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Antena de matriz em fases

Figura 1: Lado esquerdo dois elementos de antena alimentados em fase, lado direito dois elementos da antena alimentados em fase

The figure shows the interference of two one above the other lying in-phasely radiant antenna elements. The main beam direction is centric. The figure shows the interference of two one above the other lying antenna elements radiating with a different phase shift. The lower antenna element radiates with a phase shift of 15 degrees earlier as the upper antenna element. The main beam direction is steared up.

Figura 1: Lado esquerdo dois elementos de antena alimentados em fase, lado direito dois elementos da antena alimentados em fase
(o link de ampliação leva a um gráfico interativo).

O que é uma antena de matriz em fases?

Antena de matriz em fases

Uma antena de arranjo faseado é uma antena de arranjo cujos radiadores únicos podem ser alimentados com diferentes turnos de fase. Como resultado, o padrão de antena comum pode ser direcionado eletronicamente. A direção eletrônica é muito mais flexível e requer menos manutenção do que a direção mecânica da antena.

Princípio funcional

O princípio desta antena é baseado no efeito de interferência, ou seja, uma superposição dependente de fase de duas ou (geralmente) várias fontes de radiação. Pode-se observar que os sinais em fase (a mesma cor na Figura 1) se amplificam e os sinais em fase contrária se cancelam. Portanto, se dois radiadores emitem um sinal na mesma mudança de fase, uma superposição é alcançada – o sinal é amplificado na direção principal e atenuado nas direções secundárias. Aqui no grupo esquerdo do radiador na Figura 1, ambos os radiadores são alimentados com a mesma fase. O sinal é amplificado na direção principal, portanto.

No segundo gráfico da Figura 1, o sinal do radiador superior é transmitido com desvio de fase de 22° (isto é, ligeiramente atrasado) do que do radiador inferior. Portanto, a direção principal do sinal emitido em comum é levemente direcionada para cima.

A Figura 1 mostra radiadores sem refletores. Portanto, o lóbulo traseiro do padrão da antena é tão grande quanto o lóbulo principal. No entanto, o lóbulo traseiro também subiu. Dica: Dê uma olhada na imagem na visualização ampliada e preste atenção às diferenças nas características de radiação do radiador inferior ao trocar o deslocador de fase.

Figura 2: Inclinação electrónica do feixe da antena, esquerda:
borda dianteira, direita: direcção


(Clique para ampliar: 591·723px = 468 kByte)

Figura 2: Animação do feixe de direção eletrônica

Se o sinal a ser transmitido agora é roteado através de um módulo de regulação de fase, a direção da radiação pode ser controlada eletronicamente. No entanto, isso não é possível indefinidamente, porque a eficácia desse arranjo de antenas é maior na direção principal perpendicular ao campo da antena, enquanto a inclinação extrema da direção principal aumenta o número e o tamanho dos lóbulos laterais indesejados, enquanto ao mesmo tempo reduzindo a área efetiva da antena. O teorema do seno pode ser usado para calcular a mudança de fase necessária.

Qualquer tipo de antena pode ser usada como radiador na antena de matriz faseada. Significativamente, os radiadores individuais devem ser controlados com uma mudança de fase variável e, portanto, a direção principal da radiação pode ser alterada continuamente. Para alcançar alta diretividade, muitos radiadores são usados no campo da antena. A antena do RRP-117, por exemplo, consiste em 1584 radiadores cujo sinal recebido ainda é combinado de maneira analógica ao padrão da antena. Os conjuntos de radares multifuncionais mais modernos, por outro lado, usam a formação de feixe digital durante a recepção.

Vantagens e desvantagens

Vantagens:
  • alto ganho de antena com grande atenuação do lobo lateral
  • mudança muito rápida da direção do feixe (na faixa de microssegundos)
  • agilidade do feixe alto
  • varredura arbitrária de espaço
  • tempo de permanência livremente selecionável
  • operação multifuncional por geração simultânea de múltiplos feixes
  • falha de alguns componentes não resulta em falha completa do sistema.
Desvantagens:
  • alcance de varredura limitado (até máx. 120 ° em azimute e elevação)[1]
  • Deformação do padrão da antena durante a direção do feixe
  • agilidade de baixa frequência
  • estrutura muito complexa (computador, deslocador de fase, barramento de dados para cada radiador)
  • altos custos (ainda)

  1. Nota: A limitação da faixa de varredura pode ser superada com uma distribuição tridimensional do radiador.
    Esse arranjo dos radiadores recebeu o nome de antena do ninho de corvo.

Arranjos Possíveis

Figura 3: Arranjo linear de uma antena de arranjo faseado

Figura 3: Arranjo linear de uma antena de arranjo faseado

Matriz linear

Essas antenas de arranjo em fases consistem em linhas, que são geralmente controladas por um deslocador monofásico. (Somente um deslocador de fase é necessário por grupo de radiadores nesta linha.) Um número de matrizes lineares dispostas verticalmente umas sobre as outras forma uma antena plana.

Figura 4: matriz planar de uma antena de matriz faseada

Figura 4: matriz planar de uma antena de matriz faseada

Matriz planar

Essas antenas de matriz faseada consistem completamente em elementos únicos com um deslocador de fase por elemento. Os elementos são arranjados como uma matriz, a disposição plana de todos os elementos forma a antena inteira.

Figura 5: Matriz de varredura de frequência

Figura 5: Matriz de varredura de frequência

Matriz de varredura de frequência

O arranjo de varredura de frequência é um caso especial da antena do arranjo faseado, em que a direção do feixe é controlada pela frequência do transmissor sem o uso de nenhum deslocador de fase. A direção do feixe é uma função simples da frequência. Esse tipo de antena de matriz em fases era frequentemente usada em conjuntos de radar mais antigos.

Um conjunto de antenas verticais é alimentado em série. Na freqüência principal F1, todos os radiadores obtêm parte da potência da mesma fase através de desvios estruturalmente idênticos, que causam uma mudança de fase de n · 360°. Todos os radiadores, portanto, irradiam na mesma fase. O feixe resultante é, portanto, perpendicular ao plano da antena.

Se a frequência do transmissor for aumentada em algumas porcentagens, no entanto, o comprimento definido construtivamente das linhas de desvio não estará mais correto. Em uma frequência mais alta, o comprimento de onda diminui e a linha de desvio agora é um pouco longa demais. Aparece uma mudança de fase de um radiador para o próximo radiador. O primeiro radiador irradia esse percentual mais cedo que o próximo radiador vizinho, etc. O feixe resultante para a frequência F2 é assim direcionado para cima pelo ângulo Θs.

Embora esse tipo de direção do feixe seja muito simples, ele é limitado a algumas frequências permanentemente instaladas. Além da suscetibilidade a interferências, há ainda mais limitações a serem aceitas, por exemplo, esse conjunto de radar não pode usar compressão de pulso porque sua largura de banda é muito baixa.

Sistemas de alimentação

Cálculo da mudança de fase

Quão grande deve ser a mudança de fase x = Δφ de um radiador para o próximo radiador atingir o ângulo de deflexão desejado?

Entre os radiadores, entre o feixe respectivo do ângulo de deflexão com a mudança de fase aplicada, pode ser desenhado um triângulo em ângulo reto, cujo lado mais curto está no feixe. A hipotenusa é a distância entre dois radiadores. O terceiro lado é uma linha auxiliar perpendicular à direção do feixe do radiador anterior.

direção principal
deslocadores de fase

Figura 6: derivação gráfica da fórmula

direção principal
deslocadores de fase

Figura 6: derivação gráfica da fórmula

x = d · sin ΘS

(1)

Esta distância x pode ser definida em relação ao comprimento de onda:

(2)

  • Δφ = mudança de fase entre dois elementos sucessivos
  • d = distância entre os elementos radiantes
  • Θs = direção da viga

Ambas as equações juntas são a solução:

(3)

Exemplo dado:

  • Um conjunto de radar opera com um comprimento de onda de λ = 10 cm.
  • A distância entre os radiadores é d = 15 cm.
  • Os atrasos causados pela linha de alimentação, podemos negligenciar temporariamente.
  • O ângulo a ser direcionado deve ser Θs= 40°.
Tarefa:
  • Qual o tamanho da mudança de fase φ do deslocador de fase no. 8 (fora da esquerda) para atingir esse ângulo?

Começamos com a determinação da mudança de fase x de um radiador para o próximo. Devido à função de ângulo, precisamos de uma calculadora: Δφ =(360°·15 cm/10 cm)·sin(40°) = 347.1°.

Isso significa que o radiador não. 8 precisa da mudança de fase φ = 7 · 347,1 = 2429.7°.

Devido à periodicidade da função sinusoidal, é obtida uma mudança de fase de n· 360° = 0°. Portanto, podemos subtrair 360° do resultado até que haja um ângulo entre 0° e 360° e, assim, obter um ângulo de fase de φ = 269,7° para o deslocador de fase no. 8 (exterior esquerdo). No entanto, nenhum deslocador de fase será capaz de realizar isso com a maior precisão possível. Com um deslocador de fase de 4 bits, a mudança de fase pode ser feita em passos de 11,25°. Portanto, na prática, um ângulo de fase de φ = 270° será usado.

Com a alimentação serial, parte dessa mudança de fase já é realizada pelo tempo de atraso na linha de alimentação. Na prática, existe uma tabela calibrada individualmente com os dados de mudança de fase para cada ângulo desejado no computador para o controle da antena (extra para cada frequência de transmissão).

A propósito, a Figura 6 também mostra a razão pela qual uma antena de matriz em fases se concentra pior em ângulos maiores. A linha auxiliar perpendicular ao radiador adjacente é sempre menor que a distância do radiador d em um ângulo que difere da direção do feixe principal. Se a distância “vista” da direção do feixe desviado for menor que a distância ideal d, a qualidade da antena deve deteriorar-se, o que resulta em um padrão de antena mais amplo.


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