Faset array -antenne

Detalje af et panel antenne , er den samme faseposition alle radiator elementer (firkanter) definerede længder af fodring linjer nået

Animeret diagram over den fasede array -antenne. TX -sender, φ faseskift, Et antennearray, C -computer. De røde linjer er bølgefronterne

Et faset array (fra engelsk phased array , phased array) er en faset array -antenne med høj direktivitet , som når en koncentration af strålingsenergien ved arrangement og sammenkobling af individuelle radiatorer. Hvis de enkelte radiatorer kan styres forskelligt, den antenne diagram af den kan antennen drejes elektronisk ( elektronisk stråle svingning ). Phased array -teknologi bruges ofte i radarsystemer i den militære sektor.

mission

I princippet er alle gruppeantenner og panelantenner også array -antenner, men de har altid en identisk faseposition for alle radiatorer til hinanden. De bruges til satellitmodtagelse ( vejr- og kommunikationssatellitter ), mobile radiostationer , radiosendere ( VHF , VHF , UHF ) og radarsystemer. 4-firkantede antenner, der bruges i amatørradio, arbejder med transmissions- og modtagelsesretningen, som i begrænset omfang kan vælges ved at skifte faseposition.

Jo større den tværgående udstrækning af antennen er, desto stærkere er bundtet. Af denne grund stables antenner til mobilkommunikation lodret, mens radarantenner stables vandret. Ved bevidst at afvige fasepositionen kan retningsdiagrammet påvirkes asymmetrisk for f.eks. B. at tilvejebringe en rekognosceringsradar med et retningsdiagram, der er forlænget skråt opad, men for at begrænse den nedad.

I radarer bruges ofte elektronisk styrbare fasede array -antenner. De gør det muligt at spore et bevægeligt mål hurtigt og præcist. Eksempler er missilsystemer mod luftfartøjer såsom American Patriot og den russiske S-300P og 9K330 Tor .

Indfasede array -radarer er af to typer. Det ovenfor beskrevne engelske passive elektronisk scannede array kaldet (PESA), så passiv elektronisk scanning. Den anden variant af den fasede array -radar er Active Electronically Scanned Array (AESA) radaren, hvor hvert enkelt transmitterende eller modtagende element har en HF -kilde. Det bruges hovedsageligt i kampfly på grund af dets reducerede vægt og størrelse.

historie

Yagi-antenner arrangeret i grupper og fodret fasesynkront var de første radarantenner, de blev brugt til langdistance radiomodtagelse og er også udbredt blandt radioamatører i dag ( 70 centimeter bånd ).

Lodrette slotantennearrayer bestående af en bølgeleder blev brugt på sovjetiske radarudstyr (1970'erne) ved frekvenser omkring 1 GHz ved siden af ​​hovedantennen til at modtage ven-fjende-identifikatoren , da dette ikke kunne modtages af den stærkt bundlede, i mellemtiden yderligere roteret hoved antenne på grund af dens forsinkelse.

Den første radar med elektronisk stråledrejning var det tyske fjernsøgningssystem FuMG 41/42 Mammut i 1944 .

teknologi

fungere

Gruppeantennen anvender faseskiftet af senderelementerne arrangeret i en matrix for at opnå bundtning ved hjælp af interferens . Transmissionsenergien forstærkes i den ønskede retning, mens de uønskede retninger annulleres ved destruktiv interferens. De enkelte transmissionselementer har ikke brug for nogen bundteringsenheder. ${\ displaystyle \ Delta \ phi}$

Det overordnede diagram drejes ved gradvist at forsinke fodringen af ​​de enkelte radiatorer.

Fase -ligestilling: Det fælles diagram over begge individuelle tjenester er hovedretningen.

Fasepositionen for den nedre radiator er lidt tidligere end den øverste, diagrammet drejes lidt opad.

For at flytte emissions- eller modtagelsesvinklen opad, er det kun fasevinklen for de nedre elementer, der skal starte tidligere, fasevinklen for de øvre elementer tilsvarende senere. På grund af forskellen i transittid er energien i den nedre radiator ikke længere i midten af ​​antennen, men er i fase med energien fra den øvre radiator længere oppe. Som et resultat vinkles bølgefronten i forhold til antenneoverfladen, og strålingsvinklen vipper opad. Faseforskellen mellem radiatorerne (angivet som x i grafikken) er konstant mellem antenneelementerne, og eventuelle tidsforskelle i forsyningsledningen skal tages i betragtning.

Hvis en anden faseforskel indstilles ved f.eks. At fremme fasevinklen for de ydre elementer og de indre elementers, ændres bundtningen af ​​den samlede antenne, det vil sige, at antennediagramformen ændres. Denne metode bruges med en multimode -radar til at skifte fra et bredere diagram til målsøgning til et meget smalt diagram til præcis målakkompagnement.

For et meget smalt antennediagram kræves et stort antal individuelle radiatorer, faseforskellene mellem radiatorerne tilføjer sig mod kanten af ​​antennegruppen. De faseskiftere skal derfor opnå et faseskift på næsten 360 ° og dette faseskift skal gennemføres særdeles hurtigt. I praksis bruges forskellige omvejlinjer, der skiftes til fødelinjen i trin på 22,5 ° i tilfælde af en 4-bit faseskift, der er skiftet med et 16-  bit kontrolord. (Dette kontrolord skal også indeholde oplysninger om adressering.) ${\ displaystyle \ Delta \ phi}$

Luftforsvarsradaren RRP 117 bruger en faset array -antenne med 1584 individuelle radiatorer, der kombineres vandret i grupper, da denne radar roterer sin antenne og kun behøver at panorere antennediagrammet elektronisk i højdevinklen.

Strålevinklen kan teoretisk være næsten ± 90 °. I praksis opnås imidlertid kun maksimalt ± 60 °, da bundtningen af ​​antennemønsteret forringes hurtigt, når strålingsvinklen øges. Til søgning i en hel cirkel omkring antennen fordeles tre antennegrupper i praksis i en vinkel på 120 °. Fire grupper i en afstand af 90 ° er mere effektive, som det f.eks. Bruges i APAR , en marin radar. ${\ displaystyle \ Theta _ {S}}$

Arrangementsmuligheder

Frekvensafhængig stråledrejning

Den frekvensafhængige strålesvivling er et specielt tilfælde af den fasede array-antenne, hvor strålens drejning styres af transmissionsfrekvensen uden nogen faseskift. Stråledrejningen er en funktion af frekvensen.

En lodret gruppe af antenner fodres i serie. Ved grundfrekvensen modtager alle radiatorer et output af den samme fase gennem strukturelt identiske omvejlinjer, hvilket forårsager et faseskift på n · 360 ° . Alle emittere stråler derfor med den samme fase på samme tid. Den resulterende stråle er således vinkelret på antenneplanet.

Hvis transmissionsfrekvensen øges med et par procent, er længden af ​​omvejlinjerne bestemt af designet imidlertid ikke længere korrekt. Omkørslen er nu lidt for lang. Et faseskift sker fra emitter til emitter. Den første radiator udsender dette få procent tidligere end den næste naboradiator og så videre. Den resulterende stråle drejes opad af vinklen . ${\ displaystyle \ Theta _ {S}}$

Selvom denne type stråledrejning er meget enkel, er den begrænset til et par permanent installerede transmissionsfrekvenser. Ud over modtagelighed for interferens er der også flere begrænsninger, for eksempel kan denne radar -enhed ikke bruge pulskomprimering .

Lineære arrays

Planar array, hvert antenneelement har sin egen faseskift.

Lineære fasede array -antenner består af rækker, der styres i fællesskab af en faseskift. Et stort antal lineære arrays anbragt lodret over hinanden danner en plan antenne.

• Fordel: enkelt arrangement
• Ulempe: bjælken kan kun drejes i et plan

Planar arrays

Planfasede array -antenner består udelukkende af individuelle elementer med en faseskift pr. Element. Elementerne er arrangeret som i en matrix, det plane arrangement af alle elementer danner hele antennen.

• Fordel: bjælken kan drejes i to planer
• Ulempe: kompliceret arrangement og meget mere kontrollerede faseskift

Foder de fasede array -antenner

Phased array-antenner kan line- feedes , i hvilket tilfælde energien ledes gennem koaksialkabler eller bølgeledere i serie eller parallelt med antenneelementerne. Alternativt kan strømmen også forsynes med en central radiator, det vil sige med energi, der allerede er udsendt: Antennerne kaldes derefter "strålingstilført".

Seriefoder

Seriefoder

Når de fasede array -antenner fødes i serie, forsynes radiatorelementerne med transmissionseffekten efter hinanden. Det stigende faseskift på grund af den længere forsyningsledning skal tages i betragtning ved indstilling af faseskifteren. En frekvensændring er ikke let mulig med et seriefeed. Skulle der alligevel foretages en frekvensændring, skal computeren også genberegne faseskiftet (eller mest i programmeringspraksis: brug en anden fasevinkeltabel).

Eksempler:

• AN / SPS-48
• ST-68U

Parallelt foder

Parallelt foder

Når de fasede array-antenner fødes parallelt, deles sendeeffekten i fase ved hver knude. Hvert radiatorelement har en ledning af samme længde og leveres derfor i fase. Dette har den fordel, at computeren kan ignorere forsyningslinjernes længde ved beregning af faseskiftet, og at faseskiftet ikke er yderligere frekvensafhængigt.

Eksempler:

• Vejl. Pris 117
• AN / TPS-77

Strålefoder

I tilfælde af strålingstilførsel distribueres transmissionenergien til en antennematrix via en central primær antenne. På den ene side kan dette gøres bagfra, og antennematricen med faseskiftene leder energien igennem (transmissionstype). Alternativt kan strålingen også føres ind forfra, så modtages energien af ​​elementerne i antennematricen, forsinket med faseskifteren, reflekteres ved et uoverensstemmelse og udsendes igen (reflektionstype).

Eksempler:

• MIM-104 Patriot anti-fly missilsystem (transmissionstype)
• S-300P anti-fly missilsystem (refleksionstype)

Radarer med fasede array -antenner

Phased array -antenner bruges i vid udstrækning primært til militære radaranordninger. Dette har historisk været tilfældet, fordi omkostningerne til en faset array -antenne i første omgang var ekstremt høje, og kun militære brugere havde råd til disse omkostninger. Fordelene ved en antenne, der ikke er udstyret med mekaniske roterende elementer, spillede mindre en rolle, fordi mange fasede array -antenner stadig kan roteres mekanisk. Den største fordel fra et militært synspunkt er den høje hastighed på de mulige strålesvingninger, som gunstigt kan påvirke tidsbudgettet for en impulsradar. Ved at bruge teknologien til digital stråledrejning er det endda muligt at fokusere antennen i flere stråleretninger på samme tid i modtagelsestiden. Dette resulterer i en universelt anvendelig multifunktionel radar , som erstatter flere ældre, højt specialiserede radaranordninger til rekognoscering af luftrum , navigation og målakkompagnement / målsporing . Ulempen ved en begrænset observationssektor kompenseres effektivt ved at bruge flere antenner. En såkaldt 3 antenne, som samtidigt kan dække alle retninger inden for en halvkugle omkring antennen (2 for 360 ° i sidevinklen og en anden for 180 ° i højdevinklen), blev udviklet af Fraunhofer Institute for High Frequency Physics og Radar Technology under navnet Crow's Nest - Antenna udviklet og patenteret. ${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle \ pi}$

Forskellige fasede array -antenner med forskellige grader af smidighed i strålesvivling er nu udbredt. Elektronisk stive antenner ( LVA -antenner ) bruges i lufttrafikstyring til at generere et specielt antennemønster. En form for frekvensafhængig strålesvivning bruges med slotantenner og FMCW-radarmetoden inden for sikkerhedsteknologi som en barriereradar . Lineære arrays, der kun er drejet elektronisk i én retning (f.eks. PAR-80 , RRP 117 ), bruger stadig en drejeskive-antenne til hele antennen. Planar arrays, som i nogle tilfælde helt undviger mekanisk bevægelse, bruges f.eks. I APAR , AN / MPQ-53 og Cobra Dane . Det er især fordelagtigt, at plane arrays elektronisk kan kompensere for mulig pitching , gabning og rulning af et luftunderstøttet eller maritimt antennebærer. Fordelingen af ​​de enkelte radiatorelementer i en faset array -antenne behøver ikke altid at foregå på en flad overflade. Der er allerede ved at blive bygget antenner, der i form af deres geometriske form tilpasser sig præcist til det aerodynamiske tværsnit af f.eks . En forkant på en flyvinge.

Billedgalleri

• 

  Tegning af det tyske fjernsøgningssystem FuMG 41/42 Mammut

• 

  Rekognoscering og overvågningsradar for det russiske luftfartøjsmissilkompleks S-300P

• 

  Installation af en faset array radar

• 

  Den APAR på fregatten "Sachsen"

Weblinks

• Grundlæggende om radar
• Aktiv elektronisk scannet matrix (AESA)

litteratur

• Heinz Lueg : Eksperimentelle og teoretiske undersøgelser af laboratoriemodeller af fasede array -antenner . Bundeswehrs dokumentationscenter , Bonn 1975.

Individuelle beviser

1. ^ Franz Kramer: 4-firkantede antenner i teori og praksis. I: RRDXA.org. Rhein Ruhr DX Association, juni 2014, tilgås den 8. november 2019 . 
2. ↑ https://www.100-jahre-radar.fraunhofer.de/index.html?/gdr_5_deutschefunkmesstechnikim2wk.html
3. ↑ se digital stråleformning, beskrevet i radarstudiet ( online )
4. ↑ se kragen reden antenne, beskrevet i radar tutorial ( online )