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Antenna phased array

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

L’immagine mostra l’interferenza tra due elementi radianti in fase. Il lobo di emissione principale è perpendicolare alla linea che unisce gli elementi. L’immagine mostra due elementi la cui fase è diversa di 15 gradi, con quello inferiore che precede quello superiore. Il fascio è deviato verso l’alto.

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


(clicca per ingrandire: 591·723px = 468 kByte)

Figura 2: Animazione della deflessione del fascio di luce, (vedi anche: mlago.dev)

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.


Vantaggi
  • Elevato guadagno d’antenna
  • La direzione del fascio cambia in pochi microsecondi;
  • Controllabile dal computer;
  • Modalità di sorveglianza e inseguimento intercambiabili;
  • Tempo di illuminazione modificabile;
  • Permette di emettere più fasci utilizzando frequenze diverse;
  • La perdita di un elemento riduce la risoluzione ma non la disponibilità.
Svantaggi
  • Copertura limitata a 60 gradi su entrambi i lati dell’asse perpendicolare al radar in azimut e in elevazione;[1]
  • Distorsione del fascio dovuta alla deflessione;
  • Non è molto agile alle basse frequenze;
  • Architettura molto complessa (controller, sfasatori, ecc.).
  • Costo elevato.

Note:

  1. La limitazione dello spazio di scansione può essere ovviata con una distribuzione tridimensionale dei radiatori.
    A questa disposizione dei radiatori è stato dato il nome di antenna a nido di corvo.
  2. Ispirato da questa animazione, Arthur Morales, ingegnere di Embraer, ha sviluppato un programma dimostrativo: mlago.dev

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.

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.

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 Θs tra l’asse principale del fascio e la normale all’antenna. Questa variazione avviene come segue:

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

x = d · sin ΘS

(1)

x = d · sin ΘS

(1)

(2)

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

Formel (3):

(3)

Esempio:

  • Lunghezza d’onda radar λ=10 cm;
  • Distanza tra gli elementi 15 cm;
  • Trascuriamo il ritardo di propagazione dell’onda tra gli elementi;
  • Vogliamo che la direzione sia Θs= 40°.
Compito:
  • Quale deve essere lo sfasamento dell’elemento 8 a sinistra per ottenere questa direzione?

Iniziamo calcolando lo sfasamento tra gli elementi in questo modo: Δφ =(360°·15 cm/10 cm)·sin(40°) = 347.1°.

L’elemento numero 8 ha quindi uno sfasamento di φ = 7 · 347.1 = 2429.7°.
 
Poiché il seno è periodico, il suo valore con n·360° ha lo stesso valore di 0°. Poiché la direzione del fascio sarà compresa tra 0° e 360°, basta trovare il resto di 2.429,7° e n·360° per dedurre che lo sfasamento dell’ottavo elemento rispetto al primo deve essere φ= 269.7°.

In realtà, parte del ritardo nella fase è prodotto dal ritardo di alimentazione dell’elemento 8 rispetto al primo.