий требованиям. В результате инженеры обратились к передовой технологии фазированных антенных решеток, чтобы улучшить эти функции и добавить новые функции.

используется электрический рулевой механизм, который предлагает множество преимуществ по сравнению с традиционными механическими управляющими антеннами, например, небольшую высоту / малый размер, лучшую долгосрочную надежность, быстрое управление, множественные лучи и многое другое.Обладая этими преимуществами, фазированные решетки широко используются в оборонных приложениях, спутниковой связи и телекоммуникациях 5G, включая автомобильные сети.

Фазированная антенная решетка — это набор собранных антенных элементов, в которых диаграмма направленности каждого элемента структурно объединена с диаграммой направленности соседней антенны для формирования эффективной диаграммы направленности, называемой главным лепестком. Главный лепесток излучает лучистую энергию в нужном месте, и в зависимости от конструкции антенна отвечает за деструктивные помехи сигналам в нежелательном направлении, формируя неэффективный сигнал и боковые лепестки.Антенная решетка предназначена для максимального увеличения энергии излучения основного лепестка при одновременном снижении энергии излучения бокового лепестка до приемлемого уровня. Направлением излучения можно управлять, изменяя фазу сигнала, подаваемого в каждый антенный элемент.

На рисунке 1 показано, как эффективный луч управляется в целевом направлении линейной решетки путем регулировки фазы сигнала в каждой антенне. В результате каждая антенна в решетке имеет независимую настройку фазы и амплитуды для формирования желаемой диаграммы направленности.Поскольку отсутствуют механические движущиеся части, легко понять свойства управления лучом в фазированной решетке.

Рис. 1. Базовая теоретическая схема электронных компонентов фазированной антенной решетки.

может быть выполнена за несколько наносекунд, поэтому мы можем изменить направление диаграммы направленности и быстро реагировать на новые угрозы или пользователей. Точно так же мы можем изменить луч излучения на эффективный ноль, чтобы поглотить сигнал источника помех, сделав объект невидимым, как в случае с самолетом-невидимкой.При изменении положения диаграммы направленности или переходе к эффективному нулю эти изменения могут быть выполнены почти сразу, потому что мы можем использовать устройство на основе ИС вместо механической части, чтобы электрически изменить настройку фазы. Еще одно преимущество фазированной антенной решетки перед механической антенной состоит в том, что она может излучать несколько лучей одновременно, тем самым отслеживая несколько целей или управляя пользовательскими данными для нескольких потоков данных. Это достигается путем цифровой обработки нескольких потоков данных на частотах основной полосы частот.

Типичная реализация решетки использует элементы патч-антенны, размещенные в строках и столбцах с равным интервалом в схеме 4 × 4, что означает, что всего имеется 16 компонентов. На рисунке 2 показана небольшая решетка 4 x 4, в которой патч-антенна является излучателем. В наземных радиолокационных системах такие антенные решетки могут становиться очень большими и содержать более 100 000 компонентов.

Рис. 2. Отображение диаграммы направленности матрицы компонентов 4 × 4.

При проектировании учитывается компромисс между размером решетки и мощностью каждого излучающего элемента, который влияет на направленность луча и эффективную излучаемую мощность.Рабочие характеристики антенны можно предсказать, изучив некоторые общие факторы качества. Обычно разработчики антенн обращают внимание на усиление антенны, эффективную направленную излучаемую мощность (EIRP) и Gt / Tn. Есть несколько основных уравнений, которые можно использовать для описания этих параметров, как показано в следующих уравнениях. Мы видим, что усиление антенны и EIRP пропорциональны количеству компонентов в решетке. Это может привести к созданию больших массивов, которые обычно используются в наземных радиолокационных системах.

из них:

N = количество компонентов

Ge = усиление компонента

Gt = линейное усиление

Pt = общая мощность передатчика

Pe = мощность каждого компонента

Tn = шумовая температура

Еще одним ключевым аспектом конструкции фазированной антенной решетки является расстояние между антенными элементами.После того, как мы определили цели системы, установив количество компонентов, физический диаметр массива сильно зависит от предельного размера каждого компонента ячейки, который меньше примерно половины длины волны, поскольку это предотвращает появление лепестков решетки. Лепестки решетки соответствуют энергии, излучаемой в нежелательном направлении. Это предъявляет строгие требования к электронике, входящей в массив, и она должна быть небольшой, маломощной и легкой. Расстояние между полуволнами особенно сложно при проектировании на более высоких частотах, потому что длина каждого из компонентов устройства становится меньше.Это способствует интеграции более высокочастотных ИС, делая решения по упаковке более совершенными и упрощая все более сложные методы управления температурой.

Когда мы создаем антенну целиком, конструкция массива сталкивается с множеством проблем, включая схему управления, управление питанием, импульсные цепи, управление температурой и экологические соображения. В отрасли наблюдается огромный рывок, который побудил нас перейти к низкопрофильным массивам. В структуре традиционной печатной платы используется небольшая печатная плата, на которой электронные компоненты подаются вертикально к задней части печатной платы антенны.В течение последних 20 лет этот метод постоянно совершенствовался, чтобы постоянно уменьшать размер платы, тем самым уменьшая глубину антенны. Конструкция следующего поколения переходит от этой структуры платы к подходу с плоской панелью, где каждая ИС имеет достаточно высокую степень интеграции, чтобы ее можно было легко установить на задней стороне антенной платы, что значительно уменьшает глубину антенны, что упрощает их загрузку в портативные приложения или встроенные приложения.

На Рисунке 3 левое изображение показывает компонент антенны с золотой вставкой в ​​верхней части печатной платы, а правое изображение показывает аналоговый передний конец антенны в нижней части печатной платы.Это только подмножество антенны, где этап преобразования частоты может происходить на одном конце антенны; это также распределительная сеть, которая отвечает за маршрутизацию от одного радиочастотного входа ко всему массиву. Очевидно, что более интегрированные ИС значительно уменьшают проблемы при проектировании антенн, и по мере того, как антенны становятся все меньше и меньше, все больше и больше электронных компонентов интегрируются в все меньшие и меньшие пространства, конструкции антенн нуждаются в новой полупроводниковой технологии, чтобы повысить жизнеспособность решения.

Рис. 3. Плоскопанельная решетка с антенной вставкой наверху печатной платы и микросхемой на задней стороне антенной печатной платы.

В большинстве фазированных антенных решеток, разработанных за последние несколько лет, использовались методы формирования аналогового луча, в которых регулировка фазы выполняется на частотах RF или IF, а вся антенна использует набор преобразователей данных. Возрастает интерес к цифровому формированию диаграммы направленности, где каждый антенный элемент имеет набор преобразователей данных, а регулировка фазы выполняется в цифровом виде в FPGA или каком-либо преобразователе данных.Цифровое формирование луча имеет множество преимуществ, от возможности легко передавать несколько лучей и даже мгновенно изменять количество лучей. Эта превосходная гибкость чрезвычайно привлекательна для многих приложений, а также способствует ее популярности. Постоянные улучшения в преобразователях данных снижают энергопотребление и распространяются на более высокие частоты, а РЧ-дискретизация в системах L-диапазона и S-диапазона позволяет использовать эту технологию в радиолокационных системах.

Существует ряд факторов, которые следует учитывать при рассмотрении как аналоговых, так и цифровых вариантов формирования луча, но анализ обычно зависит от количества требуемых лучей, энергопотребления и целевых затрат.Цифровой метод формирования луча потребляет большое количество энергии, поскольку каждый компонент комбинируется с преобразователем данных, но он чрезвычайно гибок и удобен при формировании нескольких лучей. Преобразователи данных также требуют более высокого динамического диапазона, поскольку формирование диаграммы направленности, не допускающее блокирования, может быть выполнено только после оцифровки. Аналоговое формирование луча может поддерживать несколько лучей, но для каждого луча требуется дополнительный канал регулировки фазы. Например, чтобы сформировать 100-лучевую систему, количество РЧ-фазовращателей в 1-лучевой системе необходимо умножить на 100, поэтому соображения стоимости преобразователя данных и ИС регулировки фазы могут варьироваться в зависимости от количества лучей. .

Аналогичным образом, для аналоговых методов формирования диаграммы направленности, в которых могут использоваться пассивные фазовращатели, их энергопотребление обычно невелико, но по мере увеличения количества лучей, если требуются дополнительные каскады усиления для управления распределительной сетью, потребление энергии также будет увеличиваться. Распространенным компромиссом является гибридный подход к формированию луча, в котором есть аналоговая подматрица формирования луча, за которой следует некоторая цифровая комбинация сигналов подматрицы. Эта область становится все более популярной в отрасли и в ближайшие годы будет расти.

Стандартная импульсная радиолокационная система передает сигнал, который может отражаться от объекта, и радар ожидает отраженного импульса, чтобы отобразить поле обзора антенны. В последние несколько лет в этом входном решении для антенны использовались дискретные компоненты, в которых, вероятно, использовалась технология арсенида галлия. Компоненты ИС, используемые в качестве строительных блоков для этих фазированных антенных решеток, показаны на фиг.

Рисунок 4. Пример типичного ВЧ-интерфейса для фазированной антенной решетки.

Они включают фазовращатель для регулировки фазы каждого антенного элемента (конечную управляющую антенну), аттенюатор, который может сужать луч, усилитель мощности для передачи сигналов и малошумящий усилитель для приема сигналов. Также есть переключатель для переключения между передачей и приемом. В прошлых вариантах реализации каждая из этих ИС может быть помещена в корпус размером 5 мм x 5 мм, а в более продвинутых решениях эта функциональность может быть реализована с помощью интегрированной монолитной одноканальной ИС на основе GaAs.

Популярность фазированных антенных решеток в последние годы неотделима от развития полупроводниковой технологии. Усовершенствованные узлы в SiGe BiCMOS, SOI (кремний на изоляторе) и массивном CMOS объединяют комбинированную цифровую схему для управления в массиве и тракт ВЧ сигнала для регулировки фазы и амплитуды в одной ИС. Сегодня мы смогли реализовать многоканальные ИС формирования диаграммы направленности, которые могут регулировать усиление и фазу в 4-канальной конфигурации и поддерживать до 32 каналов для миллиметровых волн.

В некоторых примерах с низким энергопотреблением кремниевый I C, вероятно, обеспечит однокристальное решение для всех вышеперечисленных функций. В приложениях с высокой мощностью усилители мощности на основе GaN значительно увеличивают плотность мощности, чтобы удовлетворить потребности компонентов антенного блока с фазированной решеткой, которые традиционно основаны на усилителях мощности на лампах бегущей волны (ЛБВ) или на усилителях мощности на основе GaAs малой мощности сервопривод.

В бортовых приложениях мы наблюдаем растущую тенденцию в использовании архитектур с плоскими панелями из-за преимуществ технологии GaN с добавленной мощностью (PAE).GaN также позволяет крупным наземным РЛС перейти от тарелочных антенн с ЛБВ к технологии антенн на основе фазированных решеток. В настоящее время мы можем использовать одну GaN IC, которая может выдавать мощность более 100 Вт с PAE более 50%. Сочетание этого уровня PAE с низким рабочим циклом радарного приложения определяет размер, вес и стоимость антенной решетки.

В дополнение к чистой мощности GaN, дополнительным преимуществом по сравнению с существующими решениями на основе GaAs IC является уменьшенный размер.Сравнение усилителей мощности на основе GaAs от 6 до 8 Вт X-диапазона с решениями на основе GaN может уменьшить занимаемую площадь на 50% и более. Это уменьшение занимаемой площади имеет большое значение, когда эти электронные компоненты собраны в единичные компоненты фазированной антенной решетки.

ADI разработала интегрированные аналоговые ИС формирования луча, которые поддерживают ряд приложений, включая радары, спутниковую связь и связь 5G.ИС формирования диаграммы направленности ADAR1000X- / Ku-диапазона — это 4-канальное устройство, которое покрывает диапазон от 8 ГГц до 16 ГГц и работает в дуплексном режиме с временным разделением (TDD) с его передатчиком и приемником, интегрированными в одну ИС. Устройство идеально подходит для приложений радаров X-диапазона и спутниковой связи Ku-диапазона, где ИС можно настроить для работы в режиме приемопередатчика или только в режиме приемника. Размещенная в корпусе QFN размером 7 мм x 7 мм, эта 4-канальная ИС может быть легко интегрирована в массив плоских панелей, потребляя всего 240 мВт / канал в режиме передачи и 160 мВт / канал в режиме приема.Каналы приемопередатчика и приемника доступны напрямую и могут использоваться извне с помощью внешнего модуля (FEM) от AD I.

На рис. 5 показано управление усилением и фазой с полным охватом фазы на 360 °, что обеспечивает шаг по фазе менее 2,8 ° и регулировку усиления лучше 31 дБ. ADAR1000 имеет встроенную память для хранения до 121 состояния луча, одно из которых содержит все настройки фазы и усиления для всей ИС. Передатчик обеспечивает усиление приблизительно 19 дБ и мощность насыщения 15 дБмВт при усилении приема приблизительно 14 дБ.Другой ключевой индикатор — изменение фазы регулятора усиления, которое составляет примерно 3 ° в диапазоне 20 дБ. Точно так же усиление управления фазой изменяется примерно на 0,25 дБ по всему охвату фазы на 360 °, что снижает проблемы калибровки.

Рисунок 5. ADAR1000 Tx управление усилением / обратными потерями и фазой / усилением на частоте = 11,5 ГГц.

Разработанная для аналоговых приложений с фазированной антенной решеткой или архитектур гибридных решеток, архитектура гибридной решетки сочетает в себе некоторые методы цифрового формирования луча с аналоговым формированием луча.