Фазированные антенные решетки / Хабр
На хабре уже есть статья, посвященная антеннам. Продолжая тему, хочу рассказать хабраобществу о принципах работы фазированных антенных решеток (ФАР). ФАР нашли широкое применение в радиолокационных комплексах, противоракетной обороне, космической связи; применение в гражданских объектах (коммерческих) затруднено сложностью изготовления и дороговизной. Возможно кто-то заинтересуется тематикой и придумает эффективное применение ФАР для коммерческого применения.Что это?
ФАР это группа излучателей (фазовращателей, ФВ), в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно по определенному закону так, что эффективное излучение ФАР усиливается в желаемом направлении и подавляется во всех остальных. ФАР это матрица, где элементом матрицы является ФВ, но конечно же ФВ в пространстве могут иметь и другие конфигурации. На рисунке 1 показана РЛС секторного обзора «Имбирь», входит в состав зенитно-ракетного комплекса С300В. Можно увидеть и ФАР, и облучающий рупор.
Рисунок 1.
Как происходит фазирование?
Есть простая формула из курса физики: V = c/sqrt(mu*eps). В этой формуле V – фазовая скорость электромагнитной волны, с c – скорость света в вакууме, mu – магнитная проницаемость, eps – диэлектрическая проницаемость. Из этой формулы видно, что фазовая скорость зависит от мю и эпсилон, и меняя эти величины мы можем вводить задержку ЭМ волны через ФВ. Поэтому ФВ бывают ферритовые (можем менять их магнитную проницаемость) и сегнетоэлектрические (можем менять их диэлектрическую проницаемость). Питание к фазовращателям осуществляется по воздушному тракту (как на рис. 1) или посредством волноводов (например, в малогабаритных зенитно-ракетных комплексах, рис. 2).
Рисунок 2. ЗРК «Тор».
Схема ФАР на рис. 4 [1]: антенна представляет собой линейку излучателей, между разделителем мощности и излучателями включены ФВ. Ферритовый ФВ представляет собой аналоговый феррит цилиндрической формы, на который намотаны обмотки управления. Изменяя ток в обмотках управления (задается блоком управления ФВ) изменяется магнитная проницаемость и соответственно фазовая скорость ЭМ волны в ФВ. Таким образом, последовательно изменяя уровень сигнала управления в обмотках процесс формирования волнового фронта может представлен как показано на рисунке 3, 4 (одномерный случай). Можно провести аналогию с камешками, которые последовательно кидаем в воду. Еще одной аналогией работы ФАР может служить линза. На рисунке 5 показано изменение формы волнового фронта с помощью линзы [4].
Рисунок 3. Формирование волнового фронта.
Рисунок 4. Схема ФАР.
Рисунок 5.
Основной луч располагается перпендикулярно фазовому фронту. Из диаграммы направленности (рис. 6) видно, что кроме основного луча есть обратный и боковые лепестки, которые являются паразитными и уменьшение их уровня является вопросом распределения ЭМ поля в апертуре решетки. Изменение положения луча в пространстве происходит электрическим образом (практически безынерционно) – именно это качество особенно важно.
Рисунок 6. Типичная диаграмма направленности.
Электрическое сканирование обеспечивает создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных – каждым фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе работы всего радиоустройства, в которое входит ФАР [2,3].
Рисунки к статье можно найти в указанной литературе, кроме рисунка 3. Для более подробного ознакомления с ФАР и управлением ими могу порекомендовать книгу Самойленко и Шишова, «Управление фазированными антенными решетками».
Литература:
1. О. Г. Вендик, «Фазированная антенная решетка – глаза радиотехнической системы», 1997 г.
2. ru.wikipedia.org/wiki Фазированная_антенная_решетка
3. en.wikipedia.org/wiki/Phased_array
4. ru.wikipedia.org/wiki/Линза
| В предыдущей публикации /1/ мы показывали, что в условиях, когда нет возможности поднять антенну на значительную высоту, преимущество при проведении дальних связей имеют антенны с вертикальной поляризацией, имеющие малый угол излучения: вертикальный изогнутый диполь (рис.1), вертикальный Moxon (рис.2) Мы намеренно не упоминаем здесь вертикалы с системой противовесов или радиалов, поскольку эти антенны весьма неудобны для размещения на дачных участках или в экспедиционных условиях. Вертикальный Moxon (рис.2), хотя и является неплохой направленной антенной с малым углом излучения, все же имеет недостаточное усиление по сравнению с многоэлементными «волновыми каналами» или «квадратами». Поэтому у нас естественно возникло желание попробовать фазированную решетку из двух вертикальных Moxon’ов, подобную использовавшейся американскими радиолюбителями в экспедиции на Ямайку (они назвали ее «2х2») /2/. При эксперименте в качестве мачты использовался набор стеклопластиковых труб от RQuad, общей высотой 10 м, в качестве распорок — пластиковые водопроводные трубы диаметром 20 мм. Элементы — из провода «полёвка». Оттяжки — из 3 мм полипропиленового шнура. Получилась конструкция, изображенная на рис.4. Рис.3. Расчетные характеристики вертикальной антенны Moxon. Провод пропущен через отверстия возле концов распорок и закреплен на них с помощью изоленты или пластиковых хомутиков. Чтобы распорки не прогибались под весом антенны, их концы растянуты леской. Для сохранения прямолинейности активного элемента, нарушаемого из-за веса кабеля, можно использовать третью распорку на уровне середины элементов, пропустив через отверстие в ней провод директора и закрепив на ней точки подключения активного элемента к кабелю. Кабель идет вдоль распорки до мачты и далее вниз по мачте. На кабель одеты ферритовые трубки через 2 м, исключающие влияние его оплетки на характеристики антенны и одновременно симметрирующие токи питания. Антенна легко поднимается на заранее установленную мачту с роликом на вершине с помощью капронового шнура. Рис.5. Диаграмма направленности фазированной решетки из двух вертикальных антенн Moxon. Схема суммирования классическая: поскольку каждая из антенн имеет входное сопротивление 50 Ом, используются кабели питания с сопротивлением 75 Ом длиной ¾ длины волны с учетом коэффициента укорочения кабеля. К концам кабелей сопротивление антенн трансформируется в 100 Ом. Поэтому их можно соединить параллельно с помощью тройника, далее кабель питания 50 Ом любой длины. Длина трансформирующих кабелей выбрана ¾ длины волны, поскольку при длине ¼ длины волны их длин не хватает, чтобы перекрыть расстояние между антеннами. На изготовление второго экземпляра этой антенны нам потребовалось часа два. Мачты установили с разносом 11,6 м (ширины дачного участка хватило). Настройку каждой из антенн производили отдельно, подключая их через кабель длиной полволны (с учетом укорочения), и подрезая концы нижних отогнутых частей элементов. Для исключения ошибок в настройке необходимо обратить особое внимание на подавление синфазных токов в кабелях питания с помощью дросселей, одетых на кабель. Нам пришлось использовать до 10 шт. ферритовых фильтров с защелкой, распределенных по длине кабеля 75 Ом, прежде чем результаты стабилизировались. Эти дроссели должны быть и на трансформирующих кабелях, соединенных тройником. На кабель 50 Ом, соединяющий тройник с трансивером, дроссели одевать необязательно. При отсутствии ферритов можно дроссели заменить несколькими витками кабеля, собранными в бухту диаметром 15-20 см., расположив их вблизи точек питания антенн и около тройника. Для улучшения работы антенн практически всю свободную длину трансформирующих кабелей можно собрать в бухты дросселей. После соединения двух вертикальных Moxon’ов в решетку резонансная частота уходит вверх примерно на 500 кГц, а КСВ на центральной частоте становится равным 1,4. Рис.6. КСВ со входа после подстройки с помощью индуктивностей 0,2 мкГн. Расчетные параметры при высоте нижнего края антенн 2 м над реальной землей: Усиление 8,58 dBi (6,43 dBd), Угол элевации 17 градусов, Подавление задних лепестков >25 dB, КСВ в рабочем диапазоне < 1,2. Наличие боковых лепестков с подавлением 10 дБ относительно главного не является, как нам кажется, недостатком, т.к. позволяет слышать станции и за пределами узкого главного лепестка, не поворачивая антенны. Нам неизвестны иные конструкции антенн, обладающие столь высокими параметрами при такой конструктивной простоте. Разумеется, эта фазированная решетка стационарна и должна устанавливаться в направлении наиболее интересующих DX (на запад, например). Повернуть затем ее диаграмму на восток будет нетрудно: для этого нужно опустить антенны, развернуть их на 180 градусов и снова поднять на мачты. У нас эта операция после некоторой тренировки занимала не более пяти минут. Фото экспериментальной антенны приведено на рис.7. Рис.7. Вид фазированной решетки из двух вертикальных Moxon’ов. Владислав Щербаков, (RU3ARJ) Сергей Филиппов, (RW3ACQ) Юрий Золотов, (UA3HR) Литература: 1. Владислав Щербаков RU3ARJ, Сергей Филиппов RW3ACQ. Симметричные вертикальные антенны — оптимальное решение для DX связей в полевых и дачных условиях. Материалы Форума Фестиваля «Домодедово 2007». 2. K5K Kingman Reef DXpedition. info — http://cqmrk.ru Поделитесь записью в своих социальных сетях! При копировании материала обратная ссылка на наш сайт обязательна! |
Russian HamRadio — Фазированная антенная решетка из ЕН-излучателей.
Более 30 радиолюбителей из разных регионов России и зарубежья участвовали в испытаниях этой компактной комнатной антенны на диапазон 20 метров.
Отзывы самые превосходные.
Александр(Германия): — это настоящий переворот в антенно-строении, получить в таких маленьких габаритах такое усиление и колоссальное подавление бокового и заднего лепестков оказалось вполне возможно!
Сергей(Москва): — Давно хотелось иметь нечто подобное для экспедиций!
Владимир(Воронеж): — Немедленно публикуйте чертежи антенны, чтобы к лету можно было построить.
Ну что-же, публикуем.
Идея этой антенны родилась как всегда неожиданно, когда после очередного клубного дня нужно было куда-то девать пустые банки из под “Золотой бочки”. Решили оставить банки под мелочевку, а когда их набралось много, попробовали сделать ЕН-антенну.
Антенна работала, конечно, не так как 5 элементов YAGI, но все же что-то передавала и принимала J. Один из ребят в шутку заметил: А если сделать из таких антенн ФАР? ФАР так ФАР, сказано – сделано.
Когда не хотелось заниматься чем-то серьезным, спаяли 16 излучателей, каждый из которых состоял из 2-х пивных банок, контура, настроенного на частоту 14160 кГц и петли связи. Количеством витков петли связи подогнали входное сопротивление каждого излучателя под 200 Ом — рис. 1.
Рис.1.
Разместили все 16 элементов на раме из деревянных планок, размер рамы 2,5 метра в ширину и 2 метра в высоту. Затем соединили элементы в парах этажей равными отрезками двухпроводной линии (плоский кабель КАТВ длиной по 2 метра) Этажи также попарно соединили отрезками 75 Омного кабеля и затем пары этажей отрезками 50 омного кабеля — рис.2.
Рис.2.
Чтобы кабели не мешали работе, аккуратно свернули их в бухты и привязали к раме. К раме примастырили небольшой кронштейн с противовесом и закрепили все это на фотоштативе, чтобы легко можно было вращать. Антенна готова.
При первом же включении определили, что резонанс антенны опустился немного вниз, на частоту 14140, полоса пропускания антенны стала немного шире – до 250 кГц, вместо 120 у одиночного элемента. Исправлять частоту резонанса не стали, оставили все как есть.
Впечатления о работе антенны
– слышно всех из того района, куда направлена антенна.Сбоку практически не слышно никого. Разворот антенны под углом 90 градусов к корреспонденту снижал его сигнал с 9 баллов до 1-2. Корреспонденты давали разницу до 45 дБ (иногда давали всего 20 дБ, но это от неверия собственным глазам J.)
Об усилении:
Подключение к трансиверу “полноценной” 5 элементной YAGI в направлении на корреспондента не давало никакой разницы ни по приему ни по передаче. При работе мощностью 130-150 Ватт один из корреспондентов дал оценку 59+50 дБ. На трассах до 3-х тыс. км. чаще всего оценка нашего сигнала была 59+20.В общих чертах эксперимент оказался более чем успешным, пайлап на нашей частоте стоял неимоверный.
Спасибо всем, кто принял в нем участие.73!
Н. Филенко(UA9XBI)
Активная фазированная антенная решетка
Активная фазированная антенная решетка.
Активная фазированная антенная решетка (АФАР) является следующим этапом в развитии пассивной. В такой антенне каждая ячейка решетки содержит свой приемопередатчик. Их количество может превысить одну тысячу.
Описание
Преимущества
Применение
Описание:
Активная фазированная антенная решетка (АФАР) является следующим этапом в развитии пассивной. В такой антенне каждая ячейка решетки содержит свой приемопередатчик. Их количество может превысить одну тысячу. То есть, если традиционный локатор — это отдельные антенна, приемник, передатчик, то в АФАР приемник с передатчиком и антенна «рассыпаются» на модули, каждый из которых содержит щель антенны, фазовращатель, передатчик и приемник. АФАР состоит из множества сот. Все они работают под контролем единого электронного центра. Каждая ячейка АФАР сама излучает сигнал, управляемый по фазе и частоте, а в самых сложных версиях – и по амплитуде.
Раньше, если, например, вышел из строя передатчик, самолет становился «слепым». Если в АФАР будут поражены одна-две ячейки, даже десяток, остальные продолжают работать. В этом и есть ключевое преимущество АФАР. Благодаря тысячам приемникам и передатчикам повышается надежность и чувствительность антенны, а также появляется возможность работать на нескольких частотах сразу.
Но главное, что структура АФАР позволяет РЛС параллельно решать несколько задач. Например, не только обслуживать десятки целей, но и параллельно с обзором пространства очень эффективно защищаться от помех, ставить помехи радарам противника и картографировать поверхность, получая карты высокого разрешения.
Преимущества:
– превосходят обычные радарные антенны почти во всех отношениях, обеспечивая более высокую следящую способность и надёжность,
– возможность решать параллельно несколько задач.
Применение:
– военная техника,
– военные и гражданские РЛС,
– спутники,
– продукция гражданского назначения: самолеты, экранопланы, экранолеты и пр.
Найти что-нибудь еще?
Похожие записи:
карта сайта
цифровая активная фазированная антенная решетка своими руками принцип работы
активные фазированные антенные решетки воскресенский гостюхин скачать
рлс с охлаждения активной фазированной антенной решетки
Коэффициент востребованности 976
Основы радиолокации — Системы питания (возбуждения) для фазированных решеток
Системы питания (возбуждения) для фазированных решеток
Рисунок 1. Носовой радиолокатор самолета «Торнадо»
Активная антенна
Активные фазированные антенные решетки – это антенны, в которых излучаемая мощность генерируется многими приемо-передающими модулями небольшой мощности, расположенными непосредственно в антенне. Примеры: носовой радиолокатор истребителя «Торнадо», радиолокатор противовоздушной обороны AN/FPS-117 и морской радиолокатор APAR.
Активные антенны обычно представляют собой фазированные антенные решетки, в которых, вместо одного мощного генератора или усилителя мощности, каждый излучающий элемент имеет свой небольшой усилитель непосредственно в антенне. Такая схема имеет преимущество, состоящее в том, что фазовращатели в этом случае работают с сигналами небольшой мощности.
Например, антенна, показанная на Рисунке 1, состоит из 428 активных излучающих элементов. Более глубокое описание активных антенн вы найдете в разделе «Передающие модули активных антенн».
Пассивная антенна
Пассивные фазированные антенные решетки подразделяются на:
пассивные фазированные решетки
с пространственным
возбуждением
с волноводным
возбуждением
излучающего
типа
отражательного
типа
с последовательным
возбуждением
с параллельным
возбуждением
пассивные фазированные решетки
с пространственным
возбуждением
с волноводным
возбуждением
пассивные фазированные решетки
с пространственным
возбуждением
с волноводным
возбуждением
Волноводное возбуждение – наиболее применяемый способ питания антенн с пассивными фазированными решетками. Для волноводного возбуждения необходимы волноводные тракты, волноводные линии (коаксиальные волноводы) или полосковые линии для канализации мощности (например, радиолокатор PAR-80).
Метод пространственного (оптического, «эфирного») возбуждения применяется намного реже. В этом случае элементы антенной решетки возбуждаются падающей на них волной от первичного рупорного облучателя. Мощность передатчика принимается элементами антенной решетки, преобразуется по фазе в каждом из них и вновь излучается (например, радиолокатор зенитной ракетной системы «Patriot», радиолокатор обзора 64Н6 зенитной ракетной системы С-300П).
Рисунок 2. Фазированная решетка с последовательным возбуждением и краевым питанием
Рисунок 2. Фазированная решетка с последовательным возбуждением и краевым питанием (интерактивный рисунок)
Последовательное возбуждение
При последовательном возбуждении фазированной антенной решетки ее излучающие элементы соединяются последовательно и размещаются на все большем удалении от точки питания. Решетка с последовательным возбуждением и краевым (концевым) питанием изображена на Рисунке 2. Решетка с центральным питанием может рассматриваться как две решетки с краевым питанием. Решетки с последовательным возбуждением являются чувствительными к частоте излучения, что приводит к ограничению их полосы частот. При изменении частоты излучения фаза сигналов на входе излучающих элементов изменяется пропорционально длине питающей линии так, что фазовый фронт на апертуре поворачивается и, таким образом, луч антенны сканирует. Этот эффект является полезным для решеток с частотным сканированием, однако в остальных случаях он нежелателен. Увеличившаяся электрическая длина тракта до каждого излучающего элемента должна рассчитываться как функция от частоты и учитываться при управлении фазовращателями.
При изменении частоты фазовый сдвиг каждого фазовращателя должен пересчитываться заново (или, как это чаще делается на практике, необходимо перейти на другую таблицу фазовых сдвигов).
Рисунок 3. Параллельное возбуждение фазированной решетки
Рисунок 3. Параллельное возбуждение фазированной решетки (интерактивный рисунок)
Параллельное возбуждение пассивной антенны
При параллельном возбуждении питающие линии всех излучающих элементов одинаковы, поэтому излучаемая мощность подается на них с одинаковой фазой. Частным случаем антенной решетки с параллельным возбуждением является схема типа «елочка», представленная на Рисунке 3. В данном случае излучаемая мощность покаскадно делится пополам.
Изменение частоты не влияет на величину разности фаз сигнала между излучающими элементами. Это дает преимущество, которое заключается в том, что при вычислениях величин фазовых сдвигов можно не учитывать длину питающих линий. Такое преимущество важно при скачкообразном изменении частоты, а также обеспечивает реализацию многочастотного зондирования и сжатия сигналов.
Фазированная антенная решетка с пространственным возбуждением излучающего типа
разница во времени
распространения
Рисунок 4. Пространственное возбуждение излучающего типа
разница во времени
распространения
Рисунок 4. Пространственное возбуждение излучающего типа (интерактивный рисунок)
Пространственное (оптическое) возбуждение может рассматриваться как нечто среднее между параллельным возбуждением и последовательным возбуждением с центральным питанием. При очень большом фокусном расстоянии пространственное возбуждение приближается к параллельному возбуждению. При очень коротком фокусном расстоянии пространственное возбуждение приближается к последовательному возбуждению с центральным питанием, поскольку в таком случае расстояния от облучателя до отдельных излучающих элементов решетки существенно отличаются. В решетках излучающего типа облучатель (первичный излучатель) размещается позади решетки, которая в данном случае играет роль линзы. Таким образом, облучатель не создает затенения полотна антенной решетки.
Фазированная антенная решетка с пространственным возбуждением излучающего типа используется в радиолокаторе зенитной ракетной системы «Patriot».
Фазированная антенная решетка с пространственным возбуждением отражательного типа
плоскость
отражения
Рисунок 5. Пространственное возбуждение отражательного типа
плоскость
отражения
Рисунок 5. Пространственное возбуждение отражательного типа (интерактивный рисунок)
При пространственном возбуждении отражательного типа пространство позади антенны может использоваться для размещения модулей аппаратуры (например, модулей управления фазовращателями и источников питания). Однако при таком типе возбуждения излучатель размещается перед полотном антенной решетки, что приводит к возникновению нежелательных эффектов. Он затеняет антенную решетку именно на основном направлении ее диаграммы и, кроме того, вновь принимает переизлученную решеткой энергию. Это приводит к возникновению стоячей волны в системе питания антенны!
Этого избежать нельзя, излучатель должен находиться где-то по центру антенной решетки, поскольку в ином случае вследствие разных длин путей распространения будут возникать разные фазовые набеги волны, падающей на разные излучающие элементы.
Активная фазированная антенная решётка — это… Что такое Активная фазированная антенная решётка?
Активная фазированная антенная решётка (АФАР) — разновидность фазированой антенной решётки (ФАР).
AN/APG-77 — радиолокационная станция истребителя F-22 
В активной фазированной антенной решётке каждый элемент решётки или группа элементов имеют свой собственный миниатюрный микроволновый передатчик, обходясь без одной большой трубки передатчика, применяемой в радарах с пассивной фазированной решёткой. В активной фазированной решётке каждый элемент состоит из модуля, который содержит щель антенны, фазовращатель, передатчик, и часто также приёмник.
Сравнение с пассивной решёткой
В обычной пассивной решётке один передатчик мощностью несколько киловатт питает несколько сотен элементов, каждый из которых излучает только десятки ватт мощности. Современный микроволновый транзисторный усилитель может, однако, также произвести десятки ватт, и в радаре с активной фазированной решёткой несколько сотен модулей, каждый мощностью в десятки ватт, создают в целом мощный главный луч радара в несколько киловатт.
В то время как результат идентичен, активные решётки намного более надежны, поскольку отказ одного приёмо-передающего элемента решётки искажает диаграмму направленности антенны, что несколько ухудшает характеристики локатора, но в целом он остаётся работоспособным. Катастрофического отказа лампы передатчика, которая является проблемой обычных радаров, просто не может произойти. Дополнительная выгода — экономия веса без большой лампы высокой мощности, связанной с ней системой охлаждения и большого блока питания высокого напряжения.
Другой особенностью, которая может использоваться только в активных решётках, является способность управлять усилением индивидуальных приёмно-передающих модулей. Если это может быть сделано, диапазон углов, через которые луч может быть отклонен, существенно увеличивается, и таким образом многие из ограничений геометрии решеток, которые имеют обычные фазированные решётки могут быть обойдены. Такие решётки называют решётками суперувеличения. Из изданной литературы неясно, используют ли какая-либо существующая или проектируемая антенная решётка эту технику.
Недостатки
Технология АФАР имеет две ключевые проблемы:
Рассеивание мощности
Первая проблема — рассеивание мощности. Из-за недостатков микроволновых транзисторных усилителей (монолитная микроволновая интегральная схема, MMIC (англ.)русск.), эффективность передатчика модуля — типично меньше чем 45%. В результате, AФAР выделяет большое количество теплоты, которая должна быть рассеяна, чтобы предохранить чипы передатчика от расплавления и превращения в жидкий арсенид галлия — надежность GaAs MMIC-чипов улучшается при низкой рабочей температуре. Традиционное охлаждение воздухом, используемое в обычных ЭВМ и авионике, плохо подходит при высокой плотности упаковки элементов AФAР, в результате чего современные AФAР охлаждаются жидкостью (американские проекты используют polyalphaolefin (PAO) хладагент, подобный синтетической гидравлической жидкости). Типичная жидкая система охлаждения использует насосы, вводящие хладагент через каналы в антенне, и выводящие затем его к теплообменнику — им может быть как воздушный охладитель (радиатор) так и теплообменник в топливном баке — со второй жидкостью, охлаждающей петлю теплообмена, чтобы увести высокую температуру от топливного бака.
По сравнению с обычным радаром истребителя с воздушным охлаждением, AФAР является более надёжным, однако будет потреблять бо́льшое количество электроэнергии и требовать более интенсивного охлаждения. Но AФAР может обеспечить намного большую передающую мощность, что необходимо для большей дальности обнаружения цели (увеличение передающей мощности однако имеет недостаток — увеличения следа, по которому радиоразведка противника или RWR могут обнаружить радар).
Стоимость
Другая проблема — стоимость массового производства модулей. Для радара истребителя, требующего типично от 1000 до 1800 модулей, стоимость AФAР становится неприемлемой, если модули стоят больше чем сто долларов каждый. Ранние модули стоили приблизительно 2 тыс. долл., что не допускало массового использования AФAР. Однако стоимость таких модулей и MMIC-чипов постоянно уменьшается, поскольку себестоимость их разработки и производства постоянно снижается.
Несмотря на недостатки, активные фазированные решётки превосходят обычные радарные антенны почти во всех отношениях, обеспечивая более высокую следящую способность и надёжность, пусть и при некотором увеличении в сложности и, возможно, стоимости.
Приёмо-передающий модуль
Приёмопередающий модуль АФАРПриёмо-передающий модуль — это основа пространственного канала обработки сигнала в АФАР.
В его состав входит активный элемент — усилитель, который делает это устройство электродинамически невзаимным. Поэтому для обеспечения возможности работы устройства как на приём, так и на передачу в нём разделяют передающий и приёмный каналы. Разделение осуществляется либо коммутатором, либо циркулятором.
Приёмный канал
В состав приёмного канала входят следующие устройства:
- Устройство защиты приёмника — обычно либо разрядник, либо другое пороговое устройство, предотвращающее перегрузку приёмного канала.
- Малошумящий усилитель — два, или более каскадов активного усиления сигнала.
- Фазовращатель — устройство фазовой задержки сигнала в канале для задания фазового распределения по всему раскрыву решётки.
- Аттенюатор — устройство задания (понижения, ослабления) амплитуды сигнала для задания амплитудного распределения по раскрыву решётки.
Передающий канал
Состав передающего канала схож с составом приёмного канала. Отличие заключается в отсутствии устройства защиты и меньших требованиях к усилителю по шумам. Тем не менее, передающий усилитель должен обладать большей выходной мощностью, чем приёмный.
Производимые БРЛС с АФАР
 | Данные в этом разделе приведены по состоянию на май 2010 года. Вы можете помочь, обновив информацию в статье. |
См. также
Ссылки
Кратко излагается история и прогноз развития фазированных антенных решеток. Главный вопрос, рассматриваемый в статье, — определение технической и экономической целесообразности использования антенн с электронным сканированием в системах непосредственного телевещания (СНТВ). Если кто и заслуживает звания отца телевидения, то это Владимир Кузьмич Зворыкин, ученик профессора Санкт-Петербургского технологического института Бориса Розинга — ученого, предложившего в 1907 г. идею телевидения с электромеханической разверткой. Эмигрировав в США и работая там в фирме Wеstinghоusе, Зворыкин в 1923 г. изобрел кинескоп, став тем самым создателем главного элемента телевидения с электронным движением луча [1] . Идею антенны с электронным движением луча обосновал тоже русский эмигрант, американский ученый Сергей Александрович Щелкунов. Уже в 1935 г. удалось изготовить ФАР с шириной главного луча 2,50 , а затем и с шириной 10. Антенны такой конструкции в то время применялись для радиоприема в коротковолновом диапазоне [2]. Последующие четыре десятилетия ФАРы применялись преимущественно в системах военного назначения: ракетно-космических, авиационных и т.п. Однако с запусками телевизионных спутников ситуация изменилась. Антенная решетка представляет собой ряд излучателей, соединенных между собой фидерной линией (рис. 1а). Если фазы всех излучателей равны, то суммарный луч направлен перпендикулярно к плоскости антенны. Такое устройство называют синфазной антенной решеткой (АР). Если ввести в фидерные линии фазовращатели и менять фазу сигнала в каждом излучателе, то при этом в определенном направлении сигналы придут в фазе и усилят друг друга. Таким образом в это направление, где все излучатели в фазе, повернется суммарный луч (рис. 1б). Такая антенная решетка называется фазированной (ФАР). Диаграмма направленности (ДН) ФАР определяется из соотношения (см. формулу).
Отклонение луча в ФАР на угол j можно обеспечить путем изменения фазы сигнала от излучателя к излучателю так, чтобы разность фаз в соседних излучателях составляла 2p(s/l) sinj (см. рис. 1). Параболические антенны с элек-тромеханическим сканированием традиционно используются для приема программ со спутника, однако они имеют ряд недостатков, в частности, связанных с устойчивостью к воздействию окружающей среды. Плоские же антенны обладают большей устойчивостью к воздействию ветра, дождя и снега, и их легче размещать на поверхности зданий (см. табл. 1). Поэтому уже в 1986 г. было предложено применять для СНТВ синфазные плоские антенные решетки (АР), не содержащие фазовращателей (рис. 1а). Фирма Маtsushita Electric Works занимается разработкой и сбытом таких антенн для СНТВ с 1987 года. В апреле 1987 г. АР этой фирмы для приема передач со спутника BSB были закуплены в Англии, а для приема со спутника TV-SAT — в ФРГ. Фирма Маtsushita выбрала для своих АР печатную многослойную конструкцию, где имеются слои из пеноматериала, а также печатные платы из тонкой фольгированной пленки с антенными излучателями. В настоящее время эта конструкция находит применение в коммерчески доступных АР. Фирма выпускает антенны, имеющие к.п.д. 60 — 70% в трех модификациях — с левой, правой и линейной поляризациями, размером от 35х35 см до 60х60 см. Коэффициент усиления (КУ) этих АР составляет в зависимости от рабочей частоты и габаритов от 31 до 36 дБ [3]. Данные для двух антенн такого класса приведены в табл. 2. Конечно, в самой технологии АР заложена возможность установки управляемых фазовращателей (ФВ) одновременно с излучающими элементами. Современный ФВ изготавливается из полупроводниковых диодов или варакторов. В последние годы готовятся к выпуску ФВ в виде интегральных микросхем. Таким образом стала возможна распайка ФВ на той же печатной плате, где вытравлены излучатели, — правда, это увеличивает стоимость антенны. Поэтому для массового пользователя, в отличие от военного, чрезвычайно важно определить — в чем же заключаются новые функциональные возможности ФАР и какова цена такого усложнения. Для этого определим требуемое количество ФВ с помощью формулы для ДН. Далее приведем результаты проектирования ФАР размером 65х65 см, проведенного специалистами фирмы «Резонанс» (Петербург). Результаты расчетов представлены в табл. 3.
Анализ этих расчетов показывает, что коммерческий интерес представляет, например, ФАР, содержащая 12 ФВ и позволяющая принимать в Западной Европе спутники, расположенные в секторе ±80,- в частности, это сектор от ASTRA 1A-1B (19,20 в.д.) до TELECOM 1C (30 в.д.). Другой интересный вариант — ФАР на 24 ФВ, перекрывающая сектор ±160, например, от EUTELSAT2-F1 (130 в.д.) до TVSAT2 (190 з.д.). Такая ФАР будет принимать на территории Западной Европы девять спутников, как это показано на рис. 2. На печатной плате размером 65х3 см устанавливаются диодные ФВ, предназначенные для управления лучом (рис. 3). Такой ФВ управляется трехразрядным цифровым кодом и поэтому наиболее удобен для совмещения с цифровым позиционером, имеющимся в тюнере. Важным следствием цифровой совместимости ФВ и тюнера является режим автопоиска спутников, расположенных в секторе сканирования, с запоминанием в соответствующих ячейках памяти значений углов. Последующее обращение пользователя к этой ячейке приведет к быстрой (доли секунды) установке ФАР на этот спутник. Этот режим представляет существенное удобство для пользователя и похож на известный режим автопоиска в частотном диапазоне телевизора, только проводится в угловом диапазоне перестройки фазовращателей ФАР. Наличие режимов автопоиска и по частоте, и по пространству, безусловно, необходимо — по крайней мере, в престижных, дорогостоящих моделях СНТВ. С помощью данных, приведенных в табл. 3, зная необходимый сектор сканирования, можно определить количество ФВ — и далее, исходя из стоимости диодов и изготовления микрополосковых ФВ (например, восьмидиодных), цену всего электронного блока сканирования. Эту величину следует прибавить к стоимости собственно печатной антенны, цену которой определяют исходя из ее площади (в качестве ориентира можно пользоваться данными из табл. 2 ).
Важным отличием ФАР от используемых сегодня парабол с электромеханическим управлением являются микросекундные длительности при переключении луча. Такая высокая скорость перемещения луча в пространстве позволяет использовать ФАР в системах СНТВ, устанавливаемых на подвижных объектах: самолетах, крупных автомобилях, автобусах, кораблях и т.д. В подтверждение этого можно отметить ФАР, серийно выпускаемую в США для установки на самолет фирмы «The Boeing Co.». Эта решетка представляет собой модульную конструкцию стоимостью 9100$ и предназначена для приема телевизионного сигнала непосредственно в полете пассажирского самолета [4] . Интерес к антенным решеткам в последние годы значительно возрос в связи с заметными успехами в области технологии изготовления печатных плат, а также благодаря созданию новых высококачественных диэлектрических материалов. Немаловажным обстоятельством является простота их изготовления, поскольку печатная технология обеспечивает создание одновременно большого количества антенных элементов и всех линий фидерной сети в едином технологическом цикле. По своим технологическим характеристикам антенные решетки уже могут конкурировать с параболическими антеннами такого же размера. И хотя стоимость их еще недостаточно низка, массовый выпуск подобных антенн сулит большие выгоды, поскольку применяемая для этого технология изготовления печатных плат обеспечивает не только высокую воспроизводимость параметров, но и существенное снижение стоимости при массовом выпуске.
Выводы:
Список литературы:
|
Установите в гараже радар с фазированной решеткой, который видит сквозь стены
До недавнего времени радар с фазированной антенной решеткой был очень дорогим и использовался только в военных целях, где стоимость выживания весила на весах. С появлением недорогих микроволновых устройств и нетрадиционной архитектуры радары с фазированной антенной решеткой теперь доступны для любителей и разработчиков бытовой электроники. В этом посте мы рассмотрим основы РЛС с фазированной антенной решеткой и покажем примеры того, как создавать недорогие радиолокационные системы с фазированной антенной решеткой ближнего действия — я построил такую, которую видел здесь, в моем гараже! Ощутите больше с большим количеством элементов, превратив фазовую решетку в ваш следующий радарный проект.
Радар с фазированной антенной решеткой
В предыдущем посте были описаны основы радара, в котором типичная радиолокационная система состоит из большой вращающейся параболической антенны. СВЧ-луч, проецируемый этой антенной, уносится за горизонт при вращении. Рассеянные импульсы от целей отображаются на полярном индикаторе, известном как индикатор планового положения (PPI).
Блок-схема обычной радиолокационной системы с параболической тарелкой.В системе РЛС с фазированной антенной решеткой (PDF) вместо антенны используется антенная решетка.Эти элементы когерентны по фазе, то есть все они привязаны по фазе к одному и тому же передатчику и приемнику. Каждый элемент соединен последовательно с фазовращателем, который может произвольно настраиваться системой управления радара. Пучок микроволновой энергии фокусируется путем поворота фазы на каждый фазовращатель. Этот луч может быть направлен куда угодно в пределах поля зрения массива. Для сканирования луча соответственно поверните фазы фазовращателей. Подобно вращающейся параболической тарелке, фазированная решетка может сканировать горизонт, но без использования движущихся частей.
Упрощенная блок-схема РЛС с фазированной антенной решеткой, излучающей и принимающей плоскую волну от точечной цели.Для сканирования всего горизонта часто требуется 4 или более массивов. Вот почему в радаре SPY-1 используются 4 панели, направленные вперед, назад, на левый и правый борт.
Пример РЛС с фазированной решеткой SPY-1, установленной на борту USS Lake Erie
Радары с фазированной антенной решеткой ближнего действия
Радиолокационные системы дальнего действия с фазированной антенной решеткой фокусируют свои микроволновые лучи в дальней зоне, используя относительно простые методы фазирования для управления лучом.Большинство радиолокационных решеток, которые мы могли бы построить для любительских или потребительских приложений, будут работать на малых расстояниях с использованием недорогих широкополосных микроволновых радаров. На этих коротких дистанциях радиолокационные цели часто находятся в ближнем поле, где становится трудно сфокусировать луч антенны с использованием обычных методов дальнего поля без учета кривизны волнового фронта.
Когда волна любого вида испускается источником, она распространяется наружу в виде сферической формы. На больших расстояниях эта сфера кажется плоской (например,грамм. плоская волна), когда сферическая волна распространяется, когда она излучается от антенны-источника.
Есть несколько способов учесть кривизну волнового фронта на малых расстояниях. Вы можете применить параболическую фазовую функцию к каждому из ваших фазовращателей, или вы можете принимать (или передавать) каждый элемент независимо и корректировать кривизну волнового фронта в программном обеспечении. Есть много способов добиться этого, и все они отличаются от традиционных архитектур с фазированной решеткой.
Рассеяние сферических волн от точечной цели, находящейся в ближнем поле радара с фазированной антенной решеткой.К сожалению, использование множества дигитайзеров с полезной полосой пропускания для радара по-прежнему является непомерно дорогим для потребительских товаров и любителей, когда дизайн требует 50, 100, 1000 или 5000 элементов. Если вы готовы обменять время приобретения на стоимость, вы можете реализовать гораздо менее дорогой массив ближнего поля, используя методы переключения. В этом посте мы обсудим три примера радарных систем с переключаемой антенной решеткой.
В системе с коммутируемой антенной решеткой порты передачи и приема одного недорогого радиолокационного датчика переключаются (или мультиплексируются) через решетку антенных элементов с помощью микроволновых переключателей. Данные от каждой комбинации элементов передачи и приема оцифровываются и сохраняются, где фокусировка (или реконструкция изображения) вычисляется в цифровой области. Этот метод может поддерживать частоту кадров 10, 20 или даже 40 кадров в секунду. Конкретные примеры этой техники показаны ниже.
Опытный образец радара проходного действия
Любой может построить радиолокационную систему с переключаемой решеткой.Вот пример одного, построенного в моем гараже из алюминия 80/20 и некоторых компонентов Mini-Circuits. Размер массива был установлен из 6 самых длинных частей 80/20, которые я смог найти на местной свалке, которые были 8’3 дюйма. В этой системе я мультиплексировал порт передатчика и порт приемника через 13 и 8 антенн соответственно. Последовательность переключения позволяет электронным образом перемещать фазовый центр этого радара вниз по его длине, что в общей сложности дает 44 эффективных пары передачи / приема радара. Я использовал алгоритм радара с синтезированной апертурой (SAR), который учитывает кривизну волнового фронта для формирования изображения.
Построенный в гараже прототип радара с фазированной антенной решеткой, проходящего через стену.
Блок-схема радиолокационной системы с фазированной антенной решеткой ближнего поля, использующей мультиплексирование антенн.
Цель этого радара состояла в том, чтобы доказать концепцию построения изображения сквозь бетонные стены на дальности дистанции. Он мог бы отобразить (под изображением, я имею в виду, отобразить маленькое красное пятно на виде сверху вниз на то, что находится по другую сторону стены) банку содовой емкостью 12 унций через бетонную стену толщиной 4 дюйма с дальностью выдержки 20 ′, Неплохо для гаражной системы.
От гаража к радару MIT
Находясь в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, я убедил двух своих коллег, [Джона Пибоди] и [Тайлера Ралстона], присоединиться ко мне в создании высокопроизводительной системы визуализации через стену. Он достиг 11 кадров в секунду и с легкостью может снимать сквозь стены размером 4, 8 дюймов и из шлакоблоков.
Этот проект, созданный в гараже, выиграл лучшую работу на симпозиуме Tri-Services Radar в 2010 году. Научные статьи с подробностями можно найти здесь.
Профессиональное образование Массачусетского технологического института / РЛС с антенной решеткой
Учитывая интерес к курсу MIT по радарам для банок для кофе, я работал с коллегами из лаборатории Линкольна над разработкой курса с фазированной решеткой. Чтобы сделать недорогие комплекты радаров, построенные студентами, мы добавили пару микроволновых переключателей и использовали схему коммутируемой решетки, почти идентичную радару со сквозной стенкой. Эти радиолокационные устройства с фазированной антенной решеткой были собраны с использованием антенн Pegboard и WiFi. Последняя версия этого радара достигла 20 FPS.Любой желающий может построить радар с фазированной антенной решеткой с антеннами WiFi и панелью управления.
Создайте свой собственный радар с фазированной антенной решеткой из антенн Wi-Fi и монтажной платы.
Где узнать больше:
Сводка
РЛСс фазированной антенной решеткой был очень дорогим и традиционно используется в современных системах противовоздушной обороны, но сегодня вы можете создать свой собственный на малых дальностях. Попробуйте радар с фазированной антенной решеткой для вашего следующего проекта, почувствуйте или визуализируйте что-нибудь быстро, точно и без движущихся частей.
Автор Биография
Грегори Л. Чарват (Gregory L. Charvat) производит свои собственные устройства с фазированными решетками, является автором Small and Short-Range Radar Systems, соучредителем Hyperfine Research Inc., Butterfly Network Inc. (обе компании являются компаниями-катализаторами), приглашенным научным сотрудником в Camera Culture Group Медиа-лаборатория Массачусетского технологического института, редактор серии Грегори Л. Чарвата о практических подходах к электротехнике и приглашенный комментатор на CNN, CBS, Sky News и других.Он был техническим сотрудником в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, где его работа над радаром через стену выиграла лучшую работу на симпозиуме MSS Tri-Services Radar Symposium 2010 года и является одним из основных результатов исследования Provost 2011 офиса MIT. Он читал краткие курсы по изучению радаров в Массачусетском технологическом институте, где его курс «Построить малый радар» стал одним из лучших в 2011 году в профессиональном образовании Массачусетского технологического института и получил широкое распространение в других университетах, лабораториях и частных организациях. Начиная с раннего возраста, Грег разработал многочисленные радиолокационные системы, рельсовые радиолокационные датчики, радиолокационные системы с фазированной антенной решеткой; имеет несколько патентов; и разработал много других датчиков, радио и аудио оборудования.Он является автором множества публикаций и получил признание в прессе за свою работу. Грег получил докторскую степень в области электротехники в 2007 году, MSEE в 2003 году и BSEE в 2002 году в Университете штата Мичиган и является старшим членом IEEE, где он работал в руководящем комитете IEEE International в 2010, 2013 и 2016 годах. Симпозиум по системам и технологии фазированных решеток, председательствовал в бостонском отделении IEEE AP-S с 2010 по 2011 год.
.Ультразвуковая фазированная решетка с открытым исходным кодом
Если вы обратили внимание на своем классе физики, концепция того, как работает этот массив, не должна быть слишком сложной для понимания. Если вы смотрели видео на youtube в описании, вы уже знаете, как выглядит такой массив. Если нет, то вот видео моей ультразвуковой фазированной решетки второго поколения:
Как видите, массив в основном состоит из ультразвуковых передатчиков 19×19, установленных на вершине четырех уложенных друг на друга печатных плат.
Давайте представим, что у нас всего два таких передатчика. Единственная причина, по которой это ультразвук, заключается в том, что эти частоты (40 кГц) не слышны людям и большинству млекопитающих. Вы также можете построить фазированную решетку из традиционных динамиков, но это будет громко и раздражает.
У нас есть эти два передатчика рядом с каждой выдрой, и каждый передатчик выдает один и тот же синусоидальный сигнал с одинаковой частотой. Если бы мы возьмем только один передатчик, он имел бы форму луча конуса с углом раскрытия примерно 120 °.Однако, поскольку у нас есть два передатчика, они мешают друг другу. Вместо этого мы получаем форму луча, которая называется интерференционной картиной.
По мере того, как мы добавляем больше передатчиков с той же частотой, помехи становятся все сильнее и сильнее. Форма луча всех передатчиков вместе взятых теперь представляет собой скорее узкий луч, чем конус. Вот карта измеренной интенсивности моей 2-й фазированной решетки без фазового сдвига (все передатчики передают одно и то же):
Как видите, за исключением некоторых ошибок измерения, переданный луч достаточно однороден.Вы по-прежнему можете идентифицировать отдельные передатчики, но это не типичный конус, который можно ожидать от точечного источника.
Так что это весело и все такое, но применение этого статического луча очень ограничено. Вы можете добиться того же, просто подключив все передатчики параллельно, и все они будут питаться от одного усилителя. Тем не менее, вы уже можете получать удовольствие от этого: даже если вы не можете контролировать форму луча, он действует совсем не так, как люди, привыкшие к слышимому звуку.С помощью всего лишь передатчиков 8×8 вы уже можете получить луч с углом раскрытия <5 °, который может иметь диапазон> 20 м.
Следующим шагом является модуляция этого статического луча: вы можете управлять передаваемой мощностью, либо изменяя общее напряжение питания усилителя, либо подавая на передатчики не синусоидальную волну, а прямоугольную волну с переменной скважностью. Теперь у вас фактически есть ультразвуковой динамик с AM-модуляцией:
Это именно то, что http: // www.Soundlazer.com/ — это все о. Вы можете регулировать интенсивность с помощью слышимого звука, например музыки. Как упоминалось ранее, человеческое ухо не может слышать настоящий ультразвук. Это связано с тем, что барабанная перепонка слишком медленная, чтобы колебаться на частоте 40 кГц. Однако давление все еще меняется из-за изменения мощности ультразвука, который воздействует на барабанную перепонку: ваша барабанная перепонка действует как низкочастотный демодулятор.
Итак, вернемся к нашей фазированной решетке . И вот в чем хитрость: мы можем не только контролировать мощность каждого преобразователя, но и его фазу.Изменяя фазу передатчиков, мы можем управлять трехмерной интерференционной картиной над передатчиками практически любым способом. Проще всего применить градиент от одного конца до конца массива. Таким образом, мы можем направить луч нашего массива:
В сочетании с модуляцией звука это дает управляемый направленный динамик. Прохладно? Стало лучше:
Мы также можем сфокусировать наш луч, применив радиальный градиент. Вот карта интенсивности той же настройки, что и выше.Однако теперь ультразвуковой луч фокусируется в единственную точку виртуального слайда, который мы сканируем:
И самое лучшее: все это можно сделать программно! Здесь нет движущихся частей, вы можете изменить давление воздуха нажатием кнопки (и часы математики и моделирования, подробнее о …
Читать далее » .ИС для формирования луча с фазированной решеткой упрощают проектирование антенн
Abstract
Радиолокационные и беспроводные системы связи сталкиваются с возрастающими требованиями к архитектуре антенн для повышения производительности. Многие новые приложения будут возможны только с антеннами, которые потребляют меньше энергии в более низком профиле, чем традиционные параболические антенны с механическим управлением. Эти требования дополняют желание быстро переместиться на новую угрозу или пользователя, передать несколько потоков данных и работать в течение более длительного срока службы при агрессивных целевых затратах.В некоторых приложениях необходимо обнулить входящий сигнал блокировки и иметь низкую вероятность перехвата. Эти проблемы решаются с помощью конструкций антенн на основе фазированных решеток, которые завоевывают популярность в отрасли. Предыдущие недостатки фазированной антенной решетки устраняются с помощью передовых полупроводниковых технологий, чтобы в конечном итоге уменьшить размер, вес и мощность этих решений. В этой статье будет кратко описаны существующие антенные решения и преимущества антенн с электрическим управлением.Затем будет рассмотрено, как достижения в области полупроводников помогают достичь целей по улучшению SWaP-C для антенн с электрическим управлением, а затем приведены примеры технологии ADI, которая делает это возможным.
Введение
Беспроводные электронные системы, использующие антенны для передачи и приема сигналов, работают более 100 лет. Они продолжают совершенствоваться, поскольку потребность в точности, эффективности и более продвинутых показателях становится все более важной. В последние годы тарелочная антенна широко использовалась для передачи (Tx) и приема (Rx) сигналов, где важна направленность, и многие из этих систем работают хорошо при относительно низких затратах после многих лет оптимизации.Эти тарелочные антенны, имеющие механический рычаг для поворота направления излучения, действительно имеют некоторые недостатки, которые включают медленное управление, физически большие размеры, более низкую долговременную надежность и наличие только одной желаемой диаграммы направленности или потока данных. В результате инженеры разработали передовую технологию фазированных антенных решеток, чтобы улучшить эти функции и добавить новые функции. Антенны с фазированной решеткой имеют электрическое управление и предлагают многочисленные преимущества по сравнению с традиционными антеннами с механическим управлением, такие как низкий профиль / меньший объем, улучшенная долговременная надежность, быстрое управление и множественные лучи.Благодаря этим преимуществам отрасль находит применение в военных приложениях, спутниковой связи (спутниковой связи) и телекоммуникациях 5G, включая подключенные автомобили.
Технология фазированных решеток
Фазированная антенная решетка — это совокупность антенных элементов, собранных вместе таким образом, что диаграмма направленности каждого отдельного элемента конструктивно сочетается с соседними антеннами, чтобы сформировать эффективную диаграмму направленности, называемую главным лепестком. Главный лепесток передает излучаемую энергию в желаемом месте, в то время как антенна спроектирована так, чтобы разрушительно мешать сигналам в нежелательных направлениях, образуя нули и боковые лепестки.Антенная решетка предназначена для максимального увеличения энергии, излучаемой в главном лепестке, при одновременном снижении энергии, излучаемой в боковых лепестках, до приемлемого уровня. Направлением излучения можно управлять, изменяя фазу сигнала, подаваемого в каждый антенный элемент. На рисунке 1 показано, как регулировка фазы сигнала в каждой антенне может направить эффективный луч в желаемом направлении для линейной решетки. В результате каждая антенна в решетке имеет независимую настройку фазы и амплитуды для формирования желаемой диаграммы направленности.Признак быстрого наведения луча в фазированной решетке легко понять без механически движущихся частей. Регулировка фазы на основе полупроводниковых ИС может производиться за наносекунды, так что мы можем изменить направление диаграммы направленности для быстрого реагирования на новые угрозы или пользователей. Точно так же можно перейти от излучаемого луча к эффективному нулю, чтобы поглотить источник помех, в результате чего объект будет казаться невидимым, например, в самолетах-невидимках. Эти изменения в изменении положения диаграмм направленности или переходе на эффективные нули могут быть выполнены почти мгновенно, потому что мы можем изменять настройки фазы электрически с помощью устройств на основе ИС, а не механических частей.Дополнительным преимуществом фазированной антенной решетки по сравнению с механической антенной является возможность излучать несколько лучей одновременно, что позволяет отслеживать несколько целей или управлять несколькими потоками пользовательских данных. Это достигается путем цифровой обработки сигналов нескольких потоков данных на частотах основной полосы частот.
Рисунок 1. Схема базовой теории элементов фазированной решетки.Типичная реализация этой решетки использует элементы патч-антенны, сконфигурированные в виде равномерно расположенных строк и столбцов с конструкцией 4 × 4, что подразумевает всего 16 элементов.На рисунке 2 ниже показана небольшая решетка 4 × 4 с патч-антеннами в качестве излучателей. Эта антенная решетка может стать довольно большой в наземных радиолокационных системах, насчитывая более 100 000 элементов.
Рис. 2. Иллюстрация диаграммы направленности для решетки элементов 4 × 4.При проектировании необходимо учитывать компромиссы между размером решетки и мощностью каждого излучающего элемента, которые влияют на направленность луча и эффективную излучаемую мощность. Характеристики антенны можно предсказать, посмотрев на некоторые общие показатели качества.Часто разработчики антенн обращают внимание на усиление антенны и эффективную изотропную излучаемую мощность (EIRP), а также на Gt / Tn. Есть несколько основных уравнений, которые можно использовать для описания этих параметров, представленных в следующих уравнениях. Мы видим, что усиление антенны и EIRP прямо пропорциональны количеству элементов в решетке. Это может привести к появлению больших массивов радиолокаторов наземного базирования.
где
N = количество элементов
Ge = усиление элемента
Gt = усиление антенны
Pt = общая мощность передатчика
Pe = мощность на элемент
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 элементов, физический диаметр массива в значительной степени определяется ограничениями каждой элементарной ячейки, составляющими менее примерно половины длины волны, что предотвращает появление лепестков решетки. Лепестки решетки составляют энергию, излучаемую в нежелательных направлениях. Это предъявляет строгие требования к электронике, входящей в массив, — компактность, низкое энергопотребление и небольшой вес. Расстояние между полуволнами создает особенно сложные конструкции на высоких частотах, где длина каждой элементарной ячейки становится меньше.Это приводит к тому, что ИС на более высоких частотах все больше интегрируются, упаковочные решения становятся более совершенными, а методы управления температурным режимом упрощаются, несмотря на то, что они становятся все более сложными.
По мере того, как мы строим всю антенну, возникает множество проблем, связанных с конструкцией массива, включая прокладку линий управления, управление электропитанием, импульсную схему, управление температурой, экологические соображения и т. Д. В отрасли наблюдается серьезный толчок к низкому профилю массивы, которые потребляют меньше объема и веса.В традиционной архитектуре планок используются небольшие планки для печатных плат с электроникой на них, перпендикулярно вводимые в заднюю часть антенной печатной платы. Этот подход был улучшен за последние 20 лет, чтобы постоянно уменьшать размер планки, тем самым уменьшая глубину антенны. Конструкции следующего поколения переходят от этой планочной архитектуры к подходу с плоскими панелями, где в каждой ИС достаточно интеграции, чтобы разместить их просто на задней стороне антенной платы, что значительно уменьшит глубину антенны и облегчит их установку в портативную или бортовые приложения.На рисунке 3 изображение слева показывает золотые элементы антенны на верхней стороне печатной платы, а изображение справа показывает аналоговый передний конец антенны на нижней стороне печатной платы. Это только подмножество антенны, где может быть этап преобразования частоты, происходящий, например, на одном конце антенны, и распределительная сеть для маршрутизации от одного РЧ-входа ко всей решетке. Нетрудно заметить, что большее количество интегрированных ИС значительно снижает проблемы, связанные с конструкцией антенны, и, поскольку антенны становятся меньше, а электроника становится меньше, занимая меньше места, конструкция антенны требует новой полупроводниковой технологии, которая поможет сделать решения жизнеспособными.
Рис. 3. Плоская матрица, показывающая антенные участки на верхней стороне печатной платы, в то время как микросхемы находятся на задней стороне антенной печатной платы.Сравнение цифрового формирования луча и аналогового формирования луча
В большинстве фазированных антенных решеток, разработанных в прошлые годы, использовалось аналоговое формирование луча, при котором фазовая регулировка выполняется на частотах RF или IF, а для всей антенны используется один набор преобразователей данных. Возрастает интерес к цифровому формированию диаграммы направленности, когда на антенный элемент приходится один набор преобразователей данных, а регулировка фазы выполняется в цифровом виде в ПЛИС или некоторых преобразователях данных.Цифровое формирование луча дает много преимуществ, начиная с возможности легко передавать множество лучей или даже почти мгновенно изменять количество лучей. Эта замечательная гибкость привлекательна для многих приложений и способствует их распространению. Постоянные улучшения в преобразователях данных снижают рассеиваемую мощность и расширяют диапазон до более высоких частот, где РЧ-дискретизация в L-диапазоне и S-диапазоне делает эту технологию реальностью в радиолокационных системах. При выборе аналогового и аналогового вариантов следует учитывать несколько факторов.цифровое формирование луча, но анализ обычно зависит от количества требуемых лучей, рассеиваемой мощности и целевых затрат. Подход с цифровым формированием луча обычно имеет более высокое рассеивание мощности с преобразователем данных на элемент, но предлагает большую гибкость в простоте создания нескольких лучей. Преобразователи данных также требуют более высокого динамического диапазона, поскольку формирование луча, которое отклоняет блокираторы, выполняется только после оцифровки. Аналоговое формирование луча может поддерживать несколько лучей, но требует дополнительного канала регулировки фазы для каждого луча.Например, для создания 100-лучевой системы необходимо умножить количество РЧ-фазовращателей для 1-лучевой системы на 100, поэтому рассмотрение стоимости преобразователей данных по сравнению с ИС регулировки фазы может измениться в зависимости от количества лучей. Точно так же рассеиваемая мощность обычно ниже для аналогового подхода к формированию диаграммы направленности, который может использовать пассивные фазовращатели, но по мере увеличения количества лучей рассеиваемая мощность также будет увеличиваться, если для управления распределительной сетью необходимы дополнительные каскады усиления.Распространенным компромиссом является гибридный подход к формированию луча, при котором есть подмассивы аналогового формирования луча, за которыми следует некоторая цифровая комбинация сигналов подмассива. Это область, вызывающая растущий интерес в отрасли, и в ближайшие годы она будет развиваться.
Полупроводниковые технологии
Стандартная импульсная радиолокационная система передает сигнал, который может отражаться от объекта, в то время как радар ожидает отраженного импульса, чтобы отобразить поле обзора антенны. В прошлые годы это входное решение для антенны должно было включать дискретные компоненты, вероятно, на основе технологии арсенида галлия.Компоненты ИС, используемые в качестве строительных блоков для этих фазированных антенных решеток, показаны на рисунке 4. Они состоят из фазовращателя для регулировки фазы каждого антенного элемента (который в конечном итоге управляет антенной), аттенюатора, который может сужать луч, усилитель мощности, используемый для передачи сигнала, и малошумящий усилитель, используемый для приема сигнала, а также переключатель для переключения между передачей и приемом. В прошлых реализациях каждая из этих ИС могла быть размещена в корпусе 5 мм × 5 мм, или более продвинутые решения могли иметь интегрированную монолитную одноканальную ИС на основе GaAs для достижения этой функциональности.
Рисунок 4. Пример типичного ВЧ-интерфейса фазированной антенной решетки.Недавнему распространению фазированных антенных решеток способствовала полупроводниковая технология. Усовершенствованные узлы в SiGe BiCMOS, SOI (кремний-на-изоляторе) и массивном CMOS объединили цифровые схемы для управления управлением в массиве, а также тракт РЧ-сигнала для достижения регулировки фазы и амплитуды в одной ИС. . Сегодня возможно создать многоканальные ИС формирования диаграммы направленности, которые регулируют усиление и фазу в 4-канальной конфигурации с 32 каналами, предназначенными для конструкций миллиметрового диапазона.В некоторых примерах с более низким энергопотреблением микросхема на основе кремния может быть монолитным решением для всех вышеперечисленных функций. В приложениях с высокой мощностью усилители мощности на основе нитрида галлия значительно увеличили плотность мощности, чтобы соответствовать элементарной ячейке фазированных антенных решеток, которые традиционно обслуживались бы усилителями мощности на основе ламп бегущей волны (ЛБВ) или относительно маломощными усилителями мощности на основе GaAs. ПА. В бортовых приложениях мы наблюдаем тенденцию к использованию архитектур с плоскими панелями с преимуществами дополнительной эффективности (PAE) технологии GaN.GaN также позволил крупным наземным радарам перейти на фазированную антенную решетку с параболической антенны, управляемой ЛБВ. Теперь у нас есть возможность иметь монолитные ИС на основе GaN, способные обеспечивать мощность более 100 Вт с более чем 50% PAE. Сочетание такого уровня PAE с низким рабочим циклом радарных приложений позволяет создавать решения для поверхностного монтажа, значительно уменьшая размер, вес и стоимость антенной решетки. Дополнительным преимуществом помимо чисто энергетической способности GaN является уменьшение размеров по сравнению с существующими решениями на основе GaAs IC.Сравнение GaAs-усилителя мощности от 6 до 8 Вт в X-диапазоне с решением на основе GaN снижает занимаемую площадь на 50% или более. Это уменьшение занимаемой площади является значительным при попытке разместить эту электронику в элементарной ячейке фазированной антенной решетки.
Аналоговые ИС с фазированной решеткой Analog Devices
Analog Devices разработала интегрированные аналоговые ИС формирования луча, предназначенные для поддержки ряда приложений, включая радары, спутниковую связь и телекоммуникацию 5G. ИС формирования диаграммы направленности X- / Ku-диапазона ADAR1000 — это 4-канальное устройство, охватывающее диапазон от 8 до 16 ГГц, работающее в дуплексном режиме с временным разделением (TDD), при этом передатчик и приемник интегрированы в одну ИС.Это идеально подходит для приложений радаров X-диапазона, а также спутниковой связи Ku-диапазона, где ИС можно настроить для работы в режиме только приемопередатчика или только приемника. 4-канальная ИС размещена в корпусе QFN размером 7 мм × 7 мм для поверхностного монтажа для легкой интеграции в массивы плоских панелей, рассеивающих всего 240 мВт / канал в режиме передачи и 160 мВт / канал в режиме приема. Каналы приемопередатчика и приемника подключаются напрямую, внешне спроектированные для работы с интерфейсным модулем (FEM), который предлагает Analog Devices.На рис. 5 показаны регуляторы усиления и фазы с полным охватом фазы на 360 градусов, где возможны шаги по фазе менее 2,8 °, а также регулировка усиления более 31 дБ. ADAR1000 содержит встроенную память для хранения до 121 состояния луча, из которых одно состояние содержит все настройки фазы и усиления для всей ИС. Передатчик обеспечивает усиление приблизительно 19 дБ при мощности насыщения 15 дБмВт, при этом усиление приема составляет приблизительно 14 дБ. Другой ключевой показатель — изменение фазы при регулировке усиления, которое составляет примерно 3 ° в диапазоне 20 дБ.Точно так же изменение усиления с регулировкой фазы составляет около 0,25 дБ по всему охвату фазы на 360 °, что упрощает калибровку.
Рисунок 5. Регулировка усиления / обратных потерь и фазы / усиления ADAR1000 Tx с частотой = 11,5 ГГц.Эта ИС формирования диаграммы направленности разработана для аналоговых приложений с фазированной антенной решеткой или архитектур гибридных массивов, которые сочетают в себе некоторое цифровое формирование луча с аналоговым формированием луча. Analog Devices предлагает полное решение от антенны до битов, включая преобразователи данных, преобразование частоты и аналоговую интегральную схему формирования диаграммы направленности, а также интерфейсный модуль.Комбинированный набор микросхем позволяет Analog Devices сочетать функциональные возможности и оптимизировать ИС соответствующим образом, чтобы упростить реализацию конструкции антенны для наших клиентов.
Рисунок 6. Узнайте больше о возможностях фазированной решетки ADI на сайте analog.com/phasedarray. .Визуализация антенной системы с фазированной решеткой
Фазированные антенные системы находятся на пороге повсеместного распространения. Теперь мы видим антенные системы с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) на маршрутизаторах WiFi. Скоро системы метеорологических радиолокаторов с фазированной антенной решеткой помогут предсказывать погоду и обеспечивать безопасность авиаперелетов, а базовые станции с фазированной антенной решеткой станут основой 5G, которая представляет собой следующее поколение беспроводной передачи данных. Но что такое фазированная антенная решетка? Как они работают? Мы покажем вам это с помощью 1024 светодиодов.
Хорошо сначала рассмотреть, для чего использовалась технология фазированных антенных решеток в прошлом, где она находится сегодня и где развивается, а затем мы покажем вам, как все это работает.
Военно-промышленный комплекс: пионеры в технологии фазированных решеток
Технология фазированных решеток была впервые использована в военных целях. Постоянно увеличивающаяся скорость самолетов и боеприпасов после Второй мировой войны подтолкнула требования к времени развертки антенны с секунд до миллисекунд.
Первой полномасштабной радиолокационной системой с фазированной антенной решеткой была FPS-85, которая используется для обнаружения и сопровождения космических объектов, которые по своей природе являются быстро движущимися.
Дополнительные знаковые примеры технологии радаров с фазированной антенной решеткой включают радар с фазированной решеткой SPY-1, PAV PAWS и другие.
Антенные системыс фазированной решеткой впервые получили широкое распространение в военных приложениях.
Первое широкое использование технологии радаров с фазированной решеткой для гражданского применения:
Для управления увеличением воздушного движения и консолидации многочисленной существующей устаревшей радиолокационной инфраструктуры, включая большинство типов первичных радиолокаторов управления воздушным движением и метеорологических радиолокаторов, многофункциональная радиолокационная система с фазированной антенной решеткой (MPAR) находится в стадии разработки, и в ближайшее время будут представлены прототипы.Это станет одним из первых (вероятно, самым первым) широкомасштабным гражданским развертыванием радиолокационной технологии с фазированной антенной решеткой.
Радиолокационная система с фазированной антенной решеткой MPAR для управления погодой и воздушным движением.Больше беспроводной полосы пропускания для ваших мобильных устройств
Ключом к 5-му поколению беспроводных систем (5G) является использование технологии фазированных антенных решеток, в которой отдельные беспроводные устройства будут отслеживаться лучами, передаваемыми / принимаемыми от базовой станции, что обеспечивает большую полосу пропускания данных, которая дискретизируется на отдельные микроволновые лучи.
Многие WiFi-маршрутизаторы теперь используют антенные решетки с множеством входов и множеством выходов (MIMO) с целью уменьшения потерь многолучевого сигнала, что быстро становится все большей и большей проблемой по мере увеличения скорости передачи данных.
Как работают антенные системы с фазированной решеткой?
Как создать «пучок микроволновой энергии» и направить приемник в нужную точку пространства?
Синтез сфокусированного луча микроволнового излучения с массивом элементов, на которые подается один и тот же микроволновый сигнал, причем каждый элемент независимо регулируется по фазе.Здесь представлен отличный учебник, но ключевой вывод состоит в том, что если мы запитаем массив антенных элементов одним и тем же микроволновым сигналом, мы можем использовать эти элементы для направления (или управления, как это обычно называется) микроволнового луча в любом месте. в космосе. Такое управление лучом достигается за счет использования фазовращателя (или его эквивалента) последовательно с каждым антенным элементом.
Чтобы сделать приведенное выше объяснение более интересным и понятным, мои друзья из лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института создали эту прямую визуализацию работы антенных решеток (показанную недавно на Международном симпозиуме IEEE по системам и технологиям фазированных решеток в 2016 году).Это как если бы вы надели «микроволновые очки» и заглянули в антенную решетку!
MIT Lincoln Laboratory Demonstrator Phased Array Demonstrator, на выставке IEEE Intl. Симпозиум по фазовым решетчатым системам и технологиям.Дубликат реальной системы фазированной антенной решетки из плексигласа, созданной MIT / LL, наполнен светодиодами NEO Pixel. Каждый антенный элемент освещается двумя пикселями NEO, которые представляют собой фазированную решетку с двойной поляризацией, используя один светодиод для вертикальной, а другой — для горизонтальной поляризации.
Цвет каждого пикселя NEO отображается на фазу того, каким должен быть его соответствующий антенный элемент для проецирования луча микроволновой энергии в любом заданном направлении, и эта диаграмма направленности отображается на мониторе с плоским экраном рядом с массивом.
Яркость каждого светодиода пропорциональна мощности передачи соответствующего антенного элемента. Матрица поддерживает сужение амплитуды для синтеза диаграмм направленности с низкими боковыми лепестками и множества расширенных режимов решетки.
С помощью этой системы визуализации вы можете вручную перемещать луч антенны с помощью джойстика и просматривать диаграмму направленности и диаграммы направленности, изменяющиеся в реальном времени, обеспечивая мгновенное и интуитивное понимание управления лучом фазированной решетки и диаграмм направленности.Совершенно потрясающе!
Сводка
Фазированные антенные системы будут играть центральную роль в нашей современной жизни, обеспечивая более широкую полосу пропускания беспроводной связи, повышая безопасность авиаперелетов и более точные прогнозы погоды. Убедительные визуализации, подобные показанному здесь массиву, будут способствовать широкому пониманию электромагнетизма и современных антенных технологий.
.