Un metodo semplice per calcolare un Phased Array HF. Antenna Phased Array per microonde

21.10.2023

L'articolo da tradurre è stato proposto da alessandro893. Il materiale è tratto da un ampio sito di riferimento, che descrive, in particolare, i principi di funzionamento e progettazione dei radar.

Un'antenna è un dispositivo elettrico che converte l'elettricità in onde radio e viceversa. L'antenna viene utilizzata non solo nei radar, ma anche nei disturbatori, nei sistemi di allarme per le radiazioni e nei sistemi di comunicazione. Durante la trasmissione, l'antenna concentra l'energia del trasmettitore radar e forma un raggio diretto nella direzione desiderata. Durante la ricezione, l'antenna raccoglie l'energia radar di ritorno contenuta nei segnali riflessi e la trasmette al ricevitore. Le antenne spesso variano nella forma del raggio e nell'efficienza.

A sinistra c'è un'antenna isotropa, a destra c'è un'antenna direzionale

Antenna a dipolo

Un'antenna a dipolo, o dipolo, è la classe di antenne più semplice e popolare. È costituito da due conduttori, fili o aste identici, solitamente con simmetria bilaterale. Per i dispositivi trasmittenti viene fornita corrente e per i dispositivi riceventi viene ricevuto un segnale tra le due metà dell'antenna. Entrambi i lati dell'alimentatore del trasmettitore o del ricevitore sono collegati a uno dei conduttori. I dipoli sono antenne risonanti, cioè i loro elementi fungono da risonatori in cui le onde stazionarie passano da un'estremità all'altra. Quindi la lunghezza degli elementi dipolo è determinata dalla lunghezza dell'onda radio.

Schema di radiazione

I dipoli sono antenne omnidirezionali. Per questo motivo vengono spesso utilizzati nei sistemi di comunicazione.

Antenna a forma di vibratore asimmetrico (monopolare)

Un'antenna asimmetrica è la metà di un'antenna a dipolo ed è montata perpendicolare alla superficie conduttrice, un elemento riflettente orizzontale. La direttività di un'antenna unipolare è doppia rispetto a quella di un'antenna dipolare a doppia lunghezza perché non c'è radiazione sotto l'elemento riflettente orizzontale. A questo proposito, l'efficienza di tale antenna è doppia ed è in grado di trasmettere ulteriormente le onde utilizzando la stessa potenza di trasmissione.

Schema di radiazione

Antenna del canale d'onda, antenna Yagi-Uda, antenna Yagi

Schema di radiazione

Antenna ad angolo

Un tipo di antenna spesso utilizzata sui trasmettitori VHF e UHF. È costituito da un irradiatore (può essere un dipolo o una schiera Yagi) montato davanti a due schermi riflettenti rettangolari piatti collegati ad un angolo, solitamente di 90°. Una lamiera o una griglia (per i radar a bassa frequenza) possono fungere da riflettore, riducendo il peso e aumentando la resistenza al vento. Le antenne angolari hanno un'ampia portata e il guadagno è di circa 10-15 dB.

Schema di radiazione

Antenna log-periodica del vibratore (periodica logaritmica) o serie log-periodica di vibratori simmetrici

Un'antenna log-periodica (LPA) è costituita da diversi emettitori di dipoli a semionda di lunghezza gradualmente crescente. Ciascuno è costituito da una coppia di aste metalliche. I dipoli sono attaccati uno dietro l'altro e collegati all'alimentatore in parallelo, con fasi opposte. Questa antenna sembra simile all'antenna Yagi, ma funziona in modo diverso. L'aggiunta di elementi a un'antenna Yagi ne aumenta la direttività (guadagno) e l'aggiunta di elementi a un LPA ne aumenta la larghezza di banda. Il suo principale vantaggio rispetto ad altre antenne è la gamma estremamente ampia di frequenze operative. Le lunghezze degli elementi dell'antenna sono correlate tra loro secondo una legge logaritmica. La lunghezza dell'elemento più lungo è metà della lunghezza d'onda della frequenza più bassa, mentre l'elemento più corto è metà della lunghezza d'onda della frequenza più alta.

Schema di radiazione

Antenna ad elica

Un'antenna elicoidale è costituita da un conduttore attorcigliato a spirale. Di solito sono montati sopra un elemento riflettente orizzontale. L'alimentatore è collegato al fondo della spirale e al piano orizzontale. Possono funzionare in due modalità: normale e assiale.

Modalità normale (trasversale): le dimensioni dell'elica (diametro e inclinazione) sono piccole rispetto alla lunghezza d'onda della frequenza trasmessa. L'antenna funziona allo stesso modo di un dipolo o monopolo in cortocircuito, con lo stesso diagramma di radiazione. La radiazione è polarizzata linearmente parallelamente all'asse della spirale. Questa modalità viene utilizzata nelle antenne compatte per radio portatili e mobili.

Modalità assiale: le dimensioni della spirale sono paragonabili alla lunghezza d'onda. L'antenna funziona come direzionale, trasmettendo il raggio dall'estremità della spirale lungo il suo asse. Emette onde radio di polarizzazione circolare. Spesso utilizzato per le comunicazioni satellitari.

Schema di radiazione

Antenna rombica

Un'antenna a diamante è un'antenna direzionale a banda larga costituita da uno a tre fili paralleli fissati sopra il terreno a forma di diamante, supportati su ciascun vertice da torri o pali a cui sono fissati i fili mediante isolanti. Tutti e quattro i lati dell'antenna hanno la stessa lunghezza, solitamente almeno la stessa lunghezza d'onda, o più lunghi. Spesso utilizzato per la comunicazione e il funzionamento nella gamma delle onde decametriche.

Schema di radiazione

Schiera di antenne bidimensionale

Array multielemento di dipoli utilizzato nelle bande HF (1,6 - 30 MHz), costituito da righe e colonne di dipoli. Il numero di righe può essere 1, 2, 3, 4 o 6. Il numero di colonne può essere 2 o 4. I dipoli sono polarizzati orizzontalmente e uno schermo riflettente è posizionato dietro la schiera di dipoli per fornire un raggio amplificato. Il numero di colonne del dipolo determina la larghezza del fascio azimutale. Per 2 colonne l'ampiezza del diagramma di irradiazione è di circa 50°, per 4 colonne è di 30°. Il fascio principale può essere inclinato di 15° o 30° per una copertura massima di 90°.

Il numero di file e l'altezza dell'elemento più basso dal suolo determinano l'angolo di elevazione e la dimensione dell'area servita. Una serie di due righe ha un angolo di 20° mentre una serie di quattro ha un angolo di 10°. La radiazione proveniente da una schiera bidimensionale di solito si avvicina alla ionosfera con una leggera angolazione e, a causa della sua bassa frequenza, viene spesso riflessa sulla superficie terrestre. Poiché la radiazione può essere riflessa molte volte tra la ionosfera e il suolo, l'azione dell'antenna non è limitata all'orizzonte. Di conseguenza, tale antenna viene spesso utilizzata per le comunicazioni a lunga distanza.

Schema di radiazione

Antenna a corno

Un'antenna a corno è costituita da una guida d'onda metallica a forma di corno espandibile che raccoglie le onde radio in un raggio. Le antenne a tromba hanno una gamma molto ampia di frequenze operative; possono funzionare con uno spazio di 20 volte nei suoi confini, ad esempio da 1 a 20 GHz. Il guadagno varia da 10 a 25 dB e vengono spesso utilizzati come alimentazione per antenne più grandi.

Schema di radiazione

Antenna parabolica

Una delle antenne radar più popolari è il riflettore parabolico. L'alimentazione si trova al fuoco della parabola e l'energia del radar è diretta alla superficie del riflettore. Molto spesso, come alimentazione viene utilizzata un'antenna a tromba, ma è possibile utilizzare sia un'antenna a dipolo che un'antenna elicoidale.

Poiché la sorgente puntiforme di energia è al fuoco, viene convertita in un fronte d'onda a fase costante, rendendo la parabola particolarmente adatta per l'uso nei radar. Modificando la dimensione e la forma della superficie riflettente, è possibile creare fasci e schemi di radiazione di varie forme. La direttività delle antenne paraboliche è molto migliore di quella di una Yagi o di un dipolo; il guadagno può raggiungere i 30-35 dB. Il loro principale svantaggio è l'incapacità di gestire le basse frequenze a causa delle loro dimensioni. Un'altra cosa è che l'irradiatore può bloccare parte del segnale.

Schema di radiazione

Antenna Cassegrain

Un'antenna Cassegrain è molto simile ad un'antenna parabolica convenzionale, ma utilizza un sistema di due riflettori per creare e focalizzare il raggio radar. Il riflettore principale è parabolico e il riflettore ausiliario è iperbolico. L'irradiatore si trova in uno dei due fuochi dell'iperbole. L'energia radar del trasmettitore viene riflessa dal riflettore ausiliario su quello principale e focalizzata. L'energia di ritorno dal bersaglio viene raccolta dal riflettore principale e riflessa sotto forma di un raggio convergente in un punto su quello ausiliario. Viene poi riflesso da un riflettore ausiliario e raccolto nel punto in cui si trova l'irradiatore. Quanto più grande è il riflettore ausiliario, tanto più vicino potrà essere a quello principale. Questo design riduce le dimensioni assiali del radar, ma aumenta l'ombreggiamento dell'apertura. Un piccolo riflettore ausiliario, invece, riduce l'ombreggiamento dell'apertura, ma deve essere posizionato lontano da quello principale. Vantaggi rispetto ad un'antenna parabolica: compattezza (nonostante la presenza di un secondo riflettore, la distanza totale tra i due riflettori è inferiore alla distanza dall'alimentazione al riflettore di un'antenna parabolica), perdite ridotte (il ricevitore può essere posizionato vicino all'emettitore del clacson), ridotta interferenza dei lobi laterali per i radar terrestri. Principali svantaggi: il raggio è bloccato più fortemente (la dimensione del riflettore ausiliario e dell'alimentazione è maggiore della dimensione dell'alimentazione di un'antenna parabolica convenzionale), non funziona bene con un'ampia gamma di onde.

Schema di radiazione

Antenna Gregorio

A sinistra c'è l'antenna Gregory, a destra c'è l'antenna Cassegrain

L'antenna parabolica Gregory ha una struttura molto simile all'antenna Cassegrain. La differenza è che il riflettore ausiliario è curvato nella direzione opposta. Il progetto di Gregory può utilizzare un riflettore secondario più piccolo rispetto a un'antenna Cassegrain, con il risultato che una minore quantità di raggio viene bloccata.

Antenna offset (asimmetrica).

Come suggerisce il nome, l'emettitore e il riflettore ausiliario (se si tratta di un'antenna Gregory) di un'antenna offset sono spostati rispetto al centro del riflettore principale in modo da non bloccare il raggio. Questo design viene spesso utilizzato su antenne paraboliche e Gregory per aumentare l'efficienza.

Antenna Cassegrain con piastra di fase piatta

Un altro progetto progettato per combattere il blocco del raggio da parte di un riflettore ausiliario è l'antenna Cassegrain a piastra piatta. Funziona tenendo conto della polarizzazione delle onde. Un'onda elettromagnetica ha 2 componenti, magnetica ed elettrica, che sono sempre perpendicolari tra loro e alla direzione del movimento. La polarizzazione dell'onda è determinata dall'orientamento del campo elettrico, può essere lineare (verticale/orizzontale) o circolare (circolare o ellittica, ruotata in senso orario o antiorario). La cosa interessante della polarizzazione è il polarizzatore, ovvero il processo di filtraggio delle onde, lasciando solo le onde polarizzate in una direzione o piano. Tipicamente, il polarizzatore è costituito da un materiale con una disposizione parallela di atomi, oppure può essere un reticolo di fili paralleli, la cui distanza è inferiore alla lunghezza d'onda. Spesso si presume che la distanza debba essere circa la metà della lunghezza d'onda.

Un malinteso comune è che l'onda elettromagnetica e il polarizzatore funzionino in modo simile a un cavo oscillante e ad una recinzione di assi, ovvero che un'onda polarizzata orizzontalmente debba essere bloccata da uno schermo con fessure verticali.

Infatti le onde elettromagnetiche si comportano diversamente dalle onde meccaniche. Un reticolo di fili orizzontali paralleli blocca e riflette completamente un'onda radio polarizzata orizzontalmente e trasmette un'onda polarizzata verticalmente - e viceversa. La ragione è questa: quando un campo elettrico, o onda, è parallelo a un filo, eccita gli elettroni lungo la lunghezza del filo, e poiché la lunghezza del filo è molte volte maggiore del suo spessore, gli elettroni possono facilmente muoversi e muoversi. assorbire la maggior parte dell'energia dell'onda. Il movimento degli elettroni porterà alla comparsa di una corrente e la corrente creerà le proprie onde. Queste onde annulleranno le onde di trasmissione e si comporteranno come onde riflesse. D'altra parte, quando il campo elettrico dell'onda è perpendicolare ai fili, ecciterà gli elettroni lungo la larghezza del filo. Poiché gli elettroni non saranno in grado di muoversi attivamente in questo modo, verrà riflessa pochissima energia.

È importante notare che sebbene nella maggior parte delle illustrazioni le onde radio abbiano solo 1 campo magnetico e 1 campo elettrico, ciò non significa che oscillano rigorosamente sullo stesso piano. Si può infatti immaginare che i campi elettrici e magnetici siano costituiti da più sottocampi che si sommano vettorialmente. Ad esempio, per un'onda polarizzata verticalmente da due sottocampi, il risultato della somma dei loro vettori è verticale. Quando due sottocampi sono in fase, il campo elettrico risultante sarà sempre stazionario sullo stesso piano. Ma se uno dei sottocampi è più lento dell'altro, il campo risultante inizierà a ruotare attorno alla direzione in cui si muove l'onda (questa è spesso chiamata polarizzazione ellittica). Se un sottocampo è più lento degli altri esattamente di un quarto di lunghezza d'onda (la fase differisce di 90 gradi), otteniamo una polarizzazione circolare:

Per convertire la polarizzazione lineare di un'onda in polarizzazione circolare e viceversa, è necessario rallentare uno dei sottocampi rispetto agli altri esattamente di un quarto della lunghezza d'onda. Per questo, viene spesso utilizzato un reticolo (piastra di fase a quarto d'onda) di fili paralleli con una distanza tra loro di 1/4 di lunghezza d'onda, situato ad un angolo di 45 gradi rispetto all'orizzontale.
Per un'onda che passa attraverso il dispositivo, la polarizzazione lineare diventa circolare e la polarizzazione circolare diventa lineare.

Un'antenna Cassegrain con piastra di fase piatta che funziona secondo questo principio è costituita da due riflettori di uguali dimensioni. L'ausiliario riflette solo le onde polarizzate orizzontalmente e trasmette le onde polarizzate verticalmente. Quello principale riflette tutte le onde. La piastra riflettente ausiliaria si trova davanti a quella principale. È costituito da due parti: una piastra con fessure che corrono ad un angolo di 45° e una piastra con fessure orizzontali larghe meno di 1/4 della lunghezza d'onda.

Diciamo che il feed trasmette un'onda con polarizzazione circolare in senso antiorario. L'onda passa attraverso la piastra a quarto d'onda e diventa un'onda polarizzata orizzontalmente. È riflesso dai fili orizzontali. Attraversa nuovamente la placca a quarto d'onda, dall'altro lato, e per essa i fili della placca sono già orientati specularmente, cioè come se ruotati di 90°. Il precedente cambiamento di polarizzazione viene invertito, in modo che l'onda diventi nuovamente polarizzata circolarmente in senso antiorario e ritorni al riflettore principale. Il riflettore cambia la polarizzazione da antioraria a oraria. Passa attraverso le fessure orizzontali del riflettore ausiliario senza resistenza ed esce in direzione dei bersagli, polarizzato verticalmente. Nella modalità di ricezione accade il contrario.

Antenna a fessura

Sebbene le antenne descritte abbiano un guadagno piuttosto elevato rispetto alla dimensione dell'apertura, presentano tutte degli svantaggi comuni: elevata suscettibilità dei lobi laterali (suscettibilità ai fastidiosi riflessi dalla superficie terrestre e sensibilità ai bersagli con una bassa area di diffusione effettiva), efficienza ridotta dovuta alla blocco del raggio (i radar piccoli, che possono essere utilizzati sugli aerei, hanno un problema con il blocco; i radar grandi, dove il problema con il blocco è minore, non possono essere utilizzati in aria). Di conseguenza, è stato inventato un nuovo design dell'antenna: un'antenna a fessura. È realizzato sotto forma di una superficie metallica, solitamente piatta, nella quale vengono tagliati fori o fessure. Quando viene irradiato alla frequenza desiderata, da ciascuna fessura vengono emesse onde elettromagnetiche, ovvero le fessure agiscono come antenne individuali e formano una schiera. Poiché il raggio proveniente da ciascuna fessura è debole, anche i loro lobi laterali sono molto piccoli. Le antenne a fessura sono caratterizzate da elevato guadagno, lobi laterali piccoli e peso ridotto. Potrebbero non avere parti sporgenti, che in alcuni casi costituisce il loro importante vantaggio (ad esempio, quando installati su aerei).

Schema di radiazione

Antenna passiva a schiera di fase (PFAR)

Radar con MIG-31

Sin dagli albori dello sviluppo del radar, gli sviluppatori sono stati afflitti da un problema: l'equilibrio tra precisione, portata e tempo di scansione del radar. Ciò avviene perché i radar con un'ampiezza del raggio più stretta aumentano la precisione (maggiore risoluzione) e la portata alla stessa potenza (concentrazione di potenza). Ma quanto più piccola è la larghezza del raggio, tanto più a lungo il radar scansiona l'intero campo visivo. Inoltre, un radar ad alto guadagno richiederà antenne più grandi, il che è scomodo per una scansione veloce. Per ottenere una precisione pratica alle basse frequenze, il radar richiederebbe antenne così grandi che sarebbe meccanicamente difficile ruotarle. Per risolvere questo problema è stata creata un'antenna Phased Array passiva. Non si basa sulla meccanica, ma sull'interferenza delle onde per controllare il raggio. Se due o più onde dello stesso tipo oscillano e si incontrano in un punto dello spazio, l'ampiezza totale delle onde si somma più o meno allo stesso modo in cui si sommano le onde sull'acqua. A seconda della fase di queste onde, le interferenze possono rafforzarle o indebolirle.

Il raggio può essere modellato e controllato elettronicamente controllando la differenza di fase di un gruppo di elementi trasmittenti, controllando così dove si verificano le interferenze di amplificazione o attenuazione. Ne consegue che il radar dell'aereo deve avere almeno due elementi trasmittenti per controllare il raggio da un lato all'altro.

Tipicamente, un radar con PFAR è costituito da 1 alimentazione, un amplificatore a bassa interferenza, un distributore di potenza, 1000-2000 elementi trasmittenti e un uguale numero di sfasatori.

Gli elementi trasmittenti possono essere antenne isotrope o direzionali. Alcune tipologie tipiche di elementi di trasmissione:

Nelle prime generazioni di aerei da caccia, le antenne patch (antenne a striscia) venivano spesso utilizzate perché erano le più facili da sviluppare.

I moderni array di fase attivi utilizzano emettitori di solchi grazie alle loro capacità di banda larga e al guadagno migliorato:

Indipendentemente dal tipo di antenna utilizzata, aumentando il numero di elementi radianti si migliorano le caratteristiche di direttività del radar.

Come sappiamo, per la stessa frequenza radar, l'aumento dell'apertura porta ad una diminuzione dell'ampiezza del raggio, che aumenta la portata e la precisione. Ma per gli array a fasi non vale la pena aumentare la distanza tra gli elementi emittenti nel tentativo di aumentare l'apertura e ridurre il costo del radar. Perché se la distanza tra gli elementi è maggiore della frequenza operativa, potrebbero apparire dei lobi laterali, degradando notevolmente le prestazioni del radar.

La parte più importante e costosa del PFAR sono gli sfasatori. Senza di essi è impossibile controllare la fase del segnale e la direzione del raggio.

Sono disponibili in diversi tipi, ma generalmente possono essere suddivisi in quattro tipi.

Sfasatori con ritardo temporale

Il tipo più semplice di sfasatori. Ci vuole tempo perché un segnale viaggi attraverso una linea di trasmissione. Questo ritardo, pari allo sfasamento del segnale, dipende dalla lunghezza della linea di trasmissione, dalla frequenza del segnale e dalla velocità di fase del segnale nel materiale trasmittente. Commutando un segnale tra due o più linee di trasmissione di una determinata lunghezza, è possibile controllare lo sfasamento. Gli elementi di commutazione sono relè meccanici, diodi pin, transistor ad effetto di campo o sistemi microelettromeccanici. I diodi pin vengono spesso utilizzati a causa della loro alta velocità, bassa perdita e circuiti di polarizzazione semplici che forniscono variazioni di resistenza da 10 kΩ a 1 Ω.

Ritardo, sec = sfasamento ° / (360 * frequenza, Hz)

Il loro svantaggio è che l'errore di fase aumenta con l'aumentare della frequenza e aumenta di dimensioni con la diminuzione della frequenza. Inoltre, il cambiamento di fase varia con la frequenza, quindi non sono applicabili alle frequenze molto basse e alte.

Sfasatore riflettente/quadratura

Tipicamente si tratta di un dispositivo di accoppiamento in quadratura che divide il segnale di ingresso in due segnali sfasati di 90°, che vengono poi riflessi. Vengono quindi combinati in fase in uscita. Questo circuito funziona perché le riflessioni del segnale dalle linee conduttive possono essere sfasate rispetto al segnale incidente. Lo sfasamento varia da 0° (circuito aperto, capacità varactor nulla) a -180° (circuito in corto, capacità varactor infinita). Tali sfasatori hanno un ampio raggio operativo. Tuttavia, le limitazioni fisiche dei varactor fanno sì che in pratica lo sfasamento possa raggiungere solo 160°. Ma per uno spostamento più ampio è possibile combinare diverse catene di questo tipo.

Modulatore QI vettoriale

Proprio come in uno sfasatore reflex, qui il segnale viene suddiviso in due uscite con uno sfasamento di 90 gradi. La fase di ingresso imparziale è chiamata canale I e la quadratura con un offset di 90 gradi è chiamata canale Q. Ogni segnale viene quindi fatto passare attraverso un modulatore bifasico in grado di spostare la fase del segnale. Ogni segnale è sfasato di 0° o 180°, consentendo di selezionare qualsiasi coppia di vettori di quadratura. I due segnali vengono quindi ricombinati. Poiché è possibile controllare l'attenuazione di entrambi i segnali, non viene controllata solo la fase ma anche l'ampiezza del segnale di uscita.

Sfasatore su filtri passa alto/basso

È stato prodotto per risolvere il problema degli sfasatori con ritardo temporale che non sono in grado di funzionare su un'ampia gamma di frequenze. Funziona commutando il percorso del segnale tra filtri passa alto e passa basso. Simile a uno sfasatore ritardato, ma utilizza filtri invece di linee di trasmissione. Il filtro passa-alto è costituito da una serie di induttori e condensatori che forniscono l'anticipo di fase. Un tale sfasatore fornisce uno sfasamento costante nell'intervallo di frequenze operative. È anche di dimensioni molto più ridotte rispetto ai sfasatori elencati in precedenza, motivo per cui viene spesso utilizzato nelle applicazioni radar.

Riassumendo, rispetto ad un'antenna riflettente convenzionale, i principali vantaggi del PFAR saranno: elevata velocità di scansione (aumento del numero di bersagli tracciati, riduzione della probabilità che la stazione rilevi un avviso di radiazione), ottimizzazione del tempo trascorso sul bersaglio, guadagno elevato e lobi laterali piccoli (difficili da bloccare e rilevare), sequenza di scansione casuale (più difficile da bloccare), capacità di utilizzare speciali tecniche di modulazione e rilevamento per estrarre il segnale dal rumore. Gli svantaggi principali sono i costi elevati, l'incapacità di eseguire scansioni con una larghezza superiore a 60 gradi (il campo visivo di un array di fasi stazionario è di 120 gradi, un radar meccanico può espanderlo a 360).

Antenna attiva a schiera di fase

All’esterno AFAR (AESA) e PFAR (PESA) sono difficili da distinguere, ma all’interno sono radicalmente diversi. PFAR utilizza uno o due amplificatori ad alta potenza per trasmettere un singolo segnale, che viene poi suddiviso in migliaia di percorsi per migliaia di sfasatori ed elementi. Un radar AFAR è costituito da migliaia di moduli di ricezione/trasmissione. Poiché i trasmettitori si trovano direttamente negli elementi stessi, non dispone di un ricevitore e di un trasmettitore separati. Le differenze nell'architettura sono mostrate nell'immagine.

In AFAR, la maggior parte dei componenti, come un amplificatore di segnale debole, un amplificatore ad alta potenza, un duplexer e uno sfasatore, sono di dimensioni ridotte e assemblati in un alloggiamento chiamato modulo di trasmissione/ricezione. Ciascuno dei moduli è un piccolo radar. La loro architettura è la seguente:

Sebbene AESA e PESA utilizzino l'interferenza delle onde per modellare e deviare il raggio, il design unico di AESA offre molti vantaggi rispetto a PFAR. Ad esempio, un piccolo amplificatore di segnale è posizionato vicino al ricevitore, prima dei componenti in cui parte del segnale viene persa, quindi ha un rapporto segnale-interferenza migliore rispetto a un PFAR.

Inoltre, a parità di capacità di rilevamento, AFAR ha un ciclo di lavoro e una potenza di picco inferiori. Inoltre, poiché i singoli moduli APAA non si basano su un singolo amplificatore, possono trasmettere segnali a frequenze diverse contemporaneamente. Di conseguenza, AFAR può creare diversi raggi separati, dividendo l'array in sottoarray. La capacità di operare su frequenze multiple porta al multitasking e alla capacità di implementare sistemi di disturbo elettronico ovunque in relazione al radar. Ma la formazione di troppi raggi simultanei riduce la portata del radar.

I due principali svantaggi dell’AFAR sono i costi elevati e il campo visivo limitato a 60 gradi.

Antenne ibride elettronico-meccaniche a schiera di fase

L'altissima velocità di scansione del Phased Array è combinata con un campo visivo limitato. Per risolvere questo problema, i radar moderni posizionano gli array a fasi su un disco mobile, che aumenta il campo visivo. Non confondere il campo visivo con la larghezza del raggio. La larghezza del raggio si riferisce al raggio radar e il campo visivo si riferisce alla dimensione complessiva dell'area da scansionare. Spesso sono necessari fasci stretti per migliorare la precisione e la portata, ma di solito non è necessario un campo visivo ristretto.

Solo un ottimo articolo, che racconta a livello popolare molte sottigliezze molto importanti che di solito non si trovano in una presentazione popolare. Ho imparato molte cose nuove in forma condensata. Grazie mille!

La seconda parte dell'articolo è dedicata ai modi per vedere cosa c'è oltre l'orizzonte.
Dopo aver letto i commenti, ho deciso di parlare più in dettaglio delle comunicazioni VSD e dei radar basati sui principi del "raggio celeste"; i radar che funzionano secondo i principi del "raggio terrestre" saranno nel prossimo articolo, se avrò parlane poi ne parlerò in sequenza.

Radar oltre l’orizzonte, il tentativo di un ingegnere di spiegare il complesso in termini semplici. (seconda parte) "Picchio russo", "Zeus" e "Antey".

INVECE DI UNA PREFAZIONE

Nella prima parte dell’articolo ho spiegato le nozioni di base necessarie alla comprensione. Pertanto, se all'improvviso qualcosa diventa poco chiaro, leggilo, impara qualcosa di nuovo o aggiorna qualcosa di dimenticato. In questa parte ho deciso di passare dalla teoria ai dettagli e raccontare la storia basandomi su esempi reali. Ad esempio, per evitare imbottiture, disinformazione e incitamento alle scoregge degli analisti da poltrona, utilizzerò sistemi che sono in funzione da molto tempo e non sono segreti. Poiché questa non è la mia specializzazione, vi racconto quello che ho imparato quando ero studente dagli insegnanti della materia "Fondamenti di radiolocalizzazione e radionavigazione" e quello che ho trovato da varie fonti su Internet. I compagni sono esperti in questo argomento, se trovi un'inesattezza, le critiche costruttive sono sempre benvenute.

"PIcchio russo" detto anche "ARCO"

"DUGA" è il primo radar oltre l'orizzonte dell'Unione (da non confondere con i radar oltre l'orizzonte) progettato per rilevare il lancio di missili balistici. Sono note tre stazioni di questa serie: installazione sperimentale “DUGA-N” vicino a Nikolaev, “DUGA-1” nel villaggio di Chernobyl-2, “DUGA-2” nel villaggio di Bolshaya Kartel vicino a Komsomolsk-on-Amur. Al momento, tutte e tre le stazioni sono state disattivate, le loro apparecchiature elettroniche sono state smantellate e anche i sistemi di antenne sono stati smantellati, ad eccezione della stazione situata a Chernobyl. Il campo dell'antenna della stazione DUGA è una delle strutture più evidenti nella zona di esclusione dopo la costruzione della stessa centrale nucleare di Chernobyl.

Campo dell'antenna "ARC" a Chernobyl, anche se assomiglia più a un muro)

La stazione operava nella gamma HF alle frequenze di 5-28 MHz. Tieni presente che la foto mostra, grosso modo, due muri. Poiché era impossibile creare un'antenna a banda sufficientemente larga, si è deciso di dividere il raggio d'azione in due antenne, ciascuna progettata per la propria banda di frequenza. Le antenne stesse non sono un'unica antenna solida, ma sono costituite da molte antenne relativamente piccole. Questo progetto è chiamato Antenna Phased Array (PAR). Nella foto sotto c'è un segmento di tale PAR:

Ecco come si presenta un segmento dei FARI "ARC", senza strutture di supporto.

Disposizione dei singoli elementi sulla struttura portante

Qualche parola su cosa è PAR. Alcuni mi hanno chiesto di descrivere cos'è e come funziona, stavo già pensando di iniziare, ma sono giunto alla conclusione che avrei dovuto farlo sotto forma di un articolo a parte, dato che ho bisogno di raccontare molta teoria per la comprensione, quindi in futuro ci sarà un articolo sull'array a fasi. E in poche parole: il Phased Array ti permette di ricevere le onde radio che arrivano da una certa direzione e di filtrare tutto ciò che proviene da altre direzioni, e puoi cambiare la direzione di ricezione senza cambiare la posizione del Phased Array nello spazio. Ciò che è interessante è che queste due antenne, nelle fotografie dall'alto, stanno ricevendo, cioè non potrebbero trasmettere (irradiare) nulla nello spazio. C'è un'opinione errata secondo cui l'emettitore dell '"ARC" era il vicino complesso "CIRCLE", ma non è così. Il VNZ "KRUG" (da non confondere con il sistema di difesa aerea KRUG) era destinato ad altri scopi, sebbene funzionasse in tandem con l'"ARC", ne parleremo più avanti. L'emettitore dell'arco si trovava a 60 km da Chernobyl-2 vicino alla città di Lyubech (regione di Chernigov). Sfortunatamente, non sono riuscito a trovare più di una fotografia affidabile di questo oggetto, c'è solo una descrizione verbale: "Anche le antenne trasmittenti erano costruite secondo il principio di un array di antenne a fasi ed erano più piccole e più basse, la loro altezza era di 85 metri". Se qualcuno improvvisamente avesse delle fotografie di questa struttura, gli sarei molto grato. Il sistema di ricezione del sistema di difesa aerea "DUGA" ha consumato circa 10 MW, ma non posso dire quanto ha consumato il trasmettitore perché i numeri sono molto diversi a seconda delle fonti, ma posso dire subito che la potenza di un impulso non era inferiore a 160 MW. Vorrei attirare la vostra attenzione sul fatto che l'emettitore era pulsato, e sono stati proprio questi impulsi che gli americani hanno sentito in onda a dare alla stazione il nome "Woodpecker". L'uso degli impulsi è necessario affinché con il loro aiuto sia possibile ottenere una potenza irradiata maggiore rispetto al consumo energetico costante dell'emettitore. Ciò si ottiene immagazzinando energia nel periodo tra gli impulsi ed emettendo questa energia sotto forma di impulso a breve termine. Tipicamente, il tempo tra gli impulsi è almeno dieci volte più lungo del tempo dell'impulso stesso. È questo colossale consumo di energia che spiega la costruzione della stazione in relativa prossimità alla centrale nucleare, la fonte di energia. Così suonava il "picchio russo" alla radio americana. Per quanto riguarda le capacità dell'ARC, le stazioni di questo tipo potevano rilevare solo un massiccio lancio di razzi durante il quale si formavano un gran numero di torce di gas ionizzato dai motori a razzo. Ho trovato questa immagine con i settori di visualizzazione di tre stazioni di tipo “DUGA”:

Questa immagine è corretta in parte perché mostra solo le direzioni di visualizzazione e i settori di visualizzazione stessi non sono contrassegnati correttamente. A seconda dello stato della ionosfera, l'angolo di visione era di circa 50-75 gradi, sebbene nell'immagine sia mostrato un massimo di 30 gradi. Il raggio di osservazione dipendeva ancora dallo stato della ionosfera e non era inferiore a 3mila km, e nel migliore dei casi era possibile vedere i lanci proprio oltre l'equatore. Da ciò si potrebbe concludere che le stazioni hanno scansionato l'intero territorio del Nord America, dell'Artico e delle parti settentrionali degli oceani Atlantico e Pacifico, in una parola, quasi tutte le possibili aree per il lancio di missili balistici.

VNZ "CERCHIO"

Per il corretto funzionamento del radar di difesa aerea e la determinazione del percorso ottimale del raggio sonoro, è necessario disporre di dati accurati sullo stato della ionosfera. Per ottenere questi dati è stata progettata la stazione “CIRCLE” per il Reverse Oblique Sounding (ROS) della ionosfera. La stazione era costituita da due anelli di antenne simili a HEADLIGHTS "ARC" posizionati solo verticalmente, c'erano un totale di 240 antenne, ciascuna alta 12 metri, e un'antenna si trovava su un edificio a un piano al centro dei cerchi.

VNZ "CERCHIO"

A differenza di "ARC", il ricevitore e il trasmettitore si trovano nello stesso posto. Il compito di questo complesso era quello di determinare costantemente le lunghezze d'onda che si propagano nell'atmosfera con la minima attenuazione, la portata della loro propagazione e gli angoli con cui le onde si riflettono dalla ionosfera. Utilizzando questi parametri, è stato calcolato il percorso del raggio verso il bersaglio e ritorno e il Phased Array ricevente è stato configurato in modo tale da ricevere solo il suo segnale riflesso. In parole semplici, è stato calcolato l'angolo di arrivo del segnale riflesso e in questa direzione è stata creata la massima sensibilità del Phased Array.

MODERNI sistemi di difesa aerea "DON-2N" "DARYAL", "VOLGA", "VORONEZH"

Queste stazioni sono ancora in allerta (ad eccezione di Daryal), ci sono pochissime informazioni affidabili su di loro, quindi delineerò superficialmente le loro capacità. A differenza di "DUGI", queste stazioni possono registrare singoli lanci di missili e persino rilevare missili da crociera che volano a velocità molto basse. In generale, il design non è cambiato; si tratta degli stessi array di fasi utilizzati per ricevere e trasmettere segnali. I segnali utilizzati sono cambiati, sono gli stessi pulsati, ma ora sono distribuiti uniformemente sulla banda di frequenza di lavoro; in parole povere non si tratta più del colpo di un picchio, ma di un rumore uniforme, difficilmente distinguibile dagli altri rumori senza conoscere la struttura originale del segnale. Anche le frequenze sono cambiate; se l'arco funzionava nella gamma HF, allora "Daryal" è in grado di funzionare in HF, VHF e UHF. I bersagli ora possono essere identificati non solo dal gas di scarico ma anche dalla carcassa stessa del bersaglio; ho già parlato dei principi di rilevamento dei bersagli sullo sfondo del terreno nell'articolo precedente.

COMUNICAZIONE RADIO VHF LUNGA LUNGA

Nello scorso articolo ho parlato brevemente delle onde chilometriche. Forse in futuro farò un articolo su questo tipo di comunicazioni, ma ora ve lo racconto brevemente usando l’esempio di due trasmettitori ZEUS e del 43° centro comunicazioni della Marina russa. Il titolo SDV è puramente simbolico, poiché queste lunghezze non rientrano nelle classificazioni generalmente accettate e i sistemi che le utilizzano sono rari. ZEUS utilizza onde con una lunghezza di 3656 km e una frequenza di 82 hertz. Per la radiazione viene utilizzato uno speciale sistema di antenne. Viene trovato un pezzo di terra con la più bassa conduttività possibile e vi vengono inseriti due elettrodi a una distanza di 60 km fino a una profondità di 2-3 km. Per la radiazione, agli elettrodi viene applicata una tensione ad alta tensione con una determinata frequenza (82 Hz), poiché la resistenza della roccia terrestre tra gli elettrodi è estremamente elevata, la corrente elettrica deve attraversare gli strati più profondi della terra, trasformandoli così in un'enorme antenna. Durante il funzionamento, Zeus consuma 30 MW, ma la potenza emessa non supera i 5 Watt. Tuttavia, questi 5 Watt sono completamente sufficienti affinché il segnale viaggi completamente attraverso l'intero globo, l'opera di Zeus è registrata anche in Antartide, sebbene essa stessa si trovi nella penisola di Kola. Se aderisci ai vecchi standard sovietici, "Zeus" funziona nella gamma ELF (frequenza estremamente bassa). La particolarità di questo tipo di comunicazione è che è unidirezionale, quindi il suo scopo è trasmettere brevi segnali condizionali, dopo aver ascoltato i quali i sottomarini galleggiano a una profondità ridotta per comunicare con il centro di comando o rilasciare una boa radio. È interessante notare che Zeus è rimasto segreto fino agli anni '90, quando gli scienziati dell'Università di Stanford (California) hanno pubblicato una serie di dichiarazioni interessanti riguardanti la ricerca nel campo della radioingegneria e della trasmissione radio. Gli americani hanno assistito a un fenomeno insolito: le apparecchiature radio scientifiche situate in tutti i continenti della Terra registrano regolarmente, allo stesso tempo, strani segnali ripetuti a una frequenza di 82 Hz. La velocità di trasmissione per sessione è di tre cifre ogni 5-15 minuti. I segnali provengono direttamente dalla crosta terrestre: i ricercatori hanno una sensazione mistica, come se fosse il pianeta stesso a parlare con loro. Il misticismo è la caratteristica degli oscurantisti medievali e gli yankee avanzati si resero immediatamente conto di avere a che fare con un incredibile trasmettitore ELF situato da qualche parte dall'altra parte della Terra. Dove? È chiaro dove: in Russia. Sembra che questi pazzi russi abbiano cortocircuitato l'intero pianeta, usandolo come un'antenna gigante per trasmettere messaggi criptati.

Il 43esimo centro di comunicazione della Marina russa presenta un tipo leggermente diverso di trasmettitore a onde lunghe (stazione radio "Antey", RJH69). La stazione si trova vicino alla città di Vileika, nella regione di Minsk, nella Repubblica di Bielorussia, il campo dell'antenna copre un'area di 6,5 chilometri quadrati. Si compone di 15 alberi con un'altezza di 270 metri e tre alberi con un'altezza di 305 metri, tra gli alberi sono tesi elementi del campo dell'antenna, il cui peso totale è di circa 900 tonnellate. Il campo dell'antenna si trova sopra le zone umide, il che offre buone condizioni per la radiazione del segnale. Io stesso sono stato vicino a questa stazione e posso dire che solo parole e immagini non riescono a trasmettere le dimensioni e le sensazioni che questo gigante evoca nella realtà.

Ecco come appare il campo dell'antenna sulle mappe di Google; sono chiaramente visibili le radure su cui si estendono gli elementi principali.

Vista da uno degli alberi dell'Antea

La potenza di "Antey" è di almeno 1 MW, a differenza dei trasmettitori radar per la difesa aerea, non è pulsato, cioè durante il funzionamento emette lo stesso mega watt o più, per tutto il tempo in cui funziona. L'esatta velocità di trasmissione delle informazioni non è nota, ma se tracciamo un'analogia con il Goliath catturato dai tedeschi, non è inferiore a 300 bps. A differenza dello Zeus, la comunicazione è già bidirezionale; i sottomarini per la comunicazione utilizzano antenne a filo trainate per molti chilometri o speciali boe radio che vengono rilasciate dal sottomarino da grandi profondità. Per la comunicazione viene utilizzata la gamma VLF; la portata di comunicazione copre l'intero emisfero settentrionale. I vantaggi della comunicazione VHF sono che è difficile disturbarla con interferenze e può funzionare anche in condizioni di esplosione nucleare e dopo di essa, mentre i sistemi a frequenza più alta non possono stabilire la comunicazione a causa dell'interferenza nell'atmosfera dopo l'esplosione. Oltre alla comunicazione con i sottomarini, "Antey" viene utilizzato per la ricognizione radio e per la trasmissione di segnali orari precisi del sistema "Beta".

INVECE DI UNA POSTERIORE

Questo non è l'ultimo articolo sui principi per guardare oltre l'orizzonte, ce ne saranno altri, in questo, su richiesta dei lettori, mi sono concentrato sui sistemi reali invece che sulla teoria.. Mi scuso anche per il ritardo nella pubblicazione, Non sono un blogger né un residente di Internet, ho un lavoro che amo e che periodicamente mi “ama” moltissimo, quindi scrivo articoli di tanto in tanto. Spero che sia stato interessante da leggere, perché sono ancora in modalità di prova e non ho ancora deciso in che stile scrivere. Le critiche costruttive sono benvenute come sempre. Ebbene, soprattutto per i filologi, un aneddoto alla fine:

Insegnante Matan sui filologi:
-...Sputa in faccia a chi dice che i filologi sono tenere viole dagli occhi scintillanti! Ti prego! Si tratta infatti di tipi cupi, biliosi, pronti a strappare la lingua al loro interlocutore per frasi del tipo “paga l'acqua”, “è il mio compleanno”, “ho un buco nel cappotto”...
Voce dal fondo:
- Cosa c'è che non va in queste frasi?
L'insegnante si aggiustò gli occhiali:
"E sul tuo cadavere, giovanotto, salterebbero anche."

Il modello di utilità si riferisce alla tecnologia delle antenne a microonde e può essere utilizzato nei sistemi radioelettronici come antenna attiva a schiera, in particolare nei localizzatori aerei e navali e nei sistemi di contromisure radio.

Il risultato tecnico è quello di aumentare l'affidabilità del controllo del fascio attraverso l'uso di un riflettore al plasma.

L'essenza del modello di utilità è che l'antenna è realizzata sotto forma di una bobina di Helmholtz costituita da una camera a vuoto, un irradiatore, un catodo lineare e un anodo, mentre uno strato di plasma viene applicato alla bobina da cui viene trasmesso il segnale riflesso. Ill.1.

Tra gli ultimi sviluppi nel campo della creazione di array a fasi, realizzati nei paesi dell'UE, c'è un radar multifunzionale con array a fasi, progettato per l'installazione su una nave. Il radar sul trasmettitore TWT opera nelle lunghezze d'onda della banda C. Il raggio di rilevamento del bersaglio raggiunge i 180 km. L'array di antenne ruota in azimut velocemente. 60 giri al minuto Il controllo di fase della trave viene eseguito nel piano di elevazione.

È noto un sistema di antenne fasate per ricetrasmettitori spaziali. Brevetto 2287876 Russia, MPK H01Q 3/36, 2006. L'array è realizzato sotto forma di matrice e contiene un mixer principale, al quale vengono forniti i segnali delle frequenze master f e f, i segnali di uscita delle frequenze di servizio f 1 =f e f 2 =f-f attraverso i corrispondenti sfasatori vengono forniti rispettivamente alle righe e alle colonne della matrice; nei punti di intersezione delle righe e delle colonne della matrice si trovano i mixer, l'uscita di ciascuno dei quali è collegata al corrispondente circolatore collegato tramite il corrispondente amplificatore ricevente.

È anche nota un'antenna a schiera di fase passiva-attiva per la gamma delle microonde. Brevetto RF 2299502, 2006 (prototipo). L'array è composto da n elementi radianti, n moduli trasmittenti-ricevitori (RTM) e un sistema di distribuzione, mentre il TRP comprende m TPM attivi, ciascuno dei quali contiene un amplificatore di potenza del canale trasmittente, amplificatori a basso rumore del canale ricevente, sfasatori e un circuito di controllo e monitoraggio, e (nm) PPM passivi, ciascuno dei quali contiene uno sfasatore e un circuito di controllo dello sfasatore.

Gli svantaggi sia dell'analogo che del prototipo sono la bassa affidabilità del sistema di controllo del raggio, le grandi dimensioni, nonché la bassa precisione e velocità di installazione del raggio.

Lo scopo del modello di utilità è migliorare l'affidabilità del controllo del fascio attraverso l'uso di un riflettore al plasma.

Questo obiettivo è raggiunto dal fatto che l'array di antenne in fase della gamma delle microonde, contenente elementi di emissione e trasmissione, amplificatori di potenza dei canali di trasmissione e ricezione, nonché un circuito di controllo dello sfasatore, è realizzato sotto forma di una bobina di Helmholtz costituito da una camera a vuoto, un irradiatore, un catodo lineare e un anodo, con In questo caso uno strato di plasma viene applicato alla bobina da cui viene riflesso il fascio di scansione degli elettroni, e lo strato di plasma viene creato in una camera a vuoto durante una scarica di gas tra la piastra anodica e il catodo lineare, che è una linea di elementi di un certo indirizzo sulla griglia a due coordinate del catodo.

Nella FIG. Viene mostrato lo schema funzionale di un'antenna con scansione elettronica del raggio.

Contiene:

1 - camera a vuoto;

2 - strato di plasma;

3 - irradiatore;

4 - Bobina di Helmholtz;

5 - catodo lineare;

6 - segnale riflesso;

In tale antenna, il controllo elettronico del raggio viene effettuato utilizzando un riflettore al plasma.

Il plasma con densità sufficiente ha la capacità di riflettere l'energia elettromagnetica. Inoltre, maggiore è la frequenza di irradiazione, maggiore è la densità del plasma.

Lo strato di plasma 2 viene creato nella camera a vuoto 1 durante una scarica di gas tra la piastra anodica 7 e il catodo lineare 5, che è una linea di elementi di un determinato indirizzo sulla griglia a due coordinate del catodo. Modificando la posizione del catodo lineare 5, è possibile ruotare lo strato di plasma 2 e quindi scansionare il raggio riflesso 6 in azimut. Il raggio viene scansionato in elevazione modificando l'inclinazione del riflettore al plasma regolando il campo magnetico delle bobine di Helmholtz. Questi ultimi sono posizionati attorno al riflettore in modo da non bloccare il segnale delle microonde. La posizione del catodo lineare 5 e il valore dell'induzione magnetica sono controllati da un sistema di controllo (computer).

Secondo i calcoli, la precisione dell'installazione della trave in una determinata direzione è di 1-2°. Il tempo di riorientamento del raggio è di circa 10 μs.

Per formare lo strato di plasma 2 nella camera 1 è sufficiente mantenere un vuoto di circa 15 Pa. L'induzione magnetica dovrebbe essere di circa 0,02 Tesla, la corrente dovrebbe essere di circa 2 A e la tensione dovrebbe essere di 20 kV. La dimensione del riflettore è di circa 50×50×1 cm, il livello dei lobi laterali è di 20 dB.

Tra i vantaggi dell'antenna proposta c'è la possibilità di installare il raggio in modo rapido e preciso, che consente di eseguire contemporaneamente operazioni di ricerca e tracciamento per un gruppo di bersagli, nonché di formare diversi schemi di radiazione. Inoltre, tale antenna ha un'ampia banda di frequenza, per cui lo stesso riflettore al plasma può essere utilizzato con alimentazioni diverse. La portata dell'antenna proposta va da 5 a 50 GHz. A differenza delle antenne riflettenti convenzionali, che aumentano significativamente l'area di diffusione effettiva del localizzatore quando irradiate da mezzi di ricognizione radio di un potenziale nemico, questo parametro in un'antenna al plasma è piccolo. Anche la radiazione termica proveniente dall'antenna è piccola, poiché l'energia termica è concentrata all'interno del plasma e non viene irradiata verso l'esterno.

Un'antenna a schiera di fase per la gamma delle microonde, contenente elementi di emissione e trasmissione, amplificatori di potenza dei canali di trasmissione e ricezione, nonché un circuito di controllo dello sfasatore, caratterizzato dal fatto che l'antenna è realizzata sotto forma di una bobina di Helmholtz, costituita da una camera a vuoto, un irradiatore, un catodo lineare e un anodo, con In questo caso, uno strato di plasma viene applicato alla bobina, da cui viene riflesso il fascio di scansione degli elettroni, e lo strato di plasma viene creato in una camera a vuoto durante un scarica di gas tra la piastra anodica e il catodo lineare, che è una linea di elementi di un certo indirizzo sulla griglia a due coordinate del catodo.

Brevetti simili:

Un amplificatore di potenza del segnale a microonde appartiene al campo dell'ingegneria elettrica e viene utilizzato per aumentare la portata della trasmissione delle informazioni e migliorare il funzionamento delle apparecchiature radio di un veicolo aereo senza pilota (UAV). Una caratteristica distintiva del dispositivo è la capacità di ridurre la dispersione di fase e ampiezza durante la trasmissione di informazioni e di mantenere caratteristiche tecniche stabili nella gamma delle microonde.

L'invenzione si riferisce al campo della radioingegneria, in particolare alla tecnologia delle antenne e può essere utilizzata come sistema di antenna a banda larga con un diagramma di radiazione controllato per la fornitura di comunicazioni radio con onde ionosferiche nelle gamme HF e VHF. Lo scopo dell'invenzione è quello di sviluppare un sistema di antenna che, con una dimensione standard, garantisca il funzionamento di trasmettitori ad ampio raggio che richiedono un adattamento di alta qualità con l'antenna. Un'antenna Phased Array (PAA) è costituita da elementi piatti identici, ciascuno dei quali è formato da una coppia di vibratori complanari ortogonali di lunghezza L con bracci triangolari 1 (il valore di L è pari alla lunghezza d'onda minima nel campo di funzionamento). L'elemento centrale e ad esso collegato tramite un cortocircuito. conduttori e 2 elementi periferici formano una coppia ortogonale di vibratori nella gamma a bassa frequenza. Tutti gli elementi periferici, compresi quelli inclusi nel vibratore a bassa frequenza, formano l'array di fase ad alta frequenza. L'eccitazione del sistema d'antenna è separata per i vibratori orizzontali (g-g") e (v-v"), ma è anche possibile combinarli per realizzare una radiazione polarizzata circolarmente. L'array a fasi fornisce il funzionamento in un intervallo di 40 volte con un livello BEV di almeno 0,5. 6 malato.

L'invenzione si riferisce al campo della radioingegneria, vale a dire alla tecnologia delle antenne e, in particolare, può essere utilizzata come sistema di antenne ricetrasmittenti sotterranee o striscianti per il funzionamento delle onde ionosferiche nelle gamme HF e VHF. Antenne sotterranee e di superficie conosciute delle gamme HF e VHF (Sosunov B.V. Filippov V.V. Fondamenti di calcolo delle antenne sotterranee. L. VAS, 1990). Le antenne analogiche sotterranee multisezione sono realizzate sotto forma di un gruppo di vibratori paralleli isolati in fase. Per aumentare il guadagno vengono utilizzati diversi gruppi di questo tipo, posizionati uno dopo l'altro e messi in fase di conseguenza. Gli svantaggi degli analoghi noti sono una gamma ristretta di frequenze operative a causa di improvvisi cambiamenti nell'impedenza di ingresso, un settore di scansione del raggio limitato e grandi dimensioni. Per garantire il funzionamento nell'intervallo richiesto e nelle direzioni indicate, è necessario disporre di diverse dimensioni standard. Quella più vicina nella sua essenza tecnica all'antenna a schiera di fase (PAR) rivendicata è la ben nota SGDP 3.6/4 RA PAR (Eisenberg G.Z. et al. Short-wave antenne. M. Radio and Communications, 1985, pp. 271-274 , Figura 13.11.). L'antenna prototipo è costituita da un gruppo di elementi piatti (PE) costituiti da conduttori metallici. Ogni PE è un radiatore a forma di vibratore simmetrico costituito da due bracci triangolari, le cui estremità esterne sono collegate da un cortocircuito. conduttori. Tutti gli elementi sono uniti da un percorso di alimentazione comune e formano un array in fase o in fase (se i dispositivi di fasatura sono inclusi nel percorso di alimentazione). Gli elementi sono posti complanari all'interno del rettangolo che limita l'apertura del Phased Array e sono sospesi verticalmente sui pali del Phased Array. Grazie all'utilizzo di elementi costituiti da emettitori con bracci triangolari, dispone di un'ampia gamma di frequenze di funzionamento e migliore abbinamento. Tuttavia, il prototipo presenta degli svantaggi. Il coefficiente di sovrapposizione del campo operativo (il rapporto tra la frequenza operativa massima e quella minima) del sistema di antenne SGDP 3.6/4 RA è 2,14, che è significativamente inferiore al valore di questo parametro per i trasmettitori moderni e non consente di adattare una dimensione utilizzato quando si forniscono comunicazioni su varie distanze. Il settore di controllo del diagramma di radiazione (DP) sul piano orizzontale, pari a 60 o, limita le capacità di questa antenna quando opera in una rete radio. Inoltre, l'antenna ha grandi dimensioni e bassa sicurezza e non fornisce un funzionamento indipendente con polarizzazione verticale e orizzontale o un'onda polarizzata circolarmente. L'obiettivo dell'invenzione è quello di creare un Phased Array a banda larga destinato all'uso come antenna di superficie o sotterranea delle gamme HF e VHF, fornendo il controllo del diagramma di radiazione nell'intero semispazio superiore riducendo al contempo le dimensioni della superficie radiante. Il compito è raggiunto dal fatto che in un Phased Array noto contenente un gruppo di PE, ciascuno dei quali include una coppia di emettitori triangolari installati complanarmente all'interno del rettangolo che limita l'apertura del Phased Array e collegati al percorso dell'alimentatore, un'ulteriore coppia di emettitori identici installati complanari ed ortogonali al primo. Tutti i PE si trovano orizzontalmente all'interno del mezzo semiconduttore o sulla sua superficie. Le estremità esterne degli emettitori triangolari appartenenti ai PE adiacenti tra loro sono collegate elettricamente. Le estremità esterne degli emettitori triangolari appartenenti ai PE periferici sono collegate lungo il perimetro dell'apertura Phased Array mediante ulteriori cortocircuiti. conduttori. Le estremità esterne degli emettitori triangolari, adiacenti su entrambi i lati alle grandi diagonali dell'array di fase, sono isolate elettricamente, e le estremità esterne dei rimanenti emettitori triangolari sono collegate da conduttori cortocircuitati. Il percorso di alimentazione del canale LF è collegato alle sommità degli emettitori triangolari del PE situati al centro del Phased Array. Le parti superiori degli emettitori triangolari dei restanti PE sono collegate al percorso di alimentazione del canale RF. Gli emettitori ortogonali in ciascun PE sono alimentati in modo indipendente, ovvero possono eccitarli separatamente con polarizzazione lineare o con uno spostamento di 90 o, ottenendo così una radiazione polarizzata circolarmente. Con tale schema di array a fasi, gli stessi elementi vengono utilizzati due volte per operare in entrambe le gamme LF e HF (con un coefficiente di sovrapposizione di 5,33 e 7,5, rispettivamente) con corrispondenza al livello BV di almeno 0,5. In generale, l'array a fasi proposto opera in un intervallo con una sovrapposizione di 40 volte. Inoltre, alla frequenza di risonanza, l'area della sua superficie emittente è 1,6 volte inferiore a quella del prototipo. Nella fig. 1 mostra una vista generale dell'array a fasi; nella fig. 2 elementi piani; nella fig. 3 PE a quattro e tre derivazioni; nella fig. Sistema a 4 alimentatori; nella fig. 5, 6 - risultati di studi sperimentali. L'array a fasi mostrato in Fig. 1, è costituito da N (ad esempio, viene preso N 9) PE identici. Una forma di realizzazione del PE è mostrata in Fig. 2. Ciascun PE è formato da una coppia ortogonale di vibratori piatti g-g" e b-c" di lunghezza 2L 1 con bracci a forma di triangoli equilateri 1. Le estremità adiacenti degli emettitori triangolari dei PE adiacenti sono collegate elettricamente (linee m-m") . Le estremità periferiche degli emettitori triangolari PE sono collegate in cortocircuito. conduttori 2 (Fig. 3), ad eccezione degli emettitori triangolari adiacenti su entrambi i lati alle grandi diagonali c-c" e p-p", cioè questi emettitori sono isolati elettricamente (Fig. 3). In questa condizione, il PE centrale cortocircuita. nientemeno che i conduttori (Fig. 2). Le estremità degli emettitori triangolari c-c" e d-g", situati sui bordi esterni del Phased Array, sono inoltre collegate dai conduttori 3 (in questo caso, ciascun conduttore 3 insieme a due conduttori forma un circuito chiuso, che può essere riempito con conduttori aggiuntivi o sostituiti con una solida piastra metallica delle stesse forme). Ogni PE ha dimensioni trasversali e longitudinali 2L= min (dove min è la lunghezza d'onda minima nel range operativo), ed in generale ilphased array è un quadrato con un lato . Il sistema di alimentazione a schiera di fasi mostrato in FIG. 4, è costituito da due gruppi identici che alimentano gli emettitori PE orizzontali z-g" e verticali v-v". Nella fig. La Figura 1 mostra un gruppo alimentatore di emettitori orizzontali. Comprende un alimentatore da 4 vibratori LF e (N-1) alimentatori da 5 vibratori HF. I gusci vaglianti 6 degli alimentatori 4, 5 sono collegati elettricamente alle sommità degli emettitori triangolari sinistri dei vibratori orizzontali, ed i conduttori centrali 7 di tali alimentatori sono collegati allo stesso modo agli emettitori triangolari destri. L'alimentatore 4 dell'elemento LF è collegato direttamente al trasmettitore (ricevitore). Gli alimentatori 5 degli elementi HF per garantire la messa in fase della schiera di antenne e l'interfaccia con l'uscita del trasmettitore sono collegati tramite linee di ritardo controllate (ULL) 8 e divisore di potenza 9 (quando l'accoppiatore funziona per la ricezione 1:8). Il dispositivo proposto funziona come segue. Quando la tensione di eccitazione viene applicata attraverso l'alimentatore 4 ai punti g-g" (per un vibratore verticale v-c"), la corrente da questi punti scorre lungo i bracci a forma rombica formati dagli emettitori triangolari 1 interconnessi del PE centrale e laterale, nonché come dai punti E ed E" attraverso i conduttori 2 fino ai punti H e H" degli emettitori triangolari ortogonali dei PE periferici, poi lungo essi in direzione trasversale fino ai punti K e K", da ciascuno dei quali partono coppie di conduttori 2 situato sul lato esterno del Phased Array (o delle piastre che li sostituiscono). Per il funzionamento del Phased Array della gamma HF, la potenza del trasmettitore nel divisore 9 viene divisa in 8 canali identici, in ciascuno dei quali viene creato lo sfasamento richiesto utilizzando l'ULZ 8, quindi il PE viene eccitato attraverso gli alimentatori 5. Quando la tensione di eccitazione viene applicata all'ingresso di uno dei vibratori (orizzontali o verticali) di ciascun PE, l'altro vibratore, insieme ai conduttori, forma un ponticello di cortocircuito che collega i capi dell'emettitore eccitato, ottenendo così un migliore adattamento nella parte bassa della portata. Gli studi sperimentali dell'array di fase proposto sono stati condotti su un prototipo progettato per funzionare nella gamma 1,5-60 MHz, realizzato in lamiera d'acciaio di 2 mm di spessore. Le dimensioni della planimetria sono 15 x 15 m2, il terreno è asciutto (=5, =0,001 S/m). Il sistema di alimentazione HF PAR era costituito da cavi coassiali RK-75-9-12 con una lunghezza di (140-0,1) m, l'eccitazione degli elementi LF è stata effettuata tramite cavi RK-75-17-12 con una lunghezza di ( 120-0,1) m. il circuito comprendeva un partitore di potenza del trasformatore 1:8 e una linea di ritardo controllata a 8 canali a 4 bit formata da spezzoni di cavo coassiale isolato in fluoroplastico con lunghezze di 0,66 m, 1,32 m, 2,64 m e 5,28 m . Il prodotto Fakel-N1 è stato utilizzato come dispositivo di trasmissione (intervallo di frequenza operativa 1,5-60 MHz, potenza fino a 4 kW). Durante la ricerca, sono state misurate le impedenze di ingresso degli elementi a bassa frequenza, degli elementi ad alta frequenza separatamente e come parte di un array a fasi, da cui sono stati calcolati i valori BEF e tali schemi di radiazione dinamica a varie frequenze. I valori di KBV, elemento a bassa frequenza, singolo elemento ad alta frequenza e array a fasi nel suo insieme, mostrati in Fig. 5, confermano l'elevata qualità dell'adattamento sull'intero intervallo operativo. I diagrammi di radiazione dinamica dell'array di fase nelle parti inferiore, media e superiore dell'intervallo sono mostrati in Fig. 6 (grafici a, b, c, rispettivamente). La linea continua mostra i modelli calcolati, le croci mostrano i risultati della misurazione. Si può vedere che, su tutto l'intervallo, l'array di fase garantisce la formazione di una radiazione massima in una data direzione.

Reclamo

Antenna a schiera di fasi contenente un gruppo di elementi piatti, ciascuno dei quali comprende una coppia di emettitori triangolari installati complanarmente all'interno di un rettangolo che delimita l'apertura della schiera di antenne a fasi e collegata al percorso di alimentazione, caratterizzata dal fatto che gli elementi piatti sono disposti orizzontalmente all'interno del mezzo semiconduttore o sulla sua superficie, in ciascun elemento piano è inserita una seconda coppia di emettitori identici, installata complanarmente ed ortogonalmente al primo, le estremità esterne degli emettitori triangolari appartenenti ad elementi piatti adiacenti sono collegate elettricamente, e le estremità esterne di gli emettitori triangolari appartenenti ad elementi piatti periferici sono collegati lungo il perimetro della schiera di antenne ad apertura di fase con conduttori aggiuntivi di cortocircuito e le estremità esterne degli emettitori triangolari adiacenti su entrambi i lati alle grandi diagonali della schiera di antenne in fase sono isolate elettricamente, e le estremità esterne dei restanti emettitori triangolari sono collegate da conduttori in cortocircuito, mentre il percorso di alimentazione del canale a bassa frequenza è collegato alle sommità degli emettitori triangolari dell'elemento piatto, situato al centro della schiera di antenne in fase e le parti superiori degli emettitori triangolari dei restanti elementi piatti sono collegate al percorso di alimentazione del canale ad alta frequenza e gli emettitori triangolari ortogonali in ciascun elemento piatto sono alimentati in modo indipendente.

Nella precedente pubblicazione /1/ abbiamo dimostrato che in condizioni in cui non è possibile sollevare l'antenna ad un'altezza significativa, le antenne con polarizzazione verticale e un piccolo angolo di radiazione hanno un vantaggio quando si conducono comunicazioni a lunga distanza: dipolo curvo verticale (Fig .1), Moxon verticale (fig.2)

Non menzioniamo qui deliberatamente le verticali con un sistema di contrappesi o radiali, poiché queste antenne sono molto scomode per il posizionamento nei cottage estivi o in condizioni di spedizione.

Il Moxon verticale (Fig. 2), sebbene sia una buona antenna direzionale con un piccolo angolo di radiazione, ha ancora un guadagno insufficiente rispetto ai “canali d'onda” o “quadrati” multielemento. Pertanto, naturalmente, abbiamo avuto il desiderio di provare un sistema a fasi di due Moxon verticali, simile a quello utilizzato dai radioamatori americani in una spedizione in Giamaica (lo chiamavano “2x2”) /2/.
La semplicità del suo design e il piccolo spazio richiesto per il suo posizionamento rendono il compito facilmente fattibile. L'esperimento è stato effettuato sulla banda dei 17 m (frequenza centrale 18.120 MHz), poiché per questa gamma disponevamo già di un Moxon verticale. Le sue caratteristiche calcolate (Fig. 3): guadagno 4,42 dBi, lobo posteriore soppresso di oltre 20 dB, radiazione massima con un angolo di 17 gradi, polarizzazione verticale quasi pura della radiazione. E questo con l'altezza del bordo inferiore dell'antenna a soli 2 m dal suolo reale.
Per ciascuna delle antenne avrete bisogno di un palo dielettrico alto 8 - 10 m (o un albero di altezza adeguata) e due (preferibilmente tre) distanziatori dielettrici lunghi 2,2 m (si possono usare doghe di legno). Elementi: da qualsiasi filo di rame, 1-3 mm di diametro, nudo o isolato.
Durante l'esperimento, come palo è stato utilizzato un set di tubi in fibra di vetro di RQuad con un'altezza totale di 10 m e come distanziatori sono stati utilizzati tubi dell'acqua in plastica con un diametro di 20 mm. Gli elementi sono realizzati in filo di arvicola. I ragazzi sono realizzati con cavo in polipropilene da 3 mm. Il risultato è il disegno mostrato in Fig. 4.

Fig.3. Caratteristiche di progetto dell'antenna verticale Moxon.

Il filo viene fatto passare attraverso i fori vicino alle estremità dei distanziatori e fissato ad essi utilizzando nastro isolante o fascette di plastica. Per evitare che i distanziatori si pieghino sotto il peso dell'antenna, le loro estremità sono allungate con una lenza. Per mantenere la rettilineità dell'elemento attivo, che viene disturbata dal peso del cavo, è possibile utilizzare un terzo distanziatore a livello del centro degli elementi, facendo passare il filo del regista attraverso il foro praticato in esso e fissando i punti di connessione dell'elemento attivo al cavo su di esso. Il cavo corre lungo la crocetta fino all'albero e poi giù lungo l'albero. Il cavo è dotato di tubi in ferrite ogni 2 m, eliminando l'influenza della sua treccia sulle caratteristiche dell'antenna e allo stesso tempo bilanciando le correnti di alimentazione. L'antenna si solleva facilmente su un palo preinstallato con un rullo sulla parte superiore utilizzando un cavo di nylon.
Le caratteristiche di una pila orizzontale di due di tali antenne, calcolate utilizzando il programma MMANA, sono mostrate in Fig. 5. Le migliori caratteristiche di amplificazione e soppressione del lobo posteriore sono state ottenute con una distanza tra le antenne di 0,7 lunghezze d'onda, cioè 11,6 m Questa antenna può essere chiamata "2×MOXON".

Fig.5. Schema di radiazione di un array a fasi di due antenne Moxon verticali.

Il circuito di somma è classico: poiché ciascuna antenna ha un'impedenza di ingresso di 50 Ohm, vengono utilizzati cavi di alimentazione con resistenza di 75 Ohm, lunghi ¾ di lunghezza d'onda, tenendo conto del fattore di accorciamento del cavo. Alle estremità dei cavi la resistenza dell'antenna si trasforma in 100 ohm. Pertanto possono essere collegati in parallelo utilizzando un raccordo a T, seguito da un cavo di alimentazione da 50 Ohm di qualsiasi lunghezza. La lunghezza dei cavi trasformatori è stata scelta pari a ¾ di lunghezza d'onda, poiché ad una lunghezza di ¼ di lunghezza d'onda la loro lunghezza non è sufficiente a coprire la distanza tra le antenne.
Ci sono volute circa due ore per realizzare la seconda copia di questa antenna. I pali sono stati installati con una distanza di 11,6 m (la larghezza del cottage estivo era sufficiente).
Ciascuna antenna è stata sintonizzata separatamente, collegandole tramite un cavo a mezza lunghezza d'onda (tenendo conto dell'accorciamento) e tagliando le estremità delle parti piegate inferiori degli elementi. Per evitare errori di configurazione è necessario prestare particolare attenzione alla soppressione delle correnti di modo comune nei cavi di potenza mediante induttanze poste sul cavo. Abbiamo dovuto utilizzare fino a 10 pezzi. di filtri in ferrite a scatto distribuiti lungo la lunghezza del cavo da 75 ohm prima che i risultati si stabilizzassero. Queste induttanze devono trovarsi anche su cavi trasformatori collegati da un raccordo a T. Non è necessario mettere delle induttanze sul cavo da 50 Ohm che collega il raccordo a T al ricetrasmettitore. In assenza di ferriti, le strozzature possono essere sostituite con più spire di cavo assemblate in una bobina del diametro di 15-20 cm, posizionandole in prossimità dei punti di alimentazione dell'antenna e in prossimità del tee. Per migliorare le prestazioni delle antenne, quasi tutta la lunghezza libera dei cavi trasformatori può essere assemblata in bobine d'arresto.
Dopo aver collegato due Moxon verticali in un array, la frequenza di risonanza aumenta di circa 500 kHz e l'SWR alla frequenza centrale diventa pari a 1,4.
È impossibile correggere la risonanza del sistema regolando i Moxon, perché in questo caso lo schema direzionale crolla. Il modo più semplice per abbinare il sistema è collegare bobine con un'induttanza di 0,2 μH in serie con gli ingressi di entrambe le antenne, oppure un condensatore da 400-550 pF (selezionare il valore per l'SWR minimo alla frequenza centrale) in serie con l'ingresso del tee sul lato alimentatore da 50 Ohm. In questo caso, la banda in base al livello SWR< 1,2 получается около 200 кГц (рис.6).

Fig.6. SWR dall'ingresso dopo la regolazione utilizzando induttori da 0,2 µH.

Parametri calcolati ad un'altezza del bordo inferiore delle antenne 2 m sopra il terreno reale:
Guadagno 8,58 dBi (6,43 dBd),
Angolo di elevazione 17 gradi,
Soppressione del lobo posteriore >25 dB,
SWR nel campo operativo< 1,2.
La presenza dei lobi laterali con una soppressione di 10 dB rispetto a quello principale non è a nostro avviso uno svantaggio, perché consente di ascoltare le stazioni al di fuori del fascio abbagliante stretto senza girare l'antenna.
Non siamo a conoscenza di altri progetti di antenne che abbiano parametri così elevati con una tale semplicità di progettazione.
Naturalmente, questo Phased Array è stazionario e dovrebbe essere installato nella direzione del DX più interessante (ad ovest, per esempio). Quindi girare il suo diagramma verso est non sarà difficile: per fare ciò è necessario abbassare le antenne, ruotarle di 180 gradi e rialzarle sugli alberi. Per noi questa operazione non ha richiesto più di cinque minuti dopo un po' di addestramento.
Una foto dell'antenna sperimentale è mostrata in Fig. 7.

Fig.7. Vista di un array a fasi di due Moxon verticali.

Vladislav Shcherbakov, (RU3ARJ)
Sergey Filippov, (RW3ACQ)
Yuri Zolotov, (UA3HR)

Letteratura:

1. Vladislav Shcherbakov RU3ARJ, Sergey Filippov RW3ACQ. Le antenne verticali simmetriche sono la soluzione ottimale per le comunicazioni DX in condizioni di campo e nazionali. Materiali del Forum del Festival “Domodedovo 2007”.

2. Spedizione K5K Kingman Reef DX.
www.force12inc.com/k5kinfo.htm

informazioni - http://cqmrk.ru