Sfázované anténní pole ( PAR ) je anténní pole [1] , jehož směr vyzařování a (nebo) tvar odpovídajícího vyzařovacího diagramu je regulován změnou amplitudově-fázového rozložení proudů nebo budicích polí na vyzařujících prvky [2] .
Vyzařující prvek (anténní pole) - integrální součást anténního pole, anténa nebo skupina antén s daným relativním buzením [2] . V anténním poli vzniká požadovaný vyzařovací diagram díky speciálně organizované interferenci elektromagnetických vln vysílaných do prostoru jejími vyzařovacími prvky. K tomu je zajištěno potřebné rozdělení amplitudy a fáze - potřebné relativní amplitudy a počáteční fáze střídavých proudů nebo budicích polí každého vyzařovacího prvku anténního pole. Rozdíl mezi fázovanou anténní soustavou je v tom, že amplitudově-fázové rozdělení není pevné, lze jej nastavovat (řízeně měnit) za provozu [2] . Díky tomu je možné posouvat svazek (hlavní lalok vyzařovacího diagramu) anténního pole v určitém sektoru prostoru ( anténní pole s elektrickým skenováním paprsku [3] jako alternativa k mechanicky snímané anténě, tedy alternativa k mechanicky otočné anténě [4] ) nebo změna tvaru vyzařovacího diagramu.
Tyto a některé další vlastnosti sfázovaného pole, stejně jako schopnost využívat moderní prostředky automatizace a výpočetní techniky k řízení sfázovaného pole, vedly k jejich slibnému a širokému využití v radiokomunikacích, radarech, radionavigaci, radioastronomii atd. PAA obsahující velké množství řízených prvků jsou součástí složení různých pozemních (stacionárních i mobilních), lodních, leteckých a kosmických radiotechnických systémů. Probíhá intenzivní vývoj směrem k dalšímu rozvoji teorie a technologie fázovaného pole a rozšiřování rozsahu jejich aplikace.
Až do konce osmdesátých let minulého století si vytvoření takového systému vyžadovalo použití velkého množství zařízení, a proto se plně elektronicky řízená fázová pole využívala především ve velkých stacionárních radarech, jako je masivní BMEWS (Ballistic Missile Warning Radar) a poněkud menší americký námořní radar protivzdušné obrany SCANFAR (vývoj AN/SPG-59 ), instalovaný na americkém těžkém jaderném raketovém křižníku Long Beach ( anglicky ) a jaderné letadlové lodi Enterprise . Jeho potomek SPY-1 Aegis byl instalován na křižníky třídy Ticonderoga a později na torpédoborce Arleigh Burke . Jediným známým použitím na letadlech byl velký radar Zaslon namontovaný na sovětském stíhacím letounu MiG-31 a útočný radar na B-1B Lancer [5] . V současnosti se používá v Su-35 a F-22 .
Takové radary nebyly instalovány do letadel hlavně kvůli jejich velké hmotnosti, protože první generace technologie fázového pole používala konvenční radarovou architekturu. Zatímco anténa se změnila, vše ostatní zůstalo stejné, ale byly přidány další kalkulačky pro ovládání fázových posuvníků antény. To vedlo ke zvýšení hmotnosti antény, počtu výpočetních modulů a zatížení napájecího systému.
Relativně vysoké náklady na PAR však byly kompenzovány výhodami, které přináší jejich používání. Sfázovaná anténní pole by mohla kombinovat práci několika antén v jedné anténě, téměř současně. Široké paprsky mohly být použity pro vyhledávání cíle, úzké paprsky pro sledování, ploché vějířovité paprsky pro určení výšky, úzké směrové paprsky pro terénní let ( B-1B , Su-34 ). V nepřátelské oblasti elektronických protiopatření je výhoda ještě větší, protože PAR umožňují systému umístit „nulu“ anténního vzoru (to znamená oblast, kde anténa není citlivá na elektromagnetické záření, „slepá“ ) ve směru rušiče a tím jim zablokovat vstup do přijímače. Další výhodou je odmítnutí mechanické rotace antény při skenování paprsku, což zvyšuje rychlost pozorovacího prostoru o řády a také zvyšuje životnost systému, protože se zavedením fázování je potřeba těžkopádné mechanismy pro orientaci anténního plechu v prostoru částečně zmizely. ČELNÍ SVĚTLO, skládající se ze tří nebo čtyř plochých pláten, může poskytnout kruhový výhled do prostoru až na celou horní polokouli.
Tato technologie také poskytovala méně zřejmé výhody. Mohl by rychle „skenovat“ malou oblast oblohy, aby se zvýšila šance na detekci malého a rychlého cíle, na rozdíl od pomalu rotující antény, která dokáže skenovat určitý sektor pouze jednou za otáčku (typicky období průzkumu radar s azimutálně otočnou anténou je od 5 do 20 sekund). Cíl s malou efektivní rozptylovou plochou (ESR) (jako je například nízko letící střela s plochou dráhou letu) je téměř nemožné detekovat rotující anténou. Schopnost Phased Array téměř okamžitě změnit směr a tvar paprsku ve skutečnosti dodává sledování cíle zcela nový rozměr, protože různé cíle mohou být sledovány různými paprsky, z nichž každý je propleten v čase s periodicky skenujícím paprskem průzkumu vesmíru. Například paprsek pro skenování prostoru může periodicky pokrývat 360 stupňů, zatímco sledovací paprsky mohou sledovat jednotlivé cíle bez ohledu na to, kam v danou chvíli míří paprsek pro skenování prostoru.
Použití PAR má omezení. Jedním z nich je velikost sektoru prostoru, v rámci kterého lze paprsek snímat bez výrazného zhoršení ostatních ukazatelů kvality světlometů. V praxi je pro plochý světlomet limit 45-60 stupňů od geometrické normály k plechu antény. Odklon paprsku pod velkými úhly výrazně degraduje hlavní charakteristiky anténního systému (UBL, směrovost, šířka a tvar hlavního laloku vyzařovacího diagramu). To je způsobeno dvěma efekty. Prvním z nich je zmenšení efektivní plochy antény (apertury) s rostoucím úhlem vychýlení paprsku. Na druhé straně, zmenšení délky pole v kombinaci se snížením zisku antény snižuje schopnost detekovat cíl na dálku.
Druhý efekt je způsoben typem vyzařovacího diagramu (RP) vybraných prvků anténního pole. Paprsek PAR je vhodné vychylovat v rámci hlavního laloku RP vyzařujících prvků pole antén (částečná RP prvku je širší než paprsek PAR RP). Přiblížení směru snímání PAR k hranici hlavního laloku dílčího vzoru prvků vede ke snížení zisku PAR a zvýšení úrovně postranních laloků.
Buzení zářičů PAR se provádí buď pomocí napájecích vedení, nebo pomocí volně se šířících vln (v tzv. kvazioptických PAR), napájecí dráhy buzení spolu s fázovými posuvníky někdy obsahují složitá elektrická zařízení (tzv. paprskotvorné obvody), které zajišťují buzení všech zářičů z více vstupů, což umožňuje vytvářet současně skenovací paprsky odpovídající těmto vstupům (u vícepaprskových světlometů). Kvazioptická fázovaná pole jsou převážně dvojího typu: transmisní (čočka), ve kterých jsou posouvače fáze a hlavní emitory buzeny (pomocí pomocných emitorů) vlnami šířícími se ze společného zdroje, a reflexní - hlavní a pomocné emitory. jsou kombinované a na výstupech posouvačů fáze jsou instalovány reflektory. Vícepaprskové kvazioptické PŘEDNÍ SVĚTLOMETY obsahují několik ozařovačů, z nichž každý má svůj vlastní paprsek v prostoru. Někdy se v PAR používají k vytvoření vzoru zaostřovací zařízení (zrcadla, čočky). Fázovaná pole diskutovaná výše se někdy nazývají pasivní .
Aktivní fázovaná pole mají největší kontrolu nad charakteristikami , ve kterých je ke každému vysílači nebo modulu připojen fázově řízený (někdy také amplitudově řízený) vysílač nebo přijímač. Fázové řízení v aktivních fázovaných polích může být prováděno v mezifrekvenčních trasách nebo v budicích obvodech koherentních vysílačů, místních oscilátorů přijímače atd. V aktivních fázovaných polích tak mohou fázové posuvníky pracovat ve vlnových pásmech odlišných od frekvenčního rozsahu anténa; ztráty ve fázových posunovačích v některých případech přímo neovlivňují úroveň hlavního signálu. Vysílací aktivní fázovaná pole umožňují v prostoru sčítat výkony koherentních elektromagnetických vln generovaných jednotlivými vysílači. Při příjmu aktivních fázovaných polí umožňuje společné zpracování signálů přijímaných jednotlivými prvky získat úplnější informace o zdrojích záření.
V důsledku přímé interakce zářičů mezi sebou se při výkyvech paprsku mění charakteristiky fázovaného pole (koordinace zářičů s budicími napáječi, SOI atd.). Pro boj se škodlivými účinky vzájemného ovlivňování zářičů ve sfázovaném poli se někdy používají speciální metody pro kompenzaci vzájemného spojení mezi prvky.
Tvary, velikosti a provedení moderních PŘEDNÍCH SVĚTEL jsou velmi rozmanité; jejich rozmanitost je dána jak typem použitých zářičů, tak charakterem jejich umístění. Sektor skenování PAR je určen DN jeho emitorů. Fázované pole s rychlým širokoúhlým výkyvem paprsku obvykle používá slabě směrové zářiče: symetrické a asymetrické vibrátory, často s jedním nebo více reflektory (například ve formě zrcadla společného celému fázovanému poli); otevřené konce rádiových vlnovodů, štěrbinové, rohové, spirálové, dielektrické tyčové, log-periodické a jiné antény. Někdy se velké PAR skládají z jednotlivých malých PAR (modulů); DN posledně jmenovaného je orientováno ve směru hlavního paprsku celého PAR. V některých případech, například když je přijatelné pomalé vychylování paprsku, se jako zářiče používají vysoce směrové antény s mechanickým natáčením (například tzv. zrcadlové antény s plným natočením); v takových SVĚTLOMETECH je paprsek vychylován pod velkým úhlem natočením všech antén a fázováním vln, které vyzařují; fázování těchto antén také umožňuje rychlé kolísání paprsku PAR v rámci jejich RP.
V závislosti na požadovaném tvaru RP a požadovaném sektoru prostorového skenování využívá sfázované pole různou relativní polohu prvků:
Někdy je tvar vyzařovací plochy otvoru SVĚTLOMETU určen konfigurací objektu, na kterém je SVĚTLOMET instalován. PAR s tvarem apertury podobným tvaru objektu se někdy nazývají konformní. Ploché světlomety jsou rozšířené; v nich může paprsek skenovat ze směru normály k otvoru (jako v anténě s fází) ke směru podél otvoru (jako v anténě s postupnou vlnou). Směrový koeficient (KND) plochého HEADLIGHT se snižuje, když se paprsek odchyluje od normály k otvoru. Pro zajištění širokoúhlého snímání (ve velkých prostorových úhlech - až 4 steradiány bez znatelného snížení směrovosti se používá fázované pole s nerovinným (například sférickým) otvorem nebo systémy plochých fázovaných polí orientovaných v různých směrech Skenování v těchto systémech se provádí buzením příslušně orientovaných zářičů a jejich fázováním.
Podle charakteru rozložení zářičů v otvoru se rozlišují ekvidistantní a neekvidistantní PAR. V ekvidistantním PAR jsou vzdálenosti mezi sousedními prvky v celém otvoru stejné. U plochých ekvidistantních světlometů jsou zářiče nejčastěji umístěny v uzlech pravoúhlého pole (pravoúhlé uspořádání) nebo v uzlech trojúhelníkové mřížky (šestihranné uspořádání). Vzdálenosti mezi zářiči v ekvidistantních fázovaných polích se obvykle volí dostatečně malé (často menší než pracovní vlnová délka), což umožňuje vytvořit obrazec ve snímacím sektoru s jedním hlavním lalokem (bez bočních difrakčních maxim - tzv. falešné paprsky) a nízká úroveň postranních laloků; pro vytvoření úzkého paprsku (tj. ve fázovaném poli s velkým otvorem) je však nutné použít velké množství prvků. V neekvidistantním PAR jsou prvky umístěny v nestejných vzdálenostech od sebe (vzdálenost může být např. náhodná veličina). V takových SVĚTLOMETECH lze i při velkých vzdálenostech mezi sousedními zářiči zabránit tvorbě parazitních paprsků a lze získat obrazec s jedním hlavním lalokem. To umožňuje v případě velkých otvorů vytvořit velmi úzký nosník s relativně malým počtem prvků; avšak takové neekvidistantní PAR s velkým otvorem s malým počtem emitorů mají vyšší úroveň postranních laloků a v souladu s tím nižší faktor směrovosti než PAR s velkým počtem prvků. V neekvidistantních SVĚTLOMETECH s malými vzdálenostmi mezi zářiči, se stejnými výkony vln vyzařovaných jednotlivými prvky, je možné získat (v důsledku nerovnoměrného rozložení hustoty záření v otvoru antény) RP s nižší úrovní stran. laloky než u ekvidistantních PŘEDNÍCH SVĚTEL se stejným otvorem a stejným počtem prvků.
Následující mohou fungovat jako emitory PAR [6] :
Příkladem použití slabě směrových zářičů jsou antény základnových stanic GSM , kde se jako zářiče používají flíčkové antény . Dipóly a monopóly se používají jako zářiče antén standardu LTE [7] .
Zajímavým příkladem použití směrových antén v konfiguracích anténního pole je projekt Allen Telescope Array , který jako prvky anténního pole používá zrcadlové antény pro účely radioteleskopie .
Podle způsobu změny fázových posunů se PAR rozlišují:
Největší potenciál mají PAR s elektrickým skenováním. Zajišťují vytváření různých fázových posunů po celou dobu otevírání a značnou rychlost změny těchto posunů při relativně malých ztrátách výkonu. V mikrovlnách v moderních fázových polích jsou široce používány feritové a polovodičové posouvače fáze (s rychlostí v řádu mikrosekund a ztrátou výkonu ~ 20 % ). Činnost posouvačů fáze je řízena vysokorychlostním elektronickým systémem, který v nejjednodušších případech ovládá skupiny prvků (například řady a sloupce v plochých světlometech s pravoúhlým uspořádáním zářičů), v nejsložitějších případech , každý fázový měnič samostatně. Kývání paprsku v prostoru může být prováděno jak podle předem stanoveného zákona, tak podle programu vyvinutého během provozu celého rádiového zařízení, jehož součástí jsou PŘEDNÍ SVĚTLOMETY.
Odolnost systému proti rušení závisí na úrovni bočních laloků antény a možnosti jejího přizpůsobení (přizpůsobení) rušivému prostředí. Anténní pole je nezbytným článkem pro vytvoření takového dynamického časoprostorového filtru nebo jednoduše pro snížení UBL . Jedním z nejdůležitějších úkolů moderní palubní radioelektroniky je vytvoření integrovaného systému, který kombinuje několik funkcí, jako je radionavigace , radar , komunikace atd. Je potřeba vytvořit anténní pole s elektrickým skenováním s několika paprsky ( vícepaprskové , monopulzní atd.) na různých frekvencích ( kombinované ) a mající různé vlastnosti. Tyto úlohy jsou úspěšně řešeny na základě digitálního vytváření vícecestného vyzařovacího diagramu v digitálních anténních polích .
Významným omezením šumové imunity sfázovaného pole je nízká bitová šířka fázových posunovačů (5-7 bitů), která neumožňuje tvorbu hlubokých „nul“ ve vyzařovacím diagramu na ochranu před rušením [9] . Kromě toho je odolnost proti rušení radiotechnických systémů s fázovaným polem omezena netotožností charakteristik analogových fázových posuvníků.
Normalizovaný vyzařovací diagram lineárního fázovaného anténního pole pro stejně orientované identické zářiče umístěné ve stejných vzdálenostech od sebe lze popsat následujícím vzorcem [10] :
kde je rozsah úhlů (azimut), ve kterých může fázované pole skenovat, je vlnové číslo , je vlnová délka ( nosič ), je rozteč anténního pole, je vyzařovací diagram jednoho zářiče anténního pole a je směr odpovídající maximu hlavního laloku.
Je třeba poznamenat, že tento vzorec platí pouze pro případy, kdy jsou amplitudy proudů v emitorech stejné, fázový posun se mění podle zákona , kde je číslo fázového posunu.
Pro simulaci paprsku ve dvou na sebe kolmých rovinách a poskytnutí možnosti modelování jeho řízení v určitém sektoru prostoru lze použít následující vzorec [11] :
kde a jsou rozsahy úhlů (azimut a elevace), ve kterých může fázované pole skenovat, a jsou směry maxima (azimut a elevace) a jsou vzdálenosti mezi prvky podél os a a jsou počet prvků podél os a , resp.
Anténní pole lze klasifikovat podle následujících hlavních vlastností:
V dráze ( feeder ) napájející anténní pole je možné různé časoprostorové zpracování signálu . Pokud je ke každému emitoru nebo skupině PAR připojen výkonový zesilovač, generátor signálu nebo frekvenční měnič , pak se taková pole nazývají aktivní fázovaná anténní pole ( APAA ).
Přijímací anténní pole se zpracováním signálu koherentní optikou se nazývají radiooptické . Přijímací anténní pole, ve kterých zpracování provádějí digitální procesory, se nazývají digitální anténní pole [12] .
Přijímací anténní pole se samoregulačním rozložením amplitudy a fáze v závislosti na situaci rušení se nazývají adaptivní [19] . V anglicky psané literatuře se používá termín smart-antenna [9] : „chytré“ anténní pole je zčásti tvořeno schopností přizpůsobit své parametry aktuálním podmínkám za účelem dosažení určitých zisků – svou přizpůsobivostí. Tento přístup je v literatuře znám minimálně od poloviny 70. let [20] . Obecně existuje několik hlavních aplikací pro adaptivní anténní pole:
Kombinovaná anténní pole mají ve svém otvoru dva nebo více typů zářičů, z nichž každý pracuje ve svém vlastním frekvenčním rozsahu .
Někdy je koncept anténního pole zaměňován s konceptem MIMO technologie. Přísně vzato je tato formulace otázky nesprávná: pro implementaci technologie MIMO jsou potřeba alespoň dvě antény na vysílací straně a dvě antény na přijímací straně, přičemž pojem PAR v klasickém slova smyslu [21] znamená jedna anténa, skládající se z několika prvků a tvořících jeden skenovací paprsek. Existují však anténní pole, která tvoří několik nezávislých (ortogonálních) paprsků z jedné vyzařovací apertury a mají odpovídající počet vstupů - vícepaprsková anténní pole [22] [23] . Navíc je vhodné upřesnit, že moderní smart-antény [9] , které umožňují mimo jiné aplikovat technologii MIMO , lze implementovat na bázi fázovaného pole [24] [25] .
V závislosti na poměru amplitud budicích proudů se mřížky rozlišují:
Pokud se fáze emitorových proudů mění podél linie jejich umístění podle lineárního zákona, pak se takové mřížky nazývají mřížky s lineárním rozdělením fází. Zvláštním případem takových mřížek jsou mřížky soufázové, u kterých jsou fáze proudu všech prvků stejné.
Slovníky a encyklopedie |
---|