Питер Делос (Peter Delos), Боб Бротон (Bob Broughton), Джон Крафт (Jon Kraft)
Диаграммы направленности фазированной антенной решетки. Часть 2. Лепестки решетки
и смещение луча
и смещение луча
Статья опубликована в журнале "Компоненты и технологии " №11 2020
Это вторая статья, входящая в серию из трех публикаций о диаграммах направленности фазированных антенных решеток. В первой статье мы представили основные принципы управления лучом с помощью фазированной решетки и рассмотрели факторы, влияющие на ее усиление. Теперь рассмотрим параметры, влияющие на возникновение и положение лепестков решетки, а также факторы, влияющие на смещения луча. Лепестки решетки
довольно сложно визуализировать, поэтому воспользуемся их сходством с искажениями, возникающими при наложении спектров дискретных сигналов, а затем представим лепесток решетки как их пространственный аналог. Далее исследуем проблему смещения луча (Beam Squint), которое возникает из-за изменения частотного диапазона антенны, связанного с использованием фазового сдвига вместо временной задержки для управления. Мы также обсудим компромисс между двумя подходами к управлению и выявим степень влияния смещения луча на типовые системы, применяемые в реальных условиях.
Лепестки решетки
В предыдущей статье мы рассматривали случаи, когда расстояние между элементами решетки (шаг) составляло d = λ/2. На рис. 1 показано, почему шаг величиной λ/2 считается наиболее распространенным явлением для фазированных решеток. На рисунке изображены два случая: первый соответствует d = λ/2 (график синего цвета, d/λ = 0,5) и повторяет график 30° (рис. 11, КиТ № 10'2020, стр. 87). Во втором случае (график зеленого цвета) соотношение d/λ увеличивается до 0,7. Обратите внимание, как уменьшается ширина лепестков при увеличении шага. Увеличение шага также провоцирует появление на графике второго лепестка (угол -70°), величина амплитуды которого соответствует полному усилению решетки, что является негативным фактором и может повлиять на работу системы. Данный лепесток носит название лепестка решетки и по сути представляет собой искажение, полученное в результате наложения спектров сигналов.
довольно сложно визуализировать, поэтому воспользуемся их сходством с искажениями, возникающими при наложении спектров дискретных сигналов, а затем представим лепесток решетки как их пространственный аналог. Далее исследуем проблему смещения луча (Beam Squint), которое возникает из-за изменения частотного диапазона антенны, связанного с использованием фазового сдвига вместо временной задержки для управления. Мы также обсудим компромисс между двумя подходами к управлению и выявим степень влияния смещения луча на типовые системы, применяемые в реальных условиях.
Лепестки решетки
В предыдущей статье мы рассматривали случаи, когда расстояние между элементами решетки (шаг) составляло d = λ/2. На рис. 1 показано, почему шаг величиной λ/2 считается наиболее распространенным явлением для фазированных решеток. На рисунке изображены два случая: первый соответствует d = λ/2 (график синего цвета, d/λ = 0,5) и повторяет график 30° (рис. 11, КиТ № 10'2020, стр. 87). Во втором случае (график зеленого цвета) соотношение d/λ увеличивается до 0,7. Обратите внимание, как уменьшается ширина лепестков при увеличении шага. Увеличение шага также провоцирует появление на графике второго лепестка (угол -70°), величина амплитуды которого соответствует полному усилению решетки, что является негативным фактором и может повлиять на работу системы. Данный лепесток носит название лепестка решетки и по сути представляет собой искажение, полученное в результате наложения спектров сигналов.
Аналогия с дискретными системами
Аналогом визуального представления лепестков решетки можно считать искажения, возникающие в результате наложения спектров дискретных сигналов. В аналого-цифровых преобразователях (АЦП) при частотном планировании архитектуры приемника часто используется пониженная дискретизация, что снижает частоту дискретизации fS и позволяет сигналам на частотах выше fs/2 (частота Найквиста) отображаться в виде искажений в первой зоне Найквиста. Это в свою очередь приводит к тому, что данные сигналы выглядят так, как если бы они имели более низкую частоту на выходе АЦП. Похожий принцип может быть применен и для фазированных решеток, где элементы решетки дискретизируют падающий волновой фронт. Для применения теоремы Найквиста в пространственной области предположим, что для предотвращения наложения спектров сигналов будет достаточно всего двух элементов. Следовательно, если шаг между элементами будет больше λ/2, мы сможем наблюдать появление дополнительных лепестков на диаграмме направленности.
Расчет места появления лепестков решетки
Как же рассчитать место появления лепестков решетки? В первой статье мы выводили формулу расчета фазового сдвига через угол отклонения луча от оси визирования:
ΔΦ = (2πdsinθ)/λ. (1)
Угол отклонения луча в таком случае будет равен:
θ = arcsin (∆Φ/2π*(λ/d)). (2)
Обратите внимание, что функция arcsin выдает корректные значения только в диапазоне −1…+1. При нахождении аргумента вне границ данного диапазона решение уравнения становится невозможным. Также обратите внимание, что фазовый сдвиг в уравнении (2) является периодической величиной и повторяется каждые 2π, таким образом, мы можем заменить ∆Φ выражением (m*2π+∆Φ), в результате чего получим следующие уравнение:
θ = arcsin ((m*2π+∆Φ)/2π*(λ/d)). (3)
где m = 0, ±1, ±2 и т. д.
Для того чтобы избежать образования нежелательных лепестков решетки, необходимо поддерживать следующее ограничение:
|(m*2π+∆Φ)/2π*(λ/d)| > 1
для всех m ≥ 1. (4)
При принятии данного ограничения мы придем к ситуации, когда лепестки решетки, соответствующие значениям m = ±1, ±2 и т. д., будут давать некорректное значение
для функции arcsin, в результате чего мы сможем удалить их из диаграммы. Однако значения m, лежащие в диапазоне 0−1, дают корректные результаты для функции arcsin,и мы все равно получаем несколько дополнительных лепестков решетки (рис. 2).
Аналогом визуального представления лепестков решетки можно считать искажения, возникающие в результате наложения спектров дискретных сигналов. В аналого-цифровых преобразователях (АЦП) при частотном планировании архитектуры приемника часто используется пониженная дискретизация, что снижает частоту дискретизации fS и позволяет сигналам на частотах выше fs/2 (частота Найквиста) отображаться в виде искажений в первой зоне Найквиста. Это в свою очередь приводит к тому, что данные сигналы выглядят так, как если бы они имели более низкую частоту на выходе АЦП. Похожий принцип может быть применен и для фазированных решеток, где элементы решетки дискретизируют падающий волновой фронт. Для применения теоремы Найквиста в пространственной области предположим, что для предотвращения наложения спектров сигналов будет достаточно всего двух элементов. Следовательно, если шаг между элементами будет больше λ/2, мы сможем наблюдать появление дополнительных лепестков на диаграмме направленности.
Расчет места появления лепестков решетки
Как же рассчитать место появления лепестков решетки? В первой статье мы выводили формулу расчета фазового сдвига через угол отклонения луча от оси визирования:
ΔΦ = (2πdsinθ)/λ. (1)
Угол отклонения луча в таком случае будет равен:
θ = arcsin (∆Φ/2π*(λ/d)). (2)
Обратите внимание, что функция arcsin выдает корректные значения только в диапазоне −1…+1. При нахождении аргумента вне границ данного диапазона решение уравнения становится невозможным. Также обратите внимание, что фазовый сдвиг в уравнении (2) является периодической величиной и повторяется каждые 2π, таким образом, мы можем заменить ∆Φ выражением (m*2π+∆Φ), в результате чего получим следующие уравнение:
θ = arcsin ((m*2π+∆Φ)/2π*(λ/d)). (3)
где m = 0, ±1, ±2 и т. д.
Для того чтобы избежать образования нежелательных лепестков решетки, необходимо поддерживать следующее ограничение:
|(m*2π+∆Φ)/2π*(λ/d)| > 1
для всех m ≥ 1. (4)
При принятии данного ограничения мы придем к ситуации, когда лепестки решетки, соответствующие значениям m = ±1, ±2 и т. д., будут давать некорректное значение
для функции arcsin, в результате чего мы сможем удалить их из диаграммы. Однако значения m, лежащие в диапазоне 0−1, дают корректные результаты для функции arcsin,и мы все равно получаем несколько дополнительных лепестков решетки (рис. 2).
Лепестки решетки при d > λ и θ = 0°
Рассмотрим несколько примеров, чтобы продемонстрировать, как будут проявляться лепестки решетки в ситуации, когда шаг между элементами d > λ и угол отклонения луча θ = 0°. В том случае, когда угол θ = 0°, фазовый сдвиг ∆Φ также равен нулю, следовательно, уравнение (3) упрощается до вида:
θ = arcsin[m (λ/d)], при ∆Φ = 0. (5)
Из упрощенного уравнения видно, что если λ/d > 1, то только значение m = 0 может дать корректное значение для функции arcsin, лежащее в пределах −1…+1. И это значение будет равно нулю, а arcsin (0) = 0°, что соответствует положению оси визирования. Для любого m ≥ 1 результат выполнения функции arcsin будет некорректным. Таким образом, мы не увидим лепестков решетки при θ = 0 и d < λ.
Однако, если d > λ (λ/d < 1), то на диаграмме направленности снова появляется лепестки решетки. Например, при λ/d = 0,66 (то есть d = 1,5λ), решения для функции arcsin будут существовать при m = 0 и m = ±1. Иными словами, при значении m = ±1, которое в данном случае является вторым решением, на графике вновь появятся дополнительные лепестки. Как итог, мы увидим на диаграмме три лепестка с примерно одинаковой амплитудой, расположенных в точках arcsin (0*0,66), arcsin (1*0,66) и arcsin (-1*0,66). В градусах эти значения составляют 0° и ±41,3°. Результат построения графика множителя решетки при λ/d = 0,66 показан на рис. 3.
Рассмотрим несколько примеров, чтобы продемонстрировать, как будут проявляться лепестки решетки в ситуации, когда шаг между элементами d > λ и угол отклонения луча θ = 0°. В том случае, когда угол θ = 0°, фазовый сдвиг ∆Φ также равен нулю, следовательно, уравнение (3) упрощается до вида:
θ = arcsin[m (λ/d)], при ∆Φ = 0. (5)
Из упрощенного уравнения видно, что если λ/d > 1, то только значение m = 0 может дать корректное значение для функции arcsin, лежащее в пределах −1…+1. И это значение будет равно нулю, а arcsin (0) = 0°, что соответствует положению оси визирования. Для любого m ≥ 1 результат выполнения функции arcsin будет некорректным. Таким образом, мы не увидим лепестков решетки при θ = 0 и d < λ.
Однако, если d > λ (λ/d < 1), то на диаграмме направленности снова появляется лепестки решетки. Например, при λ/d = 0,66 (то есть d = 1,5λ), решения для функции arcsin будут существовать при m = 0 и m = ±1. Иными словами, при значении m = ±1, которое в данном случае является вторым решением, на графике вновь появятся дополнительные лепестки. Как итог, мы увидим на диаграмме три лепестка с примерно одинаковой амплитудой, расположенных в точках arcsin (0*0,66), arcsin (1*0,66) и arcsin (-1*0,66). В градусах эти значения составляют 0° и ±41,3°. Результат построения графика множителя решетки при λ/d = 0,66 показан на рис. 3.
Лепестки решетки при λ/2 < d < λ
В упрощенном уравнении (5) мы рассматривали ситуацию, когда луч лежал на оси визирования и фазовый сдвиг между элементами составлял ∆Φ = 0. При разборе данного уравнения мы выявили, что лепестки решетки не появляются при d < λ, но учитывая ранее приведенную аналогию с теорией дискретизации, мы можем сделать вывод, при значении шага решетки больше λ/2 на графике должен появиться как минимум еще один лепесток. Попробуем определить значение d, при котором будут появляться данные лепестки.
Для начала вспомним, как менялась разность фаз в зависимости от угла отклонения луча (рис. 4 в первой части статьи): мы видели, что ∆Φ находится в диапазоне 0…±π, поскольку основной лепесток отклоняется от оси визирования. Следовательно, результат выражения:
(m*2π+∆Φ)/2π*(λ/d) (6)
будет варьироваться:
от ±0,5(λ/d) при m = 0. (7)
В свою очередь при значениях m ≥ 1 результат выражения всегда будет лежать за пределами величины:
±0,5(λ/d). (8)
Что ограничивает минимально допустимое значение λ/d, если мы хотим сохранить величину аргумента функции arcsin на уровне >1 для всех m ≥ 1.
По результатам приведенных вычислений можно сделать два основных вывода:
• Если λ/d ≥ 2 (то есть d ≤ λ/2), то уравнение (3) никогда не будет иметь несколько решений, независимо от значения m. Все решения m > 0 приведут к аргументу функции arcsin > 1. Это единственный способ избежать появления лепестков решетки.
• Если мы намеренно ограничим ∆Φ значением меньшим, чем ±π, то сможем уменьшить соотношение λ/d и не спровоцируем появления дополнительных лепестков. Однако уменьшение диапазона ∆Φ означает уменьшение максимального угла отклонения луча для нашей решетки. Это дольно интересный компромисс, который будет рассмотрен в следующем разделе.
Рекомендации по размещению элементов
Всегда ли расстояние между элементами решетки должно быть меньше λ/2? Вовсе не обязательно, все зависит от того, чем готов пожертвовать разработчик антенны. Шаг между элементами, равный λ/2, может потребоваться только в том случае, когда отклонение луча от оси визирования составляет θ = ±90°, то есть луч направлен горизонтально, однако на практике такое отклонение невозможно из-за механических ограничений конструкции и других факторов.
Из графика функции arcsin, изображенного на рис. 2, мы видим, что ось y, θ, ограничена неким пределом и лепестки решетки возникают только при углах сканирования (scan angles), которые в любом случае не используются. Как же вычислить максимальное значение шага между элементами (dmax), при котором лепестки решетки не будут появляться в области, ограниченной θmax? Ранее мы говорили, что для минимизации количества лепестков решетки необходимо поддерживать ограничение:
|(m*2π+∆Φ)/2π*(λ/d)| > 1 для всех m ≥ 1. (9)
Мы также можем использовать данное выражение, чтобы вычислить, где должен появиться первый лепесток решетки (m = ±1). Внесение изменения и использование уравнения (1) из первой статьи для определения ∆Φ даст нам следующий результат:
В упрощенном уравнении (5) мы рассматривали ситуацию, когда луч лежал на оси визирования и фазовый сдвиг между элементами составлял ∆Φ = 0. При разборе данного уравнения мы выявили, что лепестки решетки не появляются при d < λ, но учитывая ранее приведенную аналогию с теорией дискретизации, мы можем сделать вывод, при значении шага решетки больше λ/2 на графике должен появиться как минимум еще один лепесток. Попробуем определить значение d, при котором будут появляться данные лепестки.
Для начала вспомним, как менялась разность фаз в зависимости от угла отклонения луча (рис. 4 в первой части статьи): мы видели, что ∆Φ находится в диапазоне 0…±π, поскольку основной лепесток отклоняется от оси визирования. Следовательно, результат выражения:
(m*2π+∆Φ)/2π*(λ/d) (6)
будет варьироваться:
от ±0,5(λ/d) при m = 0. (7)
В свою очередь при значениях m ≥ 1 результат выражения всегда будет лежать за пределами величины:
±0,5(λ/d). (8)
Что ограничивает минимально допустимое значение λ/d, если мы хотим сохранить величину аргумента функции arcsin на уровне >1 для всех m ≥ 1.
По результатам приведенных вычислений можно сделать два основных вывода:
• Если λ/d ≥ 2 (то есть d ≤ λ/2), то уравнение (3) никогда не будет иметь несколько решений, независимо от значения m. Все решения m > 0 приведут к аргументу функции arcsin > 1. Это единственный способ избежать появления лепестков решетки.
• Если мы намеренно ограничим ∆Φ значением меньшим, чем ±π, то сможем уменьшить соотношение λ/d и не спровоцируем появления дополнительных лепестков. Однако уменьшение диапазона ∆Φ означает уменьшение максимального угла отклонения луча для нашей решетки. Это дольно интересный компромисс, который будет рассмотрен в следующем разделе.
Рекомендации по размещению элементов
Всегда ли расстояние между элементами решетки должно быть меньше λ/2? Вовсе не обязательно, все зависит от того, чем готов пожертвовать разработчик антенны. Шаг между элементами, равный λ/2, может потребоваться только в том случае, когда отклонение луча от оси визирования составляет θ = ±90°, то есть луч направлен горизонтально, однако на практике такое отклонение невозможно из-за механических ограничений конструкции и других факторов.
Из графика функции arcsin, изображенного на рис. 2, мы видим, что ось y, θ, ограничена неким пределом и лепестки решетки возникают только при углах сканирования (scan angles), которые в любом случае не используются. Как же вычислить максимальное значение шага между элементами (dmax), при котором лепестки решетки не будут появляться в области, ограниченной θmax? Ранее мы говорили, что для минимизации количества лепестков решетки необходимо поддерживать ограничение:
|(m*2π+∆Φ)/2π*(λ/d)| > 1 для всех m ≥ 1. (9)
Мы также можем использовать данное выражение, чтобы вычислить, где должен появиться первый лепесток решетки (m = ±1). Внесение изменения и использование уравнения (1) из первой статьи для определения ∆Φ даст нам следующий результат:
После упрощения выражения получим:
±λ+dmaxsinθmax = dmax. (11)
В результате значение dmax можно определить как:
dmax = λ/(1+|sinθmax|), для θmax от 0 до ±π/2. (12)
Значение dmax будет соответствовать условию отсутствия лепестков решетки в пределах θmax меньше π/2 (90°). К примеру, если частота сигнала составляет 10 ГГц и нам необходимо отклонить луч на ±50° без появления дополнительных лепестков, то максимальное расстояние между элементами составит (рис. 4):
±λ+dmaxsinθmax = dmax. (11)
В результате значение dmax можно определить как:
dmax = λ/(1+|sinθmax|), для θmax от 0 до ±π/2. (12)
Значение dmax будет соответствовать условию отсутствия лепестков решетки в пределах θmax меньше π/2 (90°). К примеру, если частота сигнала составляет 10 ГГц и нам необходимо отклонить луч на ±50° без появления дополнительных лепестков, то максимальное расстояние между элементами составит (рис. 4):
Таким образом, ограничение максимального угла сканирования дает возможность увеличивать расстояние между элементами, размер канала и апертуру антенной решетки. Пример приложения, которое может использовать такой принцип, — это антенна, принимающая или предающая сигнал в довольно узком, заранее определенном направлении. Для увеличения направленности такой антенны достаточно увеличить множитель элемента, а для повышения апертуры — увеличить расстояние между элементами. В результате оба фактора приводят к росту усиления антенны при работе в заданном направлении.
Обратите внимание, что согласно уравнению (3) максимальное расстояние между элементами будет равно длине волны даже для нулевого угла отклонения луча. Данный аспект может быть применен в тех случаях, когда недопустимо появление лепестков решетки в видимом полушарии. Например, при рассмотрении работы GEO-спутника передача/прием сигналов на Землю будет проходить под углом 9° от оси визирования. Может получиться так, что возникновение лепестков решетки в данном процессе будет допустимо, если они не доходят до поверхности Земли — в таком случае расстояние между элементами может составлять несколько длин волн, что приводит к еще большему сужению ширины луча.
Следует также отметить, что существуют архитектуры, которые пытаются решить проблему возникновения лепестков решетки за счет задания неравномерного шага между элементами. Они относятся к категории апериодических решеток, примером такого типа решеток являются спиральные решетки. Однако по причинам, связанным с механическими ограничениями, может быть куда более выгодно иметь блок решетки с одинаковым шагом между компонентами, который бы работал по описанным ранее принципам, но в то же время его можно было бы масштабировать до больших размеров в соответствии с запросом системы.
Смещение луча
Первая статья серии начиналась описанием управления отклонением луча при помощи временной задержи при падении волнового фронта на элементы решетки. Далее мы привели пример того, как вместо временной задержки можно использовать фазовый сдвиг. Данный прием прекрасно работает для узкополосных сигналов, однако, когда дело касается широкополосных сигналов, луч может иметь некоторое смещение от заданного направления, которое будет меняться в зависимости от частоты. Данный аспект довольно просто объяснить, если вспомнить, что временная задержка — это линейный сдвиг фазы в зависимости от частоты. Таким образом, для определенного направления луча фазовый сдвиг будет меняться в зависимости от частоты. Или, наоборот, для заданного фазового сдвига направление луча будет изменяться в зависимости от частоты. Изменение угла луча в зависимости от частоты называется смещением луча (Beam Squint).
Следует также отметить, что существуют архитектуры, которые пытаются решить проблему возникновения лепестков решетки за счет задания неравномерного шага между элементами. Они относятся к категории апериодических решеток, примером такого типа решеток являются спиральные решетки. Однако по причинам, связанным с механическими ограничениями, может быть куда более выгодно иметь блок решетки с одинаковым шагом между компонентами, который бы работал по описанным ранее принципам, но в то же время его можно было бы масштабировать до больших размеров в соответствии с запросом системы.
Смещение луча
Первая статья серии начиналась описанием управления отклонением луча при помощи временной задержи при падении волнового фронта на элементы решетки. Далее мы привели пример того, как вместо временной задержки можно использовать фазовый сдвиг. Данный прием прекрасно работает для узкополосных сигналов, однако, когда дело касается широкополосных сигналов, луч может иметь некоторое смещение от заданного направления, которое будет меняться в зависимости от частоты. Данный аспект довольно просто объяснить, если вспомнить, что временная задержка — это линейный сдвиг фазы в зависимости от частоты. Таким образом, для определенного направления луча фазовый сдвиг будет меняться в зависимости от частоты. Или, наоборот, для заданного фазового сдвига направление луча будет изменяться в зависимости от частоты. Изменение угла луча в зависимости от частоты называется смещением луча (Beam Squint).
Учтите, что в точке визирования θ = 0 сдвиг фазы для элементов равен нулю и, следовательно, невозможно организовать/пронаблюдать смещения луча. Поскольку смещение луча зависит от сдвига фаз, оно также должно зависеть и от угла отклонения θ и изменения частоты. На рис. 5 показан пример смещения луча в диапазоне X. В данном примере центральная частота сигнала составляет 10 ГГц, ширина полосы модуляции равна 2 ГГц, очевидно, что луч меняет направление в зависимости как от частоты, так и от начального угла отклонения.
Уровень смещения луча можно рассчитать, используя уравнения (1) и (2):
Уровень смещения луча можно рассчитать, используя уравнения (1) и (2):
График данного уравнения показан на рис. 6. Вместо соотношения f0/f на рисунке показано соотношение f /f0, так как данная величина обеспечивает более простой способ визуализации изменения относительно центральной частоты.
Проанализировав графики (рис. 6), можно сделать следующие выводы относительно смещения луча:
• смещение угла в зависимости от частоты увеличивается по мере увеличения угла отклонения луча от оси визирования;
• частота ниже центральной вызывает большее смещение, чем частота выше центральной частоты;
• частота ниже центральной частоты отклоняет луч дальше от оси визирования.
Проанализировав графики (рис. 6), можно сделать следующие выводы относительно смещения луча:
• смещение угла в зависимости от частоты увеличивается по мере увеличения угла отклонения луча от оси визирования;
• частота ниже центральной вызывает большее смещение, чем частота выше центральной частоты;
• частота ниже центральной частоты отклоняет луч дальше от оси визирования.
Решение проблемы смещения
Смещение луча в зависимости от частоты вызвано главным образом заменой временной задержки фазовым сдвигом для организации процесса управления. Реализация управления лучом на основе модулей временной задержки не имеет такой проблемы.
Казалось бы, если проблема смещения луча настолько очевидна, зачем кому-то использовать смещение по фазе для управления? Обычно это сводится к простоте конструкции и доступности микросхем фазовращателей по сравнению с модулями временной задержки. Кроме того, величина временной задержки зависит от апертуры решетки. На сегодня большинство доступных аналоговых микросхем для управления лучом основано на принципе сдвига фаз, но появляются и семейства микросхем для управления на основе временной задержки, и, возможно, в скором времени они станут куда более распространенными в области разработки фазированных антенных решеток.
При формировании диаграммы направленности с помощью цифровых компонентов временная задержка может быть реализована посредством логики центрального процессора. Таким образом, построение фазированной решетки с цифровыми элементами управления позволяет избежать проблемы смещения луча, обеспечивая при этом высокую степень гибкости за счет возможности программной настройки задержек, однако стоимость, размер и мощность такого
решения могут быть нерациональны, когда речь заходит о практическом применении.
В гибридных системах управления существует принцип, при котором аналоговое управление используется для отдельных составляющих решетки с последующей цифровой обработкой для
всего решения. Данный принцип позволяет уменьшить смещение луча и на него следует обратить внимание при создании реальных проектов. Смещение луча в таких решениях будет зависеть только от составляющих решетки с аналоговым управлением. Гибридная система позволяет применять аналоговые фазовращатели для основного управления и цифровые элементы для последующей обработки и корректировки смещения.
Заключение
В статье были рассмотрены основные факторы, влияющие на возникновение лепестков решетки, а также смещение луча. В третьей, завершающей статье серии, мы изучим, как изменение формы антенны влияет на боковые лепестки, и дадим представление о влиянии ошибок квантования на характеристики фазовращателя.
Литература
1. Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design. 3rd Edition. Wiley, 2005.
2. Longbrake M. True Time Delay Beamsteering for Radar. IEEE National Aerospace
and Electronics Conference (NAECON). IEEE, 2012.
3. Mailloux R. J. Phased Array Antenna Handbook. 2rd Edition. Artech House, 2005.
4. O’Donnell R. M. Radar Systems Engineering: Introduction. IEEE, June 2012.
5. Skolnik M. Radar Handbook. 3rd Edition. McGraw-Hill, 2008.
Смещение луча в зависимости от частоты вызвано главным образом заменой временной задержки фазовым сдвигом для организации процесса управления. Реализация управления лучом на основе модулей временной задержки не имеет такой проблемы.
Казалось бы, если проблема смещения луча настолько очевидна, зачем кому-то использовать смещение по фазе для управления? Обычно это сводится к простоте конструкции и доступности микросхем фазовращателей по сравнению с модулями временной задержки. Кроме того, величина временной задержки зависит от апертуры решетки. На сегодня большинство доступных аналоговых микросхем для управления лучом основано на принципе сдвига фаз, но появляются и семейства микросхем для управления на основе временной задержки, и, возможно, в скором времени они станут куда более распространенными в области разработки фазированных антенных решеток.
При формировании диаграммы направленности с помощью цифровых компонентов временная задержка может быть реализована посредством логики центрального процессора. Таким образом, построение фазированной решетки с цифровыми элементами управления позволяет избежать проблемы смещения луча, обеспечивая при этом высокую степень гибкости за счет возможности программной настройки задержек, однако стоимость, размер и мощность такого
решения могут быть нерациональны, когда речь заходит о практическом применении.
В гибридных системах управления существует принцип, при котором аналоговое управление используется для отдельных составляющих решетки с последующей цифровой обработкой для
всего решения. Данный принцип позволяет уменьшить смещение луча и на него следует обратить внимание при создании реальных проектов. Смещение луча в таких решениях будет зависеть только от составляющих решетки с аналоговым управлением. Гибридная система позволяет применять аналоговые фазовращатели для основного управления и цифровые элементы для последующей обработки и корректировки смещения.
Заключение
В статье были рассмотрены основные факторы, влияющие на возникновение лепестков решетки, а также смещение луча. В третьей, завершающей статье серии, мы изучим, как изменение формы антенны влияет на боковые лепестки, и дадим представление о влиянии ошибок квантования на характеристики фазовращателя.
Литература
1. Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design. 3rd Edition. Wiley, 2005.
2. Longbrake M. True Time Delay Beamsteering for Radar. IEEE National Aerospace
and Electronics Conference (NAECON). IEEE, 2012.
3. Mailloux R. J. Phased Array Antenna Handbook. 2rd Edition. Artech House, 2005.
4. O’Donnell R. M. Radar Systems Engineering: Introduction. IEEE, June 2012.
5. Skolnik M. Radar Handbook. 3rd Edition. McGraw-Hill, 2008.