Radar Basics

Antenna phased array

Figura 1: A sinistra: due elementi di antenna con la stessa fase. A destra: hanno una fase diversa.

Figura 1: A sinistra: due elementi di antenna con la stessa fase. A destra: hanno una fase diversa.

Antenna phased array

Un’antenna phased array è costituita da una serie di elementi radianti, ciascuno dotato di un variatore di fase. L’onda emessa da ciascun elemento interferisce con quella degli altri. Il fascio è prodotto dalla somma delle interferenze costruttive e può essere diretto in una direzione specifica variando la fase tra gli elementi.
La Figura 1 mostra due elementi alimentati da un trasmettitore. A sinistra, l’onda emessa dai due elementi ha la stessa fase e provoca un’interferenza costruttiva che amplifica il segnale in determinate direzioni. D’altra parte, dove le onde interferiscono in modo distruttivo, il segnale è nullo. Il risultato è un fascio principale orientato in direzione perpendicolare alla linea che unisce i due elementi, oltre a lobi di emissione secondari.

Figure 2 : Déviation du faisceau,
gauche: ligne de visée, droite: déviation

Figura 2: Animazione della deflessione del fascio di luce

Nella stessa figura a destra, l’onda emessa dall’elemento inferiore è sfasata di 22 gradi rispetto a quella precedente. In questo caso, le zone di interferenza costruttiva si spostano verso l’alto. Si noti che in entrambi gli esempi non c’è alcun riflettore nell’immagine e il lobo posteriore è importante quanto il lobo principale anteriore.

Il lobo principale punta sempre nella direzione dello sfasamento positivo. Se i variatori di fase elettronici controllano questo spostamento di fase, l’operatore può modificare a piacere la direzione di emissione. Tuttavia, non può superare determinati limiti. La massima deviazione che si può ottenere dal „cono di analisi“ di un’antenna controllata dalla rete è di 120° (60° da entrambi i lati del centro dell’antenna). Se consideriamo un’onda sinusoidale, lo sfasamento può essere facilmente calcolato.

La figura seguente mostra una matrice di elementi radianti. Un’architettura arbitraria dà come risultato un’antenna che emette un fascio simile a un riflettore. Nel caso di un’antenna a scansione elettronica, è importante che la variazione di fase sia coordinata e regolare per ottenere una scansione angolare. Ad esempio, l’antenna AN/FPS-117  è composta da 1584 elementi radianti montati in modo da ottenere un fascio passivo, cioè il segnale da trasmettere viene distribuito a una serie di moduli che comprendono un variatore di fase e un elemento radiante. I dispositivi di amplificazione dei segnali trasmessi o ricevuti si trovano all’esterno dell’antenna. Le antenne più avanzate utilizzano architetture che forniscono un fascio attivo, cioè i dispositivi di amplificazione dei segnali trasmessi sono inclusi nell’antenna.

Possibili architetture

Array lineare

Figura 3: Array lineare di un’antenna phased array

Figura 3: Array lineare di un’antenna phased array

Queste antenne sono costituite da linee parallele di elementi radianti, ciascuna delle quali alimentata da un variatore di fase comune.

• Vantaggio: semplicità
• Svantaggio: deflessione del fascio disponibile in una sola direzione
• Esempi:
  • PAR-80 (scandaglio orizzontale)
  • AN/FPS-117  (scandaglio verticale)
  • antenna a grande apertura sul piano verticale con schema di emissione fisso.

Questo tipo di antenna phased array è molto comune per la scansione su un singolo asse, perché la scansione nell’altra direzione viene effettuata meccanicamente (ad es. AN/FPS-117 ).

Figura 4: Antenna planare

Figura 4: Antenna planare

Antenna planare

Nell’antenna ad array planare, tutti gli elementi radianti hanno un proprio sfasatore. Sono posizionati secondo una griglia a matrice, formando un patch.

• Vantaggi: Il fascio è orientabile su due assi e può essere attivo o passivo.
• Svantaggi: architettura ed elettronica complicate.
•   Esempi: AN/FPS-85  e Thomson Master-A 

Figura 5: Antenna con tecnologia „scanning frequenza“

Figura 5: Antenna con tecnologia „scanning frequenza“

Antenna che utilizza la tecnologia „scanning frequenza“

Un caso particolare di antenna phased array è chiamato antenna a „scanning frequenza“. La direzione del fascio si ottiene cambiando la frequenza del trasmettitore sfruttando una proprietà della propagazione delle onde in una guida d’onda. In genere, ogni elemento radiante è alimentato da una guida d’onda a fisarmonica. La fase tra due elementi è pari a n·360º della frequenza di base.

Cambiando la frequenza, cambia l’angolo Θ_s tra l’asse principale del fascio e la normale all’antenna. Questa variazione avviene come segue:

• Se la frequenza trasmessa aumenta, il fascio viene deviato verso l’alto dell’antenna;
• Se la frequenza diminuisce, il fascio viene deviato verso il basso.

Una variazione di frequenza si traduce quindi in uno sweep in elevazione. Il computer di controllo del radar memorizza le frequenze utilizzate e il loro ordine, consentendo al ricevitore di visualizzare i risultati in tre dimensioni. Va notato che questo metodo viene utilizzato a scapito di altri usi della variazione di frequenza, come la compressione dell’impulso.

Sistemi di alimentazione

Calcolo dello sfasamento

Lo sfasamento Δφ tra due elementi è costante. Quale dovrebbe essere il suo valore per ottenere la direzione desiderata?

Utilizziamo un allineamento di elementi che emettono in modo isentropico come nella Figura 6.

direzione principale

cambi di fase

Figura 6: Derivazione grafica dello sfasamento

direzione principale

cambi di fase

Figura 6: Derivazione grafica dello sfasamento

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• Δφ = spostamento di fase tra elementi successivi
• d = distanza tra gli elementi
• Θ_s = deflessione della trave

(3)