Conjunto de antenas en fase ( PAR ) es un conjunto de antenas [1] , cuya dirección de radiación y (o) la forma del patrón de radiación correspondiente está regulada por un cambio en la distribución de amplitud-fase de corrientes o campos de excitación en la radiación elementos [2] .
Elemento radiante (conjunto de antenas) - una parte integral del conjunto de antenas, una antena o un grupo de antenas con una excitación relativa determinada [2] . En el conjunto de antenas, el patrón de radiación requerido se forma debido a una interferencia especialmente organizada de ondas electromagnéticas emitidas al espacio por sus elementos radiantes. Para esto, se proporciona la distribución de fase de amplitud necesaria: las amplitudes relativas necesarias y las fases iniciales de las corrientes alternas o campos de excitación de cada elemento radiante del conjunto de antenas. La diferencia entre una antena de matriz en fase es que la distribución de amplitud y fase no es fija, se puede ajustar (cambiar de manera controlada) durante la operación [2] . Gracias a esto, es posible mover el haz (el lóbulo principal del patrón de radiación) del conjunto de antenas en un determinado sector del espacio ( un conjunto de antenas con barrido de haz eléctrico [3] como alternativa a una antena de barrido mecánico, es decir, una alternativa a una antena giratoria mecánicamente [4] ) o cambiar la forma del patrón de radiación.
Estas y algunas otras propiedades de la matriz en fase, así como la capacidad de utilizar medios modernos de automatización y tecnología informática para controlar la matriz en fase, llevaron a su uso prometedor y generalizado en comunicaciones por radio, radar, navegación por radio, radioastronomía, etc. Los PAA que contienen una gran cantidad de elementos controlados se incluyen en la composición de varios sistemas de ingeniería de radio terrestres (estacionarios y móviles), de barcos, de aviación y espaciales. Se están llevando a cabo desarrollos intensivos en la dirección de un mayor desarrollo de la teoría y la tecnología de la matriz en fase y la expansión del alcance de su aplicación.
Hasta finales de la década de 1980, la creación de un sistema de este tipo requería el uso de una gran cantidad de dispositivos, razón por la cual las matrices en fase totalmente controladas electrónicamente se usaban principalmente en grandes radares estacionarios como el enorme BMEWS (radar de advertencia de misiles balísticos) y el algo radar de defensa aérea naval estadounidense más pequeño defensa SCANFAR (desarrollo de AN / SPG-59 ), instalado en el crucero de misiles nucleares pesados estadounidense Long Beach ( inglés ) y el portaaviones nuclear Enterprise . Su descendiente SPY-1 Aegis se instaló en los cruceros de clase Ticonderoga y más tarde en los destructores Arleigh Burke . Los únicos usos conocidos en aviones fueron el gran radar Zaslon (radar) montado en el interceptor soviético MiG-31 y el radar de ataque en el B-1B Lancer [5] . Actualmente se utiliza en los Su-35 y F-22 .
Dichos radares no se instalaron en aeronaves principalmente debido a su gran peso, ya que la primera generación de tecnología de matriz en fase utilizó una arquitectura de radar convencional. Si bien la antena cambió, todo lo demás permaneció igual, pero se agregaron calculadoras adicionales para controlar los desfasadores de la antena. Esto condujo a un aumento en la masa de la antena, la cantidad de módulos informáticos y la carga en el sistema de suministro de energía.
Sin embargo, el costo relativamente alto de PAR se vio compensado por los beneficios proporcionados por su uso. Los conjuntos de antenas en fase podrían combinar el trabajo de varias antenas en una sola antena, casi simultáneamente. Los haces anchos podrían usarse para la búsqueda de objetivos, los haces estrechos para el seguimiento, los haces planos en forma de abanico para determinar la altitud, los haces direccionales estrechos para el vuelo del terreno ( B-1B , Su-34 ). En una zona hostil de contramedidas electrónicas, el beneficio se vuelve aún mayor, ya que los PAR permiten que el sistema coloque el “cero” del patrón de antena (es decir, el área donde la antena no es sensible a la radiación electromagnética, “ciega” ) en la dirección de la fuente de interferencia y así bloquearlos para que no entren en el receptor. Otra ventaja es el rechazo de la rotación mecánica de la antena al escanear el haz, lo que aumenta la velocidad de visualización del espacio en órdenes de magnitud y también aumenta la vida útil del sistema, ya que con la introducción de la fase, la necesidad de engorrosos Los mecanismos para orientar la lámina de la antena en el espacio han desaparecido parcialmente. UN FARO, formado por tres o cuatro lienzos planos, puede proporcionar una visión circular del espacio, hasta todo el hemisferio superior.
Esta tecnología también proporcionó beneficios menos obvios. Podría "escanear" rápidamente una pequeña área del cielo para aumentar la posibilidad de detectar un objetivo pequeño y rápido, a diferencia de una antena que gira lentamente, que puede escanear un sector específico solo una vez por revolución (típicamente, el período de estudio de un radar con una antena giratoria azimutalmente es de 5 a 20 segundos). Un objetivo con un área de dispersión efectiva (ESR) pequeña (como un misil de crucero de vuelo bajo ) es casi imposible de detectar con una antena giratoria. La capacidad de la matriz en fase para cambiar casi instantáneamente la dirección y la forma del haz en realidad agrega una dimensión completamente nueva al seguimiento de objetivos, ya que diferentes objetivos pueden ser rastreados por diferentes haces, cada uno de los cuales está entrelazado en el tiempo con un haz de exploración espacial de exploración periódica. Por ejemplo, un haz de exploración espacial puede cubrir 360 grados periódicamente, mientras que los haces de seguimiento pueden rastrear objetivos individuales sin importar a dónde apunte el haz de exploración espacial en ese momento.
El uso de PAR tiene limitaciones. Uno de ellos es el tamaño del sector del espacio dentro del cual se puede escanear el haz sin deterioro significativo de otros indicadores de la calidad de los faros. En la práctica, para un faro plano, el límite es de 45 a 60 grados desde la normal geométrica hasta la lámina de la antena. La desviación del haz en ángulos grandes degrada significativamente las principales características del sistema de antena (UBL, factor de directividad, ancho y forma del lóbulo principal del diagrama de radiación). Esto se debe a dos efectos. El primero de ellos es una disminución en el área efectiva de la antena (apertura) al aumentar el ángulo de desviación del haz. A su vez, la reducción de la longitud de la matriz, combinada con una disminución de la ganancia de la antena , reduce la capacidad de detectar un objetivo a distancia.
El segundo efecto es causado por el tipo de patrón de radiación (RP) de los elementos seleccionados del conjunto de antenas. Es recomendable desviar el haz PAR dentro del lóbulo principal del RP de los elementos radiantes del conjunto de antenas (el RP parcial del elemento es más ancho que el haz PAR RP). Acercar la dirección de exploración del PAR al límite del lóbulo principal del patrón parcial de los elementos conduce a una disminución en la ganancia del PAR y un aumento en el nivel de los lóbulos laterales.
La excitación de los emisores PAR se lleva a cabo utilizando líneas de alimentación o por medio de ondas que se propagan libremente (en el llamado PAR cuasi-óptico), las rutas de alimentación de excitación, junto con los desfasadores, a veces contienen dispositivos eléctricos complejos (los llamados circuitos de formación de haz) que aseguran la excitación de todos los emisores desde varias entradas, lo que permite crear simultáneamente haces de exploración correspondientes a estas entradas (en faros de haz múltiple). Los arreglos en fase cuasi-ópticos son principalmente de dos tipos: transmisión (lente), en la que los cambiadores de fase y los emisores principales son excitados (con la ayuda de emisores auxiliares) por ondas que se propagan desde una alimentación común, y reflectantes: los emisores principal y auxiliar. se combinan y se instalan reflectores en las salidas de los desfasadores. Los FAROS DELANTEROS cuasi-ópticos multihaz contienen varios irradiadores, cada uno de los cuales tiene su propio haz en el espacio. A veces, en el PAR, se utilizan dispositivos de enfoque (espejos, lentes) para formar un patrón. Los arreglos en fase discutidos anteriormente a veces se llaman pasivos .
Las matrices en fase activas tienen el mayor control sobre las características , en las que un transmisor o receptor controlado por fase (a veces también controlado por amplitud) está conectado a cada emisor o módulo. El control de fase en los arreglos en fase activos se puede realizar en los caminos de frecuencia intermedia o en los circuitos de excitación de los transmisores coherentes, los osciladores locales del receptor , etc. Así, en los arreglos en fase activos, los desfasadores pueden operar en bandas de onda diferentes del rango de frecuencia de la antena; las pérdidas en los desfasadores en algunos casos no afectan directamente el nivel de la señal principal. Los arreglos en fase activos transmisores hacen posible agregar en el espacio las potencias de ondas electromagnéticas coherentes generadas por transmisores individuales. En la recepción de arreglos en fase activos, el procesamiento conjunto de las señales recibidas por los elementos individuales permite obtener información más completa sobre las fuentes de radiación.
Como resultado de la interacción directa de los emisores entre sí, las características del Phased Array (coordinación de los emisores con alimentadores excitadores, SOI, etc.) cambian cuando el haz oscila. Para combatir los efectos nocivos de la influencia mutua de los emisores en la matriz en fase, a veces se utilizan métodos especiales para compensar la conexión mutua entre los elementos.
Las formas, tamaños y diseños de los FAROS modernos son muy diversos; su diversidad está determinada tanto por el tipo de emisores utilizados como por la naturaleza de su ubicación. El sector de escaneo PAR está determinado por el DN de sus emisores. Una matriz en fase con una oscilación rápida del haz de gran angular suele utilizar emisores direccionales débiles: vibradores simétricos y asimétricos, a menudo con uno o más reflectores (por ejemplo, en forma de espejo común a toda la matriz en fase); extremos abiertos de guías de ondas de radio, antenas ranuradas, de bocina, espirales, de varilla dieléctrica, logarítmicas periódicas y otras. A veces, las PAR grandes se componen de pequeñas PAR (módulos) individuales; El DN de este último está orientado en la dirección del haz principal de todo el PAR. En algunos casos, por ejemplo, cuando es aceptable una desviación lenta del haz, se utilizan como radiadores antenas altamente direccionales con rotación mecánica (por ejemplo, las denominadas antenas de espejo de rotación completa); en tales FAROS, el haz se desvía en un gran ángulo girando todas las antenas y desfasando las ondas que emiten; la puesta en fase de estas antenas también permite una oscilación rápida del haz PAR dentro de su RP.
Según la forma requerida del RP y el sector de exploración espacial requerido, la matriz en fase utiliza una posición relativa diferente de los elementos:
A veces, la forma de la superficie radiante del FARO - abertura está determinada por la configuración del objeto en el que se instala el FARO. Los PAR con una forma de apertura similar a la forma del objeto a veces se denominan conformes. Los faros planos están muy extendidos; en ellos, el haz puede escanear desde la dirección de la normal a la apertura (como en una antena en fase) a la dirección a lo largo de la apertura (como en una antena de onda viajera). El coeficiente direccional (KND) de un FARO plano disminuye cuando el haz se desvía de la normal a la apertura. Para garantizar un escaneo de gran angular (en ángulos espaciales grandes, hasta 4 estereorradianes sin una reducción notable en la directividad, se utilizan una matriz en fase con una apertura no plana (por ejemplo, esférica) o sistemas de matrices en fase planas orientadas en varias direcciones La exploración en estos sistemas se lleva a cabo mediante la excitación de los emisores orientados respectivamente y su puesta en fase.
Según la naturaleza de la distribución de emisores en la apertura se distinguen PAR equidistantes y no equidistantes . En PAR equidistante, las distancias entre elementos adyacentes son las mismas en toda la abertura. En los faros equidistantes planos, los emisores suelen estar ubicados en los nodos de una matriz rectangular (disposición rectangular) o en los nodos de una cuadrícula triangular (disposición hexagonal). Las distancias entre emisores en arreglos en fase equidistantes generalmente se eligen para que sean lo suficientemente pequeñas (a menudo menores que la longitud de onda operativa), lo que hace posible formar un patrón en el sector de exploración con un lóbulo principal (sin máximos de difracción laterales, los llamados rayos espurios) y un bajo nivel de lóbulos laterales; sin embargo, para formar un haz angosto (es decir, en una matriz en fase con una gran abertura), se debe usar una gran cantidad de elementos. En PAR no equidistante, los elementos se ubican a distancias desiguales entre sí (la distancia puede ser, por ejemplo, una variable aleatoria). En dichos FAROS, incluso a grandes distancias entre emisores adyacentes, se puede evitar la formación de rayos parásitos y se puede obtener un patrón con un lóbulo principal. Esto permite, en el caso de grandes aberturas, formar una viga muy estrecha con un número relativamente pequeño de elementos; sin embargo, tales PAR no equidistantes con una gran abertura con una pequeña cantidad de emisores tienen un mayor nivel de lóbulos laterales y, en consecuencia, un factor de directividad más bajo que un PAR con una gran cantidad de elementos. En FAROS no equidistantes con pequeñas distancias entre emisores, con potencias iguales de las ondas emitidas por elementos individuales, es posible obtener (como resultado de la distribución desigual de la densidad de radiación en la abertura de la antena) RP con un nivel inferior de lado lóbulos que en FAROS equidistantes con la misma apertura y el mismo número de elementos.
Los siguientes pueden actuar como emisores PAR [6] :
Un ejemplo del uso de emisores débilmente direccionales son las antenas de las estaciones base GSM , donde se utilizan antenas de parche como emisores . Los dipolos y monopolos se utilizan como emisores de antenas estándar LTE [7] .
Un ejemplo interesante del uso de antenas direccionales en configuraciones de conjuntos de antenas es el proyecto Allen Telescope Array , que utiliza antenas de espejo con fines de radiotelescopía como elementos de conjuntos de antenas .
De acuerdo con el método de cambiar los cambios de fase, los PAR se distinguen:
PAR con escaneo eléctrico tiene el mayor potencial. Proporcionan la creación de varios cambios de fase a lo largo de la apertura y una tasa significativa de cambio de estos cambios con pérdidas de energía relativamente pequeñas. En microondas en arreglos en fase modernos, los cambiadores de fase de ferrita y semiconductores son ampliamente utilizados (con una velocidad del orden de microsegundos y una pérdida de potencia de ~ 20% ). El funcionamiento de los desfasadores está controlado por un sistema electrónico de alta velocidad que, en los casos más sencillos, controla grupos de elementos (por ejemplo, filas y columnas en faros planos con disposición rectangular de emisores), y en los casos más complejos , cada cambiador de fase individualmente. La oscilación del haz en el espacio puede realizarse tanto de acuerdo con una ley predeterminada como de acuerdo con un programa desarrollado durante el funcionamiento de todo el dispositivo de radio, que incluye los FAROS.
La inmunidad al ruido del sistema depende del nivel de los lóbulos laterales de la antena y de la posibilidad de ajustarla (adaptarla) al entorno de interferencia. El conjunto de antenas es un enlace necesario para crear un filtro de espacio-tiempo tan dinámico o simplemente para reducir UBL . Una de las tareas más importantes de la electrónica de radio a bordo moderna es la creación de un sistema integrado que combine varias funciones, como radionavegación , radar , comunicaciones, etc. Existe la necesidad de crear un conjunto de antenas con escaneo eléctrico con varios Haces ( multihaz , monopulso , etc.) a distintas frecuencias ( combinados ) y de diferentes características. Estas tareas se resuelven con éxito sobre la base de la formación digital de un patrón de radiación de trayectos múltiples en conjuntos de antenas digitales .
Una limitación significativa de la inmunidad al ruido de la matriz en fase es el bajo ancho de bits de los cambiadores de fase (5-7 bits), que no permite la formación de "ceros" profundos en el patrón de radiación para proteger contra la interferencia [9] . Además, la inmunidad al ruido de los sistemas de ingeniería de radio con matriz en fase está limitada por la falta de identidad de las características de los desfasadores analógicos.
El patrón de radiación normalizado de un conjunto de antenas en fase lineal para emisores idénticos igualmente orientados ubicados a distancias iguales entre sí se puede describir mediante la siguiente fórmula [10] :
donde es el rango de ángulos (acimut) en el que puede escanear el arreglo en fase, es el número de onda , es la longitud de onda ( portadora ), es el paso del arreglo de antenas, es el patrón de radiación de un solo radiador de arreglo de antenas, y es la dirección correspondiente al máximo del lóbulo principal.
Cabe señalar que esta fórmula es válida solo para los casos en que las amplitudes de las corrientes en los emisores son iguales, el cambio de fase cambia según la ley , donde es el número del desfasador.
Para simular una viga en dos planos perpendiculares entre sí y brindar la posibilidad de modelar su control en un determinado sector del espacio, se puede utilizar la siguiente fórmula [11] :
donde y son los rangos de ángulos (acimut y elevación) en los que la matriz en fase puede escanear, y son las direcciones máximas (acimut y elevación), y son las distancias entre los elementos a lo largo de los ejes y , y y son el número de elementos a lo largo de los ejes y , respectivamente.
Los conjuntos de antenas se pueden clasificar de acuerdo con las siguientes características principales:
En la ruta ( alimentador ) que alimenta el conjunto de antenas , es posible el procesamiento de varias señales de espacio-tiempo . Si se conecta un amplificador de potencia, un generador de señales o un convertidor de frecuencia a cada grupo o emisor PAR , estos arreglos se denominan arreglos de antenas en fase activa ( APAA ).
Los conjuntos de antenas receptoras con procesamiento de señales por óptica coherente se denominan radio-ópticos . Los conjuntos de antenas receptoras en los que el procesamiento se lleva a cabo mediante procesadores digitales se denominan conjuntos de antenas digitales [12] .
Los conjuntos de antenas receptoras con distribución de amplitud-fase autorregulable en función de la situación de interferencia se denominan adaptativos [19] . En la literatura en idioma inglés, se usa el término antena inteligente [9] : un conjunto de antenas "inteligentes" se crea, en parte, por su capacidad para ajustar sus parámetros a las condiciones actuales para lograr ciertas ganancias: su adaptabilidad. Este enfoque se conoce en la literatura desde al menos mediados de la década de 1970 [20] . En general, hay varias aplicaciones principales para conjuntos de antenas adaptables:
Los conjuntos de antenas combinadas tienen dos o más tipos de emisores en su apertura, cada uno de los cuales opera en su propio rango de frecuencia .
A veces, el concepto de conjunto de antenas se confunde con el concepto de tecnología MIMO . Estrictamente hablando, esta formulación de la pregunta es incorrecta: para la implementación de la tecnología MIMO, se requieren al menos dos antenas en el lado transmisor y dos antenas en el lado receptor, mientras que el término PAR, en el sentido clásico [21] , significa una antena, que consta de varios elementos y forma un haz de exploración. Sin embargo, hay conjuntos de antenas que forman varios haces independientes (ortogonales) a partir de una apertura radiante y tienen un número adecuado de entradas: conjuntos de antenas multihaz [22] [23] . Además, vale la pena aclarar que las antenas inteligentes modernas [9] , que permiten aplicar, entre otras cosas, la tecnología MIMO , pueden implementarse sobre la base de arreglos en fase [24] [25] .
Dependiendo de la relación de las amplitudes de las corrientes de excitación, las rejillas se distinguen por:
Si las fases de las corrientes del emisor cambian a lo largo de la línea de su ubicación de acuerdo con una ley lineal, tales rejillas se denominan rejillas con una distribución de fase lineal. Un caso especial de tales rejillas son las rejillas en fase, en las que las fases de la corriente de todos los elementos son las mismas.
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