Aktywne anteny fazowane. Informacje ogólne
Układ antenowy to układ antenowy, w którym występują kontrolowane fazy lub przesunięcia fazowe. Fazy odbierają fale z elementów sieci lub emitują je za pomocą własnych emiterów. Przy dobrej kontroli fazy powstaje właściwy wzór kierunkowy anteny z układem fazowanym, zmienia się kierunek wiązki układu stałego, a wiązka jest szybko odchylana. Ponadto, w wyniku kontroli fazy, zmienia się intensywność listków bocznych, szerokość wiązki i inne kształty charakterystyki promieniowania. Dzięki takim właściwościom, w połączeniu z nowoczesnymi urządzeniami automatyki, anteny z układem fazowanym są dość obiecujące i znajdują szerokie zastosowanie w radionawigacji, radiokomunikacji, radioastronomii i radarach. Układy antenowe o dużej liczbie sterowanych elementów tworzą urządzenia radiowe stacjonarne i mobilne, naziemne i powietrzne, okrętowe, kosmiczne i lotnicze. Teoria i technologia anten fazowanych jest nadal interesującym badaniem naukowym, które nie straciło na aktualności.
Antena fazowana składa się z elementów promieniujących znajdujących się w tej samej odległości od siebie i w tej samej płaszczyźnie. Do elementów podłączone są sygnały mikrofalowe, które mają zbieżną fazę i mają jednakową amplitudę. Sygnał mikrofalowy jest generowany przez oscylator główny i jest wzmacniany przez lampy o fali bieżącej i tranzystory.
Kształty i rozmiary układów antenowych zależą od rodzaju zastosowanych emiterów i ich umiejscowienia. Sektor wahliwy wiązki układu, tj. skanowanie, jest określony przez charakterystykę promieniowania emiterów. W tych układach antenowych, w których występuje skanowanie szerokokątne, stosuje się symetryczne, asymetryczne wibratory z kilkoma reflektorami, anteny tubowe, logarytmiczno-okresowe, szczelinowe, spiralne i inne emitery słabo kierunkowe. Fazowane tablice o dużych wymiarach z reguły składają się z kilku małych tablic. Charakter promieniowania modułów, tj. małych układów fazowanych, odpowiada kierunkowi wiązki całej anteny z dużym układem fazowanym. Anteny wysoce kierunkowe z mechanicznym obrotem działają jak promienniki, jeśli akceptowalne jest powolne ugięcie wiązki. Jeśli konieczne jest odchylenie całego układu fazowanego pod dużym kątem, wówczas wszystkie anteny są obracane.
W latach 1960-1970 gt. Zaczęto stosować pierwsze stacje radarowe wykorzystujące anteny z układem fazowanym. Początkowo kraty wykorzystywano do celów wojskowych.
Anteny fazowane są ulepszonym modelem anten płaskich. W takich siatkach, ze względu na stałość faz mikrofalowych, wiązka jest stała zarówno pod względem kształtu, jak i kierunku. Kiedy zmieniają się fazy, zmienia się również kształt i kierunek wiązki. Jeśli fazy są zmieniane elektronicznie, zmiana następuje w ciągu kilku sekund. Dzieje się to głównie pod kontrolą przesuwnika, urządzenia zmieniającego fazy mikrofal. Komputer steruje mikrofalami przechodzącymi przez dźwignię zmiany biegów. Dzięki zastosowaniu komputera cały płaski układ staje się anteną, w której można programować kształt i kierunek wiązki.
Elektronicznie sterowane układy fazowe były stosowane w dużych radarach stacjonarnych i małych radarach obrony powietrznej.
Powszechne stosowanie anten z układem fazowanym w wojsku, przemyśle i innych dziedzinach tłumaczy się faktem, że anteny z układem fazowanym wykonują pracę kilku anten jednocześnie. Do śledzenia używano wąskich wiązek fazowanych, szerokich do poszukiwań, płaskich wiązek w kształcie wachlarza do określania wysokości, a wąskich wiązek kierunkowych do latania po krajobrazie. Innymi pozytywnymi cechami układu fazowanego była dopuszczalność umieszczenia zera, tj. Możliwość zablokowania przedostania się fali zakłócającej do odbiornika radiowego, a także automatyczna kierunkowość anteny w kierunku celu.
Koszt anteny z układem fazowanym zależy od liczby elementów promieniujących; im jest ich mniej, tym szybciej koszt spada. W technologii radarowej z reguły stosuje się układy antenowe z dużą liczbą elementów promieniujących. Mała matryca ma szeroką, słabo skupioną wiązkę. Niewielki obszar takiego układu fazowanego zmniejsza czułość na sygnały odbite, a szeroka wiązka pomaga zmniejszyć rozdzielczość współrzędnych kątowych. Jeśli nie ma potrzeby obserwacji dużej przestrzeni powietrznej, wady małego układu fazowanego są kompensowane poprzez przymocowanie go do dużego reflektora.
Anteny fazowane mają ograniczenia. Zakres kątów odchylenia wiązki jest ograniczony, przyjmuje się, że granica wynosi 45-60° od pionowej płaszczyzny anteny. Jeżeli wiązka jest odchylana pod mniejszym kątem, wydajność układu ulega znacznemu pogorszeniu.
Za ważne kierunki rozwoju anten fazowanych uważa się aktywne wprowadzanie do urządzeń radiowych układów fazowanych o dużej liczbie elementów, opracowywanie nowych modeli elementów, szczególnie dla aktywnych układów fazowanych. Aktywne macierze dzielą się na nadawcze, odbiorcze z fazowaniem w obwodach heterodynowych i odbiorcze z fazowaniem w ścieżkach o częstotliwości pośredniej. Układ strukturalny takiego układu to układ składający się ze wzmacniacza mocy, emitera, wzbudnicy, lokalnego oscylatora, przesuwnika fazowego, sumatora, miksera i wzmacniacza częstotliwości pośredniej.
Kolejnym ważnym kierunkiem rozwoju układów fazowanych jest rozwój metod konstruowania anten układu fazowanego o dużych skrzydłach, w równych i nierównych odległościach z antenami zlokalizowanymi w obrębie półkuli ziemskiej, a także dalsze badania nad metodami i środkami technicznymi osłabiającymi szkodliwe skutki powiązań między elementami anteny z układem fazowanym.
Anteny fazowane stały się ostatnio powszechne w wielu krajach na całym świecie. Stacje radarowe w Szwecji, Włoszech, Izraelu, Wielkiej Brytanii i innych krajach są wyposażone w układ antenowy.
- Następny: DIAGRAM FAZOWY
Dedykowany do anten. Kontynuując temat, chcę opowiedzieć Habrastowarzyszeniu o zasadach działania anten z układem fazowanym (PAR). Układy fazowane są szeroko stosowane w systemach radarowych, obronie przeciwrakietowej i komunikacji kosmicznej; Zastosowanie w obiektach cywilnych (komercyjnych) jest skomplikowane ze względu na złożoność produkcji i wysokie koszty. Być może ktoś zainteresuje się tematem i wymyśli efektywne wykorzystanie układów fazowanych do zastosowań komercyjnych.
Co to jest?
PAR to grupa emiterów (przesuwniki fazowe, PV), w których względne fazy sygnałów zmieniają się kompleksowo zgodnie z pewnym prawem, tak że skuteczne leczenie PAR zostaje wzmocnione w pożądanym kierunku i stłumione we wszystkich innych. PAR jest macierzą, gdzie elementem macierzy jest PV, ale oczywiście PV w przestrzeni może mieć inne konfiguracje. Na rycinie 1 przedstawiono radar sektorowy „Imbir”, będący częścią przeciwlotniczego systemu rakietowego S300B. Możesz zobaczyć zarówno układ fazowany, jak i róg napromieniowujący.
Obrazek 1.
Jak przebiega fazowanie?
Istnieje prosty wzór z kursu fizyki: V = c/sqrt(mu*eps). We wzorze tym V jest prędkością fazową fali elektromagnetycznej, c jest prędkością światła w próżni, mu jest przenikalnością magnetyczną, eps jest stałą dielektryczną. Z tego wzoru jasno wynika, że prędkość fazowa zależy od mi i epsilon, a zmieniając te wartości możemy wprowadzić opóźnienie fali EM przez PV. Dlatego ogniwa fotowoltaiczne mogą być ferrytowe (możemy zmienić ich przenikalność magnetyczną) i ferroelektryczne (możemy zmienić ich stałą dielektryczną). Zasilanie przesuwników fazowych odbywa się drogą powietrzną (jak na rys. 1) lub przez falowody (np. w małogabarytowych przeciwlotniczych systemach rakietowych, rys. 2).
Rysunek 2. System obrony powietrznej Tor.
Schemat układu fazowanego na ryc. 4: antena to linia emiterów, fotowoltaika jest zawarta pomiędzy dzielnikiem mocy a emiterami. Ferryt PV to cylindryczny ferryt analogowy, na którym nawinięte są uzwojenia sterujące. Zmieniając prąd w uzwojeniach sterujących (ustawiony przez jednostkę sterującą PV), zmienia się przenikalność magnetyczna i odpowiednio prędkość fazowa fali EM w PV. Zatem poprzez sekwencyjną zmianę poziomu sygnału sterującego w uzwojeniach można przedstawić proces powstawania czoła fali jak pokazano na rys. 3, 4 (przypadek jednowymiarowy). Analogię można wyciągnąć z kamyczkami, które sukcesywnie wrzucamy do wody. Inną analogią działania układu fazowanego jest soczewka. Rysunek 5 przedstawia zmianę kształtu czoła fali za pomocą soczewki.
Rysunek 3. Formacja czoła fali.
Rysunek 4. Schemat układu fazowego.
Rysunek 5.
Rysunek 6. Typowy wzór promieniowania.
Skanowanie elektryczne zapewnia wytworzenie różnorodnych przesunięć fazowych w całej aperturze i znaczną szybkość zmian tych przesunięć przy stosunkowo małych stratach mocy. Pracą przesuwników fazowych steruje się za pomocą szybkiego układu elektronicznego, który w najprostszych przypadkach steruje grupami elementów (na przykład rzędami i kolumnami w płaskich układach fazowych z prostokątnymi emiterami), a w najbardziej skomplikowanych przypadkach steruje każdą fazą dźwignię zmiany biegów indywidualnie. Wiązkę można kołysać w przestrzeni albo według z góry ustalonego prawa, albo według programu generowanego podczas pracy całego urządzenia radiowego, w skład którego wchodzi układ fazowany.
Wykład 6
Anteny fazowane
Wstęp
W procesie rozwoju radiotechniki i elektroniki anteny przeszły znaczącą zmianę: z prostych urządzeń (jeden lub kilka wibratorów) zostały przekształcone w złożone sterowane układy wieloelementowe z urządzeniami aktywnymi. Jeśli na pierwszych etapach rozwoju antena musiała zapewniać skuteczne promieniowanie i odbiór, później antena musiała zapewniać znaczny zysk, uzyskany dzięki kierunkowości działania. Wraz z pojawieniem się radiowych systemów lokalizacji, nawigacji i sterowania, anteny odbiorcze zaczęły namierzać kierunek, tj. wyznaczać współrzędne kątowe fal emitowanych lub odbitych z największą możliwą dokładnością. Gwałtowny wzrost liczby sprzętu elektronicznego, jaki nastąpił w ostatnim okresie, stworzył problem kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Aby wdrożyć EMC w antenach odbiorczych, konieczne stało się utworzenie głębokich spadków we wzorze, aby kierować nadejściem zakłóceń. Środowisko interferencyjne ciągle się zmienia, dlatego potrzebne były anteny samodostosowujące się - adaptacyjne. Pojawienie się nowych rodzajów działań bojowych - wojny elektronicznej - doprowadziło do konieczności rozwiązywania problemów w technologii antenowej podobnych do problemów wymienionych powyżej, ale w bardziej złożonych warunkach. Obecnie systemy radiowe muszą działać pod wpływem kilku silnych zakłóceń szerokopasmowych w warunkach niezależnie poruszających się źródeł zakłóceń. W takich przypadkach antena dokonuje przestrzennego przetwarzania sygnału, czyli staje się dynamicznym filtrem przestrzennym. Anteny skanowane elektrycznie są również antenami do przetwarzania sygnału przestrzennego.
We współczesnych systemach anten nadawczych i odbiorczych pojawiła się potrzeba czasowego przetwarzania sygnału (w dziedzinie częstotliwości). W torze antenowym układu może znajdować się układ równolegle pracujących elementów (urządzeń aktywnych): generatorów, wzmacniaczy, mikserów, przetwornic częstotliwości, przetworników analogowo-cyfrowych itp. Wymiana jednego elementu aktywnego (w nadajniku lub odbiorniku) na system równoległych elementów roboczych w elementach toru antenowego pozwala na rozwiązanie szeregu problemów techniki antenowej. Zatrzymajmy się tylko na kilku punktach. Włączenie elementu aktywnego w ścieżkę anteny sprawia, że antena jest z reguły urządzeniem niewzajemnym i nieliniowym, co znacząco zmienia wygląd anteny w trybie nadawczym i odbiorczym. Niezależne przetwarzanie przestrzenne sygnałów w antenie, a następnie przetwarzanie czasowe w odbiorniku utrudnia, a czasami eliminuje uzyskanie pełnej informacji o przestrzenno-częstotliwościowym rozkładzie źródeł w otaczającej przestrzeni (scenie radiowej). Równoległe przetwarzanie czasoprzestrzenne wielu próbek fal padających w antenie odbiorczej pozwala na zwiększenie ilości jednocześnie napływających informacji.
Dalsze doskonalenie różnych systemów radiowych stymuluje rozwiązywanie nowych problemów w technologii antenowej. Jednym z kierunków rozwoju technologii antenowej jest tworzenie anten z przetwarzaniem przestrzenno-czasowym. Stosując w takich systemach nowe rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne (anteny ultraszerokopasmowe, drukowane, mikropaskowe, kombinowane i inne), postęp w mikroelektronice, radiooptyce spójnej, holografii itp., można osiągnąć pożądane rezultaty.
Przy skanowaniu mechanicznym, realizowanym poprzez obrót całej anteny, maksymalna prędkość wiązki w przestrzeni kosmicznej jest ograniczona i przy prędkościach współczesnych samolotów jest niewystarczająca. Dlatego zaistniała potrzeba opracowania nowych typów anten -anteny fazowane (PAR).
Zastosowanie układów fazowanych do budowy anten skaningowych silnie kierunkowych umożliwia realizację dużej prędkości obserwacji przestrzeni i pozwala zwiększyć ilość informacji o rozmieszczeniu źródeł promieniowania lub odbiciu fal elektromagnetycznych w otaczającej przestrzeni.
Różnorodność stosowanych i tworzonych anten jest zwykle klasyfikowana według zakresów fal roboczych, ich właściwości elektrycznych, konstrukcji i projektu technologicznego, obszarów zastosowań itp. Klasyfikacje takie nie uwzględniają funkcjonalności nowoczesnych anten. Przekształcenie anteny z urządzenia w system zmienia podejście do klasyfikacji anten. Wskazane jest podejście do rozwoju anten jako ulepszenia określonego systemu radiowego i rozważenie różnych istniejących, opracowanych i nowo proponowanych anten oraz procesów w nich zachodzących z jednolitego punktu widzenia. Kryterium klasyfikacji i rozwoju anten można przyjąć jako przetwarzanie informacji (sygnału) zachodzące w antenie i jej drodze mikrofalowej. Takie przetwarzanie może odbywać się na częstotliwościach sygnału odbieranego (lub emitowanego), na częstotliwościach wyższych lub niższych (pośrednich), mieć charakter liniowy lub nieliniowy, analogowy lub cyfrowy, adaptacyjny itp. Ponieważ pole pada na pojedynczy układ element charakteryzujący się polaryzacją, amplitudą i fazą, wówczas w układzie antenowym przetwarzanie sygnału w amplitudzie i fazie można uzupełnić przetwarzaniem polaryzacyjnym.
W początkowej fazie rozwoju radiotechniki stosowano wibracyjne układy antenowe, w których torze zasilania sumowano arytmetycznie napięcia indukowane przez poszczególne wibratory, gdy fala padała prostopadle do układu antenowego. Pojawił się najprostszy typ anteny, używany do dziś - anteny jednofazowe silnie kierunkowe. Drugim najprostszym rodzajem anten są anteny na falę bieżącą (TWA), w których sumowanie napięć z poszczególnych wibratorów dla danego kierunku nadejścia fali uwzględnia przesunięcia fazowe w linii zasilającej. Trzeci rodzaj anten można uznać za bezkierunkowe anteny pokładowe, w których wykorzystuje się układ rozmieszczonych w odstępach, słabo kierunkowych emiterów, które emitują promieniowanie na całą otaczającą przestrzeń i eliminują zjawiska dyfrakcji i cienia przez nośną.
Czwarty typ – anteny kombinowane – powstał w ostatnim okresie, a jego celem było wykorzystanie jednego otworu do obsługi kilku anten na różnych częstotliwościach. Osiąga się to poprzez integrację jednej anteny (zespołu, zasilania) z drugą. Układ emiterów dostrojonych do wielu częstotliwości i wzbudzanych przez jedną linię transmisyjną tworzy, jak wiadomo, jeden z typów anten szerokopasmowych. Wszystkie te typy można połączyć w jedną klasę anten wieloelementowych.
W radarach szeroko stosowane są anteny monopulsowe, w których z jednego otworu powstają jednocześnie trzy wiązki, czyli trzy charakterystyki promieniowania, zwane różnicą sumy. W takich antenach trzy kanały przetwarzania sygnału (suma i różnica - wysokość i azymut) pozwalają zwiększyć dokładność wyznaczania współrzędnych kątowych w porównaniu do systemu jednokanałowego, przy wszystkich pozostałych parametrach. Układ antenowy lub równoważna antena aperturowa umożliwia utworzenie kilku wzorów ortogonalnych, jednoczesne oglądanie przestrzeni i przetwarzanie sygnału w kilku niezależnych kanałach. Zgodnie z proponowaną klasyfikacją anteny takie tworzą klasę anten wielowiązkowych, w których części promieniującej jednocześnie tworzony jest zbiór rozkładów amplitudowo-fazowych (APD), z których każdy odpowiada określonemu wejściu.
Anteny promieniujące to klasa urządzeń nadawczo-odbiorczych, które skupiają nadchodzącą falę z powrotem w kierunku źródła fali padającej. Najprostszą anteną promieniującą jest reflektor narożny. Jej dyskretnym odpowiednikiem jest sieć Van Etty. W zależności od przeznaczenia anten promieniujących mogą one być aktywnymi i pasywnymi elementami systemu radiowego. W aktywnych antenach promieniujących odbierane sygnały są wzmacniane, częstotliwość odbieranego sygnału ulega zmianie (przesunięciu) i modulowane są oscylacje (w celu przesłania informacji w wymaganym kierunku). Wszystkie te funkcje można wykonywać jednocześnie. Najlepsze parametry mają układy reradiacyjne oparte na antenach wielowiązkowych kształtujących wiązkę.
Wzrost prędkości samolotów wymagał od anten radarowych szybkiego skanowania wiązki w przestrzeni bez bezwładności, przy jednoczesnym zachowaniu właściwości kierunkowych uzyskanych w antenach lustrzanych ze skanowaniem mechanicznym. Doprowadziło to do intensywnego rozwoju anten fazowanych z funkcją skanowania elektrycznego: częstotliwości, fazy i przełączania.
Pojawienie się anten aktywnych spowodowane jest chęcią zwiększenia mocy wypromieniowanej, zmniejszenia strat ciepła, zwiększenia niezawodności układów fazowanych, a w antenach słabo kierunkowych zmniejszenia wymiarów i poszerzenia pasma roboczego. Dopóki antena (PAA) wykorzystuje liniowe urządzenia wzajemne do tworzenia kontrolowanych ADF, nie ma rozróżnienia między charakterystykami anteny podczas odbioru i transmisji, a przetwarzanie sygnału jest rozważane w trybie najwygodniejszym do analizy. Przejście na anteny aktywne prowadzi do pojawienia się niezależnych anten odbiorczych i nadawczych, choć nie wyklucza obecności anten nadawczo-odbiorczych.
Anteny dynamiczne (lub anteny z modulacją parametrów w czasie) to takie, których charakterystyka zmienia się w czasie. Zmiennymi parametrami mogą być: rozkłady amplitudowe i fazowe pola (prądów) w aperturze, wymiary liniowe anteny, czas przełączania oddzielnego elementu układu itp. Okresowe zmiany parametrów w zasadzie pozwalają na szybkie skanowanie wiązki w przestrzeni i tworzenie określonych charakterystyk kierunkowych. Zatem przełączając elementy układu w antenach dynamicznych, można uzyskać wzorce o niskim poziomie listków bocznych. Należy jednak pamiętać, że przy takim utworzeniu wzoru o niskim poziomie listków bocznych wydajność anteny maleje, a straty i szumy wynikające z włączenia przełączników do anteny rosną.
Anteny adaptacyjne lub samodostrajające się to takie, których charakterystyka dostosowuje się (optymalizuje) podczas pracy do zmieniających się warunków zewnętrznych. Proces adaptacji odbywa się automatycznie, zgodnie z algorytmem wbudowanym w system antenowy. System antenowy może obejmować nie tylko system przetwarzania sygnału, ale także system sterowania wiązką. Podczas procesu adaptacji charakterystyka kierunkowa zmienia się w oparciu o przetwarzanie odbieranych sygnałów. Na przykład, w zależności od sytuacji zakłócającej w adaptacyjnym schemacie anteny, w kierunku nadejścia sygnałów zakłócających może powstać jeden lub kilka głębokich spadków. W zależności od kryterium adaptacji w tej klasie anten można wyróżnić kilka typów.
Anteny z nieliniowym przetwarzaniem sygnału to układy antenowe, których sygnał wyjściowy jest iloczynem lub funkcją korelacji (mnożenia i uśredniania w czasie) sygnałów z poszczególnych elementów. Stosując różne metody nieliniowego przetwarzania sygnału (mnożenie, potęgowanie, dzielenie, uśrednianie itp.) możliwe jest zbudowanie anten, których właściwości będą znacząco odbiegać od właściwości anten konwencjonalnych. Czyli np. mnożąc sygnały z elementów układu (antena multiplikatywna) można znacznie zawęzić jego wzór. W antenach z syntezą logiczną – innym typem anteny z nieliniowym przetwarzaniem sygnału – możliwe jest uzyskanie bardzo niskiego poziomu listków bocznych wzoru. Osiąga się to poprzez zastosowanie urządzeń logicznych typu „tak-nie”, „lub”, „i”, „więcej-mniej” przy jednoczesnym „odcinaniu” listków bocznych dla wszystkich sygnałów przekraczających określony poziom. Należy szczególnie zauważyć, że w takich antenach tworzenie wzoru ulegnie znacznej zmianie pod wpływem nie jednego, ale dwóch lub więcej sygnałów jednocześnie.
Najbardziej rozpowszechnioną zasadą w układach syntezy apertury jest zasada nieliniowego przetwarzania sygnału, co oznacza utworzenie ciągłej apertury przy użyciu niewielkiej liczby ruchomych anten. Metoda opiera się na informacji apriorycznej o trajektorii poruszającego się nośnika antenowego. Jego istota polega na odbieraniu sygnałów podczas ruchu, przechowywaniu ich i odpowiednim dodawaniu, tak jak ma to miejsce w przypadku dużego układu fazowanego. Anteny z aperturą syntetyczną są obiecujące dla pokładowych radarów o zwiększonej rozdzielczości (obserwacja powierzchni Ziemi) i radioteleskopów. Pokładowe radary z syntetyczną aperturą umożliwiają uzyskanie wysokiej rozdzielczości liniowej we współrzędnych kątowych, odpowiadającej konwencjonalnej antenie o aperturze setek i tysięcy długości fal.
W antenach z nieliniowym przetwarzaniem sygnału, w tym w antenach z aperturą syntetyczną, zawężenie charakterystyki nie prowadzi do wzrostu zysku anteny. Ponadto następuje redukcja wynikająca z dodatkowych strat przetwórczych.
Nowa klasa anten odbiorczych z cyfrowym przetwarzaniem sygnału - cyfrowe układy antenowe - obejmuje układy wzmacniaczy, mikserów, detektorów fazy i przetworników analogowo-cyfrowych, a także komputery, za pomocą których przeprowadza się cyfrowe kształtowanie wzorca.
Układy anten radiooptycznych to anteny odbiorcze z optycznym przetwarzaniem sygnału. Drgania mikrofalowe odbierane przez każdy emiter AR są przenoszone na częstotliwość pośrednią i po wzmocnieniu za pomocą wielokanałowego modulatora światła (dynamiczna przezroczystość) przetwarzane są na oscylacje w zakresie optycznym. Dalsza obróbka odbywa się w zakresie optycznym z wykorzystaniem układu zawierającego laser, kolimator, soczewki, przysłony, filtry optyczne, przezroczystość itp. W tym systemie następuje analogowe przetwarzanie informacji czasoprzestrzennej. Dzięki temu na wyjściu układu powstaje w czasie rzeczywistym optyczny obraz sytuacji radarowej w przestrzeni przed układem odbiorczym. Za pomocą urządzeń optyczno-elektronicznych obraz ten można przekształcić na sygnały do późniejszej obróbki w komputerze.
Rozwój coraz krótszych fal aż do zakresu optycznego, brak niezbędnej bazy elementarnej do pracy na tych zakresach, trudność w konstruowaniu anten skanujących elektrycznie w tym zakresie na zasadach budowy anten poprzednich zakresów skłoniły do pomysłu wykorzystując metody holograficzne do tworzenia i kontrolowania wzorów anten, zwane holograficznymi. Anteny holograficzne to nowa klasa anten planarnych w postaci struktur amplitudowych (paskowych) lub fazowych, które mają właściwości skupiające płytek strefowych i soczewek przekrojowych. Można je skupiać zarówno na strefach odległych, jak i bliskich.
Powyższa klasyfikacja pozwala na jednoczesne zastosowanie dwóch lub więcej metod przetwarzania sygnału w jednej antenie. Istnieją zatem jednoimpulsowe układy fazowane ze skanowaniem fazowym i adaptacją lub odbierające cyfrowe anteny wielowiązkowe. Takie rozdzielenie anten okazuje się wygodne z teoretycznego punktu widzenia.
Ogólne zadanie projektowe budowy anten według zadanych wymagań, czyli synteza anten, teoretycznie zwykle dzieli się na zadania zewnętrzne i wewnętrzne. Rozwiązanie problemu zewnętrznego anten z przetwarzaniem sygnału sprowadza się praktycznie do zbudowania układu antenowego zapewniającego zadaną kierunkowość w sektorze oglądania (skanowania). Rozwiązanie problemu wewnętrznego musi zapewniać niezbędne wzbudzenie anteny, znalezione na podstawie rozwiązania problemu zewnętrznego, oraz wymagane przetwarzanie sygnału. W zależności od metody przetwarzania środek ciężkości rozwiązania problemu wewnętrznego przesuwa się z jednego urządzenia na drugie.
Rozwiązanie problemu zewnętrznego – zbudowanie układu antenowego – można przeprowadzić bez uwzględnienia późniejszej obróbki sygnału i okazuje się ono wspólne dla różnych klas anten.
lub różnice fazowe (przesunięcia fazowe) fal emitowanych (lub odbieranych) przez jego elementy (emitery). Kontrola fazy (fazowanie) pozwala na: utworzenie (przy bardzo różnych lokalizacjach emiterów) wymaganego wzorca kierunkowości (DP) układu fazowanego (na przykład wysoce kierunkowego wzoru - wiązki); zmienić kierunek wiązki stacjonarnego układu fazowanego itp. przeprowadzaj szybkie, w niektórych przypadkach prawie bezinercyjne skanowanie - kołysanie wiązką (patrz np. Łów w radarze); kontrolować kształt wzoru w określonych granicach - zmieniać szerokość wiązki, intensywność (poziomy) listków bocznych itp. (w tym celu układ fazowany czasami kontroluje również amplitudy fal poszczególnych emiterów). Te i inne właściwości układów fazowanych, a także możliwość wykorzystania nowoczesnej automatyki i środków komputerowych do sterowania układami fazowanymi, zdecydowały o ich perspektywach i powszechnym zastosowaniu w łączność radiowa, radar, nawigacja radiowa, radioastronomia itp. Układy fazowane zawierające dużą liczbę sterowalnych elementów (czasami 10 4 lub więcej) są częścią różnych naziemnych (stacjonarnych i mobilnych), statków, lotniczych i kosmicznych urządzeń radiowych. Trwają intensywne prace mające na celu dalszy rozwój teorii i technologii układów fazowanych oraz poszerzenie zakresu ich zastosowania.Struktura PAR. Kształty, rozmiary i konstrukcje nowoczesnych tablic fazowanych są bardzo różnorodne; o ich różnorodności decyduje zarówno rodzaj zastosowanych emiterów, jak i charakter ich umiejscowienia ( Ryż. 1 ). Sektor skanowania układu fazowanego jest określony przez wzór jego emiterów. W układach fazowanych z szybkim, szerokokątnym wychyleniem wiązki zwykle stosuje się emitery słabo kierunkowe: symetryczne i asymetryczne wibratory, często z jednym lub większą liczbą odbłyśników (na przykład w postaci lustra wspólnego dla całego układu fazowanego); otwarte końce falowody radiowe, szczelina, róg, spirala, pręt dielektryczny, okresowy dziennik itp. anteny. Czasami wielkogabarytowe układy fazowane składają się z oddzielnych małych układów fazowanych (modułów); Wzór tego ostatniego jest zorientowany w kierunku głównej wiązki całego układu fazowanego. W niektórych przypadkach, np. gdy dopuszczalne jest powolne ugięcie wiązki, jako emitery stosuje się anteny silnie kierunkowe z rotacją mechaniczną (np. tzw. zwierciadło pełnoobrotowe); w takich układach fazowanych wiązka jest odchylana pod dużym kątem poprzez obracanie wszystkich anten i fazowanie emitowanych przez nie fal; Fazowanie tych anten pozwala również na szybkie wahania wiązki fazowanej w obrębie ich wzorców.
W zależności od wymaganego kształtu wzoru i wymaganego sektora skanowania przestrzennego w układzie fazowym stosuje się różne względne ułożenia elementów: wzdłuż linii (prostej lub łukowej); nad powierzchnią (np. płaską – w tzw. płaskich układach fazowanych; cylindryczną; sferyczną) lub w danej objętości (wolumetryczne układy fazowane). Czasami kształt powierzchni emitującej układu fazowanego jest aperturą (patrz. Emisja i odbiór fal radiowych ), zależy od konfiguracji obiektu, na którym zainstalowany jest układ fazowany (na przykład kształt satelity). PARy o kształcie apertury podobnym do kształtu obiektu są czasami nazywane konforemnymi. Płaskie PAR są szeroko rozpowszechnione; w nich wiązka może skanować od kierunku normalnej do otworu (jak w Antena w trybie wspólnym ) w kierunku wzdłuż otworu (jak na rys Antena na falę bieżącą ). Współczynnik kierunkowości (DA) płaskiego układu fazowanego maleje, gdy wiązka odchyla się od normalnej w stronę apertury. Aby zapewnić skanowanie szerokokątne (w dużych kątach przestrzennych - do 4( wymazany) bez zauważalnego zmniejszenia wydajności stosuje się układy fazowane z niepłaską (na przykład sferyczną) aperturą lub układy płaskich układów fazowanych zorientowanych w różnych kierunkach. Skanowanie w tych układach odbywa się poprzez wzbudzenie odpowiednio zorientowanych emiterów i ich fazowanie.
Sterowanie przesunięciami fazowymi. W oparciu o metodę zmiany przesunięć fazowych wyróżnia się układy fazowe ze skanowaniem elektromechanicznym, realizowane na przykład poprzez zmianę kształtu geometrycznego wzbudzającego falowodu ( Ryż. 2 , A); skanowanie częstotliwości, polegające na wykorzystaniu zależności przesunięć fazowych od częstotliwości, np. ze względu na długość podajnik pomiędzy sąsiednimi emiterami ( Ryż. 2, b) lub odchylenia fale w falowodzie radiowym; ze skanowaniem elektrycznym realizowanym przy użyciu obwody z przesunięciem fazowym Lub przesuwniki fazowe, sterowane sygnałami elektrycznymi ( Ryż. 2 , c) z płynną (ciągłą) lub skokową (dyskretną) zmianą przesunięć fazowych.
Największy potencjał mają układy fazowane skanujące elektrycznie. Zapewniają powstawanie różnorodnych przesunięć fazowych na całej aperturze i znaczną szybkość zmian tych przesunięć przy stosunkowo niewielkich stratach mocy. Przy częstotliwościach mikrofalowych w nowoczesnych układach fazowanych powszechnie stosuje się przesuwniki fazowe ferrytowe i półprzewodnikowe (z prędkością około μsek i straty mocy ~20%). Pracą przesuwników fazowych steruje się za pomocą szybkiego układu elektronicznego, który w najprostszych przypadkach steruje grupami elementów (na przykład rzędami i kolumnami w płaskich układach fazowych z prostokątnymi emiterami), a w najbardziej skomplikowanych przypadkach steruje każdą fazą dźwignię zmiany biegów indywidualnie. Wiązka może kołysać się w przestrzeni albo według z góry ustalonego prawa, albo według programu generowanego podczas pracy całego urządzenia radiowego, w skład którego wchodzi układ fazowany.
Cechy konstrukcji układu fazowanego. Wzbudzenie emiterów PAR ( Ryż. 3 ) jest wytwarzany albo za pomocą linii zasilających, albo przez swobodnie rozchodzące się fale (tzw. quasi-optyczne układy fazowe), ścieżki wzbudzenia podajnika wraz z przesuwnikami fazowymi czasami zawierają złożone urządzenia elektryczne (tzw. obwody kształtujące wiązkę), które zapewniają wzbudzenie wszystkich emiterów z kilku wejść, co pozwala na jednoczesne tworzenie wiązek skanujących odpowiadających tym wejściom w przestrzeni (w wielowiązkowych układach fazowanych). Quasi-optyczne układy fazowane są głównie dwojakiego rodzaju: przelotowe (soczewkowe), w których przesuwniki fazowe i główne emitery są wzbudzane (za pomocą emiterów pomocniczych) przez fale rozchodzące się ze wspólnego źródła zasilania oraz odblaskowe - główny i emitery pomocnicze są łączone, a na wyjściach przesuwników fazowych instalowane są reflektory. Kwasi-optyczne układy fazowane wielowiązkowe zawierają kilka naświetlaczy, z których każdy ma własną wiązkę w przestrzeni. Czasami w układach fazowanych do tworzenia wzorów stosuje się urządzenia skupiające (lustra, soczewki). Omówione powyżej układy fazowane są czasami nazywane pasywnymi.
Aktywne układy fazowane mają największe możliwości w zakresie sterowania charakterystyką, w której do każdego emitera lub modułu podłączony jest nadajnik lub odbiornik sterowany fazowo (czasami sterowany amplitudą) ( Ryż. 4 ). Kontrola fazy w aktywnych układach fazowanych może być realizowana w ścieżkach częstotliwości pośrednich lub w obwodach wzbudzenia spójnych nadajników, lokalnych oscylatorów odbiornika itp. Zatem w aktywnych układach fazowanych przesuwniki fazowe mogą działać w zakresach fal innych niż zakres częstotliwości anteny; W niektórych przypadkach straty w przesuwnikach fazowych nie wpływają bezpośrednio na poziom sygnału głównego. Transmisyjne aktywne układy fazowane umożliwiają dodanie w przestrzeni mocy spójnych fal elektromagnetycznych generowanych przez poszczególne nadajniki. W odbiorze aktywnych układów fazowanych łączne przetwarzanie sygnałów odbieranych przez poszczególne elementy pozwala uzyskać pełniejszą informację o źródłach promieniowania.
W wyniku bezpośredniego oddziaływania emiterów ze sobą charakterystyka układu fazowanego ( koordynacja emitery z ekscytującymi podajnikami, LPC itp.) zmieniają się, gdy wiązka się kołysze. Aby przeciwdziałać szkodliwym skutkom wzajemnego oddziaływania emiterów w układach fazowanych, czasami stosuje się specjalne metody kompensacji wzajemnego sprzężenia elementów.
Perspektywy rozwoju układów fazowanych. Do najważniejszych kierunków dalszego rozwoju teorii i technologii układów fazowanych zalicza się: 1) powszechne wprowadzanie do urządzeń radiotechnicznych układów fazowanych o dużej liczbie elementów, rozwój nowych typów elementów, w szczególności do aktywnych układów fazowanych ; 2) rozwój metod konstruowania układów fazowanych o dużych aperturach, w tym nierównoodległych układów fazowanych z antenami silnie kierunkowymi, rozmieszczonymi na obszarze całej półkuli Ziemi (globalne Radio teleskop ), 3) dalszy rozwój metod i środków technicznych osłabiania szkodliwych skutków wzajemnego połączenia elementów układu fazowanego; 4) rozwój teorii syntezy i metod projektowania maszynowego układów fazowanych; 5) opracowanie teorii i wdrożenie nowych metod przetwarzania informacji otrzymywanych przez elementy układu fazowanego i wykorzystania tych informacji do zarządzania
Układy fazowane, w szczególności do automatycznego fazowania elementów (układy fazowe samofazujące) i zmiany kształtu układu, np. obniżanie poziomu listków bocznych w kierunku źródeł zakłóceń (układy fazowe adaptacyjne); 6) opracowanie metod sterowania niezależnym ruchem poszczególnych wiązek w wielowiązkowych układach fazowanych.
Oświetlony.: Vendik O.G., Anteny o niemechanicznym ruchu wiązki, M., 1965; Mikrofalowe systemy anten skanujących, trans. z języka angielskiego, t. 1–3, M., 1966–71.
Artykuł o słowie „ Antena fazowana” w Wielkiej Encyklopedii Radzieckiej przeczytano 6842 razy
Dedykowany do anten. Kontynuując temat, chcę opowiedzieć Habrastowarzyszeniu o zasadach działania anten z układem fazowanym (PAR). Układy fazowane są szeroko stosowane w systemach radarowych, obronie przeciwrakietowej i komunikacji kosmicznej; Zastosowanie w obiektach cywilnych (komercyjnych) jest skomplikowane ze względu na złożoność produkcji i wysokie koszty. Być może ktoś zainteresuje się tematem i wymyśli efektywne wykorzystanie układów fazowanych do zastosowań komercyjnych.
Co to jest?
PAR to grupa emiterów (przesuwniki fazowe, PV), w których względne fazy sygnałów zmieniają się kompleksowo zgodnie z pewnym prawem, tak że efektywne promieniowanie PAR jest wzmacniane w pożądanym kierunku i tłumione we wszystkich pozostałych. PAR jest macierzą, gdzie elementem macierzy jest PV, ale oczywiście PV w przestrzeni może mieć inne konfiguracje. Na rycinie 1 przedstawiono radar sektorowy „Imbir”, będący częścią przeciwlotniczego systemu rakietowego S300B. Możesz zobaczyć zarówno układ fazowany, jak i róg napromieniowujący.Obrazek 1.
Jak przebiega fazowanie?
Istnieje prosty wzór z kursu fizyki: V = c/sqrt(mu*eps). We wzorze tym V jest prędkością fazową fali elektromagnetycznej, c jest prędkością światła w próżni, mu jest przenikalnością magnetyczną, eps jest stałą dielektryczną. Z tego wzoru jasno wynika, że prędkość fazowa zależy od mi i epsilon, a zmieniając te wartości możemy wprowadzić opóźnienie fali EM przez PV. Dlatego ogniwa fotowoltaiczne mogą być ferrytowe (możemy zmienić ich przenikalność magnetyczną) i ferroelektryczne (możemy zmienić ich stałą dielektryczną). Zasilanie przesuwników fazowych odbywa się drogą powietrzną (jak na rys. 1) lub przez falowody (np. w małogabarytowych przeciwlotniczych systemach rakietowych, rys. 2).Rysunek 2. System obrony powietrznej Tor.
Schemat układu fazowanego na ryc. 4: antena to linia emiterów, fotowoltaika jest zawarta pomiędzy dzielnikiem mocy a emiterami. Ferryt PV to cylindryczny ferryt analogowy, na którym nawinięte są uzwojenia sterujące. Zmieniając prąd w uzwojeniach sterujących (ustawiony przez jednostkę sterującą PV), zmienia się przenikalność magnetyczna i odpowiednio prędkość fazowa fali EM w PV. Zatem poprzez sekwencyjną zmianę poziomu sygnału sterującego w uzwojeniach można przedstawić proces powstawania czoła fali jak pokazano na rys. 3, 4 (przypadek jednowymiarowy). Analogię można wyciągnąć z kamyczkami, które sukcesywnie wrzucamy do wody. Inną analogią działania układu fazowanego jest soczewka. Rysunek 5 przedstawia zmianę kształtu czoła fali za pomocą soczewki.
Rysunek 3. Formacja czoła fali.
Rysunek 4. Schemat układu fazowego.
Rysunek 5.
Rysunek 6. Typowy wzór promieniowania.
Skanowanie elektryczne zapewnia wytworzenie różnorodnych przesunięć fazowych w całej aperturze i znaczną szybkość zmian tych przesunięć przy stosunkowo małych stratach mocy. Pracą przesuwników fazowych steruje się za pomocą szybkiego układu elektronicznego, który w najprostszych przypadkach steruje grupami elementów (na przykład rzędami i kolumnami w płaskich układach fazowych z prostokątnymi emiterami), a w najbardziej skomplikowanych przypadkach steruje każdą fazą dźwignię zmiany biegów indywidualnie. Wiązkę można kołysać w przestrzeni albo według z góry ustalonego prawa, albo według programu generowanego podczas pracy całego urządzenia radiowego, w skład którego wchodzi układ fazowany.
Rysunki do artykułu można znaleźć w określonej literaturze, z wyjątkiem rysunku 3. Bardziej szczegółowe wprowadzenie do układów fazowanych i ich sterowania mogę polecić książkę Samoilenko i Shishova „Sterowanie antenami Phased Array”.
