Phased-array Antenna
Figuur 1: links twee antenne-elementen in fase gevoed, rechts twee antenne-elementen uit fase gevoed
Figuur 1: links twee antenne-elementen in fase gevoed, rechts twee antenne-elementen uit fase gevoed
(de vergrotingslink leidt naar een
(interactive graphic).
Wat is een phased-array antenne?
Phased-array antenne
Een phased-array antenna is een fasegestuurde array-antenne waarvan de afzonderlijke stralers met verschillende faseverschuivingen kunnen worden gevoed. Hierdoor kan het gemeenschappelijke antennepatroon elektronisch worden gestuurd. De elektronische besturing is veel flexibeler en vereist minder onderhoud dan de mechanische besturing van de antenne.
Functioneel principe
Het principe van deze antenne is gebaseerd op het effect van interferentie, d.w.z. een fase-afhankelijke superpositie van twee of (meestal) meerdere stralingsbronnen. Het is waarneembaar dat in-fase signalen (dezelfde kleur in figuur 1) elkaar versterken en tegenfase signalen elkaar opheffen. Dus als twee stralers een signaal uitzenden met dezelfde faseverschuiving, wordt een superpositie bereikt - het signaal wordt versterkt in de hoofdrichting en verzwakt in de secundaire richtingen. Hier in de linker radiateurgroep in Figuur 1 worden beide radiators gevoed met dezelfde fase. Het signaal wordt dus in de hoofdrichting versterkt.
In de tweede afbeelding in Figuur 1 wordt het signaal van de bovenste straler faseverschoven met 22° (d.w.z. iets vertraagd) uitgezonden dan dat van de onderste straler. Daarom wordt de hoofdrichting van het gezamenlijk uitgezonden signaal lichtjes naar boven gestuurd.
Figuur 1 toont stralers zonder reflectoren. Daarom is de achterlob van het antennepatroon even groot als de hoofdlob. De achterlob is echter ook naar boven gericht. Tip: Bekijk de afbeelding in de vergrote weergave en let op de verschillen in de stralingskarakteristiek van de onderste straler bij het omschakelen van de faseverschuiver.
Figure 2: Elektronisch zwenken van de antennebundel,
links: boorzicht, rechts: gestuurd
Figuur 2: Animatie van de elektronisch gestuurde bundel
Als het uit te zenden signaal nu door een faseregelmodule wordt geleid, kan de stralingsrichting elektronisch worden geregeld. Dit is echter niet onbeperkt mogelijk, omdat de effectiviteit van deze antenneopstelling het grootst is in een hoofdrichting loodrecht op het antenneveld, terwijl extreme kanteling van de hoofdrichting het aantal en de grootte van de ongewenste sidelobes vergroot en tegelijkertijd het effectieve antennegebied verkleint. De sinusstelling kan worden gebruikt om de benodigde faseverschuiving te berekenen.
Elk type antenne kan worden gebruikt als straler in de fase-array antenne. Het is belangrijk dat de afzonderlijke stralers worden aangestuurd met een variabele faseverschuiving, zodat de hoofdrichting van de straling continu kan worden veranderd. Om een hoge richtingsgevoeligheid te bereiken, worden veel stralers gebruikt in het antenneveld. De antenne van de AN/FPS-117 bestaat bijvoorbeeld uit 1584 radiatoren waarvan het ontvangen signaal nog steeds analoog wordt gecombineerd tot het antennepatroon. Modernere multifunctionele radarsets maken daarentegen gebruik van digitale bundelvorming tijdens de ontvangst.
Voordelen en nadelen
Voordelen:
- hoge antenneversterking met grote zijlobverzwakking
- Zeer snelle verandering van bundelrichting (in microseconden)
- hoge beweeglijkheid van de bundel
- willekeurige ruimte scannen
- vrij selecteerbare verblijftijd
- multifunctionele werking door gelijktijdige opwekking van meerdere bundels
- Uitval van enkele componenten leidt niet tot een volledige uitval van het systeem.
Nadelen:
- beperkt scanbereik (tot max. 120° in azimut en elevatie)
- Vervorming van het antennepatroon tijdens bundelsturing
- lage frequentie beweeglijkheid
- zeer complexe structuur (computer, faseverschuiver, databus naar elke straler)
- hoge kosten (nog steeds)
Mogelijke opstellingen
.print.jpg)
Figuur 3: Lineaire opstelling van een phased-array antenne
.png)
Lineaire opstelling
Deze phased-array antennes bestaan uit lijnen die gewoonlijk worden aangestuurd door een enkele faseverschuiver. (Er is slechts één faseverschuiver nodig per groep stralers in deze lijn.) Een aantal lineaire arrays die verticaal boven elkaar zijn opgesteld, vormen een vlakke antenne.
- Voordeel: eenvoudige opstelling;
- Nadeel: bundelsturing slechts in één vlak;
- Voorbeelden:
- PAR-80 PAR-80 (horizontale bundel-sturing) en
- AN/FPS-117 (verticale bundel-sturing).
- Large Vertical Aperture (LVA), een SSR-antenne met vast bundelpatroon.
.print.jpg)
Figuur 4: Planar Array van een phased-array antenne
.png)
Planaire array
Deze phased-array antennes bestaan volledig uit enkelvoudige elementen met een faseverschuiver per element. De elementen zijn gerangschikt als een matrix, de vlakke rangschikking van alle elementen vormt de volledige antenne.
- Voordeel: bundelafbuiging mogelijk in twee vlakken
- Nadeel: een groot aantal faseverschuivers
- Voorbeelden: AN/FPS-85 en Thomson Master-A
Figuur 5: Frequency Scanning Array
Figuur 5: Frequency Scanning Array
Frequency Scanning Array
De frequency scanning array is een speciaal geval van de phased-array antenne, waarbij de bundelbesturing wordt geregeld door de zenderfrequentie zonder gebruik te maken van een faseverschuiver. De straalbesturing is een eenvoudige functie van de frequentie. Dit type phased-array antenne werd vaak gebruikt in oudere radarsets.
Een verticale antenne-array wordt serieel gevoed door een zogenaamde snake feed. Op de hoofdfrequentie F1 krijgen alle stralers een deel van het vermogen van dezelfde fase via structureel identieke omwegen, die een faseverschuiving van n · 360° veroorzaken. Alle stralers stralen dus met dezelfde fase. De resulterende bundel staat dus loodrecht op het vlak van de antenne.
Als de frequentie van de zender echter met enkele procenten wordt verhoogd, klopt de constructief bepaalde lengte van de omleidingslijnen niet meer. Bij een hogere frequentie neemt de golflengte af en is de omleidingslijn nu iets te lang. Er treedt een faseverschuiving op van de ene naar de volgende straler. De eerste straler straalt een paar procent eerder dan de volgende naburige straler, enzovoort. De resulterende bundel voor de F2-frequentie wordt dus omhoog gestuurd met de hoek Θs.
Hoewel dit type straalbesturing erg eenvoudig is, is het beperkt tot een paar permanent geïnstalleerde frequenties. Naast de storingsgevoeligheid zijn er nog meer beperkingen die geaccepteerd moeten worden, bijv. deze radarset kan geen pulscompressie gebruiken omdat de bandbreedte te laag is.
Berekening van de faseverschuiving
Hoe groot moet de faseverschuiving x = Δφ van de ene naar de volgende straler zijn om een gewenste afbuighoek te bereiken?
Een lineaire opstelling van isotrope enkele radiatoren wordt beschouwd.
Tussen de radiatoren, tussen de respectieve straal van de afbuighoek met de toegepaste faseverschuiving, kan een rechthoekige driehoek worden getekend, waarvan de kortste zijde op de straal ligt. De hypotenusa is de afstand tussen twee stralers. De derde zijde is een hulplijn loodrecht op de straalrichting van de vorige straler.
Figuur 6: grafische afleiding van de formule
(1)
Deze afstand x kan worden ingesteld ten opzichte van de golflengte:
.print.png)
.png)
(2)
- Δφ = faseverschuiving tussen twee opeenvolgende elementen
- d = afstand tussen de stralende elementen
- Θs = bundelsturing
Beide vergelijkingen samen vormen de oplossing:
.print.png)
.png)
(3)
|
Voorbeeld gegeven: |
|
| Opgave: |
|
|
We beginnen met het bepalen van de faseverschuiving x van de ene radiator naar de volgende radiator.
Door de periodiciteit van de sinusoïdale functie wordt een faseverschuiving van n· 360° = 0° verkregen. Daarom kunnen we 360° van het resultaat aftrekken tot er een hoek tussen 0° en 360° is en zo een fasehoek van φ8 = 269,7° voor faseverschuiver nr. 8 (buitenste links). Geen enkele faseverschuiver zal dit echter zo nauwkeurig kunnen realiseren. Met een 4-bits faseverschuiver kan de faseverschuiving in stappen van 11,25° worden gemaakt. In de praktijk zal dus een fasehoek van φ8 = 270° worden gebruikt. |
Bij seriële voeding wordt een deel van deze faseverschuiving al gerealiseerd door de vertragingstijd in de voedingslijn. In de praktijk bestaat er een individueel gekalibreerde tabel met de faseverschuivingsgegevens voor elke gewenste hoek in de computer voor de antennebesturing (extra voor elke zendfrequentie).
Overigens laat figuur 6 ook de reden zien waarom een fased array antenne slechter focust bij grotere hoeken. De hulplijn loodrecht op de aangrenzende straler is altijd kleiner dan de stralerafstand d bij een hoek die afwijkt van de hoofdstraalrichting. Als de afstand „gezien“ vanuit de afgebogen bundelrichting kleiner is dan de optimale afstand d, moet de antennekwaliteit achteruitgaan, wat resulteert in een breder antennepatroon.