Matriz en fase

Conjunto de antenas que crean un haz orientable

Animación que muestra cómo funciona un arreglo en fase. Consiste en un arreglo de elementos de antena (A) alimentados por un transmisor (TX) . La corriente de alimentación para cada elemento pasa a través de un desfasador (φ) controlado por una computadora (C) . Las líneas rojas móviles muestran los frentes de onda de las ondas de radio emitidas por cada elemento. Los frentes de onda individuales son esféricos, pero se combinan ( superponen ) frente a la antena para crear una onda plana . Los desfasadores retrasan progresivamente las ondas de radio que suben por la línea, de modo que cada antena emite su frente de onda más tarde que la que está debajo. Esto hace que la onda plana resultante se dirija en un ángulo θ con respecto al eje de la antena. Al cambiar los desfases, la computadora puede cambiar instantáneamente el ángulo θ del haz. La mayoría de los arreglos en fase tienen arreglos de antenas bidimensionales en lugar del arreglo lineal que se muestra aquí, y el haz se puede dirigir en dos dimensiones. La velocidad de las ondas de radio que se muestran se ha reducido.

Animación que muestra el patrón de radiación de un conjunto en fase de 15 elementos de antena separados por un cuarto de longitud de onda a medida que la diferencia de fase entre antenas adyacentes se desplaza entre −120 y 120 grados. El área oscura es el haz o lóbulo principal , mientras que las líneas de luz que se despliegan a su alrededor son los lóbulos laterales .

En teoría de antenas , un arreglo en fase generalmente significa un arreglo escaneado electrónicamente , un arreglo de antenas controlado por computadora que crea un haz de ondas de radio que se puede dirigir electrónicamente para apuntar en diferentes direcciones sin mover las antenas. ^{[1] [ 2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [ citas excesivas ]} La teoría general de un arreglo en fase electromagnético también encuentra aplicaciones en aplicaciones de imágenes médicas y ultrasónicas (ultrasonidos de arreglo en fase ) y en óptica (arreglo en fase óptico ) .

En una antena de matriz simple , la corriente de radiofrecuencia del transmisor se alimenta a múltiples elementos de antena individuales con la relación de fase adecuada para que las ondas de radio de los elementos separados se combinen ( superpongan ) para formar haces, para aumentar la potencia radiada en direcciones deseadas y suprimir la radiación en direcciones no deseadas. En una matriz en fase, la potencia del transmisor se alimenta a los elementos radiantes a través de dispositivos llamados desfasadores , controlados por un sistema informático, que puede alterar la fase o el retraso de la señal electrónicamente, dirigiendo así el haz de ondas de radio en una dirección diferente. Dado que el tamaño de una matriz de antenas debe extenderse muchas longitudes de onda para lograr la alta ganancia necesaria para un ancho de haz estrecho, las matrices en fase son principalmente prácticas en el extremo de alta frecuencia del espectro de radio, en las bandas UHF y de microondas , en las que las longitudes de onda operativas son convenientemente pequeñas.

Los sistemas de antenas en fase se concibieron originalmente para su uso en sistemas de radar militares , para dirigir un haz de ondas de radio rápidamente a través del cielo para detectar aviones y misiles. Estos sistemas ahora se utilizan ampliamente y se han extendido a aplicaciones civiles como 5G MIMO para teléfonos celulares. El principio de antenas en fase también se utiliza en acústica , y las antenas en fase de transductores acústicos se utilizan en escáneres de imágenes por ultrasonidos médicos ( ultrasónica de antena en fase ), prospección de petróleo y gas ( sismología de reflexión ) y sistemas de sonares militares.

El término "arreglo en fase" también se utiliza en menor medida para antenas de arreglo no orientado en las que la fase de la potencia de alimentación y, por lo tanto, el patrón de radiación del arreglo de antenas es fijo. ^{[8] [11]} Por ejemplo, las antenas de radiodifusión AM que consisten en múltiples radiadores de mástil alimentados de manera de crear un patrón de radiación específico también se denominan "arreglos en fase".

Tipos

Los arreglos en fase adoptan múltiples formas. Sin embargo, las cuatro más comunes son el arreglo pasivo de barrido electrónico (PESA), el arreglo activo de barrido electrónico (AESA), el arreglo híbrido de formación de haz en fase y el arreglo de formación de haz digital (DBF). ^[12]

Un sistema de matriz en fase pasiva o un sistema de matriz escaneada electrónicamente pasiva (PESA) es un sistema de matriz en fase en el que los elementos de antena están conectados a un único transmisor y/o receptor , como se muestra en la primera animación de la parte superior. Los PESA son el tipo más común de sistema de matriz en fase. En términos generales, un PESA utiliza un receptor/excitador para todo el sistema.

Un arreglo en fase activo o un arreglo escaneado electrónicamente activo (AESA) es un arreglo en fase en el que cada elemento de antena tiene un módulo transmisor/receptor (T/R) analógico ^[13] que crea el desplazamiento de fase necesario para dirigir electrónicamente el haz de la antena. Los arreglos activos son una tecnología de arreglo en fase de segunda generación más avanzada que se utiliza en aplicaciones militares; a diferencia de los PESA, pueden radiar varios haces de ondas de radio en múltiples frecuencias en diferentes direcciones simultáneamente. Sin embargo, el número de haces simultáneos está limitado por razones prácticas de empaquetamiento electrónico de los formadores de haz a aproximadamente tres haces simultáneos para un AESA. Cada formador de haz tiene un receptor/excitador conectado a él.

Un sistema híbrido de formación de haces en fase puede considerarse una combinación de un AESA y un sistema digital de formación de haces en fase. Utiliza submatrices que son matrices en fase activas (por ejemplo, una submatriz puede tener 64, 128 o 256 elementos y la cantidad de elementos depende de los requisitos del sistema). Las submatrices se combinan para formar la matriz completa. Cada submatriz tiene su propio receptor/excitador digital. Este enfoque permite crear grupos de haces simultáneos.

Un sistema de formación de haces digitales (DBF) en fase tiene un receptor/excitador digital en cada elemento del sistema. La señal en cada elemento es digitalizada por el receptor/excitador. Esto significa que los haces de antena se pueden formar digitalmente en un sistema de compuertas programables en campo (FPGA) o en la computadora del sistema. Este enfoque permite formar múltiples haces de antena simultáneos.

Una antena conformada ^[14] es un conjunto en fase en el que las antenas individuales, en lugar de estar dispuestas en un plano, están montadas sobre una superficie curva. Los desfasadores compensan las diferentes longitudes de trayectoria de las ondas debido a la posición variable de los elementos de la antena en la superficie, lo que permite que el conjunto irradie una onda plana. Las antenas conformadas se utilizan en aviones y misiles para integrar la antena en la superficie curva del avión y reducir la resistencia aerodinámica.

Historia

Antena direccional de Ferdinand Braun de 1905, que utilizaba el principio de matriz en fase y que consistía en tres antenas monopolares en un triángulo equilátero. Un retraso de un cuarto de onda en la línea de alimentación de una antena hacía que la matriz emitiera un haz. El retraso se podía conmutar manualmente en cualquiera de las tres alimentaciones, rotando el haz de la antena 120°.

Radares BMEWS y PAVE PAWS

Radar de matriz en fase Mammut, Segunda Guerra Mundial

La transmisión por matriz en fase fue mostrada originalmente en 1905 por el premio Nobel Karl Ferdinand Braun , quien demostró una transmisión mejorada de ondas de radio en una dirección. ^{[15] [16]} Durante la Segunda Guerra Mundial , el premio Nobel Luis Álvarez utilizó la transmisión por matriz en fase en un sistema de radar de dirección rápida para la " aproximación controlada desde tierra ", un sistema para ayudar en el aterrizaje de aeronaves. Al mismo tiempo, la GEMA en Alemania construyó el Mammut 1. ^[17] Más tarde se adaptó para la radioastronomía, lo que llevó a los Premios Nobel de Física para Antony Hewish y Martin Ryle después de que se desarrollaran varios grandes conjuntos de matriz en fase en la Matriz de Centelleo Interplanetario de la Universidad de Cambridge . Este diseño también se utiliza para radares y se generaliza en antenas de radio interferométricas .

En 1966, la mayoría de los radares de matriz en fase utilizan desplazadores de fase de ferrita o tubos de ondas viajeras para ajustar dinámicamente la fase. El AN/SPS-33, instalado en los barcos de propulsión nuclear Long Beach y Enterprise alrededor de 1961, se afirmó que era el único radar de matriz en fase 3D operativo en el mundo en 1966. El AN/SPG-59 fue diseñado para generar múltiples haces de seguimiento desde la matriz de transmisión y programar simultáneamente matrices de recepción independientes. El primer radar de matriz en fase 3D civil se construyó en 1960 en el Centro Experimental de Instalaciones de Aviación Nacional; pero fue abandonado en 1961. ^[18]

En 2004, los investigadores de Caltech demostraron el primer receptor de matriz en fase integrado basado en silicio a 24 GHz con 8 elementos. ^[19] A esto le siguió la demostración de un transmisor de matriz en fase CMOS de 24 GHz en 2005 ^[20] y un transceptor de matriz en fase de 77 GHz totalmente integrado con antenas integradas en 2006 ^{[21] [22]} por parte del equipo de Caltech. En 2007, los investigadores de DARPA anunciaron una antena de radar de matriz en fase de 16 elementos que también estaba integrada con todos los circuitos necesarios en un solo chip de silicio y funcionaba a 30-50 GHz. ^[23]

Las amplitudes relativas de las señales radiadas por las antenas individuales y los efectos de interferencia constructivos y destructivos entre ellas determinan el patrón de radiación efectivo del conjunto. Se puede utilizar un conjunto en fase para apuntar un patrón de radiación fijo o para escanear rápidamente en acimut o elevación. El escaneo eléctrico simultáneo tanto en acimut como en elevación se demostró por primera vez en una antena de conjunto en fase en Hughes Aircraft Company , California, en 1957. ^[24]

Aplicaciones

Radiodifusión

En ingeniería de transmisión , el término "antena en fase" tiene un significado diferente de su significado normal: se refiere a una antena en fase común , un conjunto de múltiples radiadores de mástil diseñados para emitir un patrón de radiación direccional , a diferencia de un solo mástil que emite un patrón omnidireccional . Las antenas en fase para transmisión tienen patrones de radiación fijos y no se "dirigen" durante el funcionamiento como otros sistemas en fase.

Muchas estaciones de radiodifusión AM utilizan conjuntos en fase para mejorar la intensidad de la señal y, por lo tanto, la cobertura en la ciudad de la licencia , al tiempo que minimizan la interferencia con otras áreas. Debido a las diferencias entre la propagación ionosférica diurna y nocturna en frecuencias de onda media , es común que las estaciones de transmisión AM cambien entre patrones de radiación diurna ( onda terrestre ) y nocturna ( onda ionosférica ) cambiando la fase y los niveles de potencia suministrados a los elementos de antena individuales ( radiadores de mástil ) diariamente al amanecer y al atardecer . Para transmisiones de onda corta , muchas estaciones utilizan conjuntos de dipolos horizontales. Una disposición común utiliza 16 dipolos en un conjunto de 4 × 4. Por lo general, esto se encuentra frente a un reflector de rejilla de alambre. La fase a menudo se puede cambiar para permitir la dirección del haz en acimut y, a veces, en elevación.

Radar

Los sistemas de matriz en fase se inventaron para el seguimiento por radar de misiles balísticos y, debido a sus rápidas capacidades de seguimiento, los radares de matriz en fase se utilizan ampliamente en aplicaciones militares. Por ejemplo, debido a la rapidez con la que se puede dirigir el haz , los radares de matriz en fase permiten que un buque de guerra utilice un sistema de radar para la detección y el seguimiento de la superficie (encontrar barcos), la detección y el seguimiento aéreo (encontrar aviones y misiles) y las capacidades de enlace ascendente de misiles. Antes de utilizar estos sistemas, cada misil tierra-aire en vuelo requería un radar de control de tiro dedicado , lo que significaba que las armas guiadas por radar solo podían atacar a un pequeño número de objetivos simultáneos. Los sistemas de matriz en fase se pueden utilizar para controlar misiles durante la fase de mitad de curso del vuelo del misil. Durante la parte terminal del vuelo, los directores de control de tiro de onda continua proporcionan la guía final al objetivo. Debido a que el patrón de antena se dirige electrónicamente , los sistemas de matriz en fase pueden dirigir los haces de radar lo suficientemente rápido como para mantener un seguimiento de calidad de control de tiro en muchos objetivos simultáneamente mientras también controlan varios misiles en vuelo.

Radar de matriz en fase activa montado en la superestructura de la fragata clase Sachsen F220 Hamburg de la Armada alemana

El radar de matriz en fase AN/SPY-1 , parte del sistema de combate Aegis desplegado en los cruceros y destructores estadounidenses modernos , "es capaz de realizar funciones de búsqueda, seguimiento y guía de misiles simultáneamente con una capacidad de más de 100 objetivos". ^[25] De la misma manera, el radar de matriz en fase Thales Herakles utilizado en servicio con Francia y Singapur tiene una capacidad de seguimiento de 200 objetivos y es capaz de lograr la detección automática de objetivos, confirmación e inicio de seguimiento en un solo escaneo, al mismo tiempo que proporciona actualizaciones de guía de mitad de curso a los misiles MBDA Aster lanzados desde el barco. ^[26] La Armada alemana y la Marina Real Holandesa han desarrollado el Sistema de Radar de Matriz en Fase Activa (APAR). El MIM-104 Patriot y otros sistemas antiaéreos terrestres utilizan el radar de matriz en fase para obtener beneficios similares.

Los arreglos en fase se utilizan en el sonar naval, en sonares activos (transmisión y recepción) y pasivos (sólo recepción) y en sonares montados en el casco y remolcados .

Comunicación de la sonda espacial

La sonda espacial MESSENGER fue una misión de sonda espacial al planeta Mercurio (2011-2015 ^[27] ). Esta fue la primera misión al espacio profundo en utilizar una antena de matriz en fase para comunicaciones . Los elementos radiantes son guías de ondas ranuradas y polarizadas circularmente . La antena, que utiliza la banda X , utilizó 26 elementos radiativos y puede degradarse con elegancia . ^[28]

Uso de la investigación meteorológica

Instalación del radar AN/SPY-1A en el Laboratorio Nacional de Tormentas Severas , Norman, Oklahoma. El radomo que lo encierra brinda protección contra las inclemencias del tiempo.

El Laboratorio Nacional de Tormentas Severas ha estado utilizando una antena de matriz en fase SPY-1A, proporcionada por la Marina de los EE. UU., para la investigación meteorológica en sus instalaciones de Norman, Oklahoma desde el 23 de abril de 2003. Se espera que la investigación conduzca a una mejor comprensión de las tormentas eléctricas y los tornados, lo que eventualmente conducirá a mayores tiempos de advertencia y una mejor predicción de tornados. Los participantes actuales del proyecto incluyen el Laboratorio Nacional de Tormentas Severas y el Centro de Operaciones de Radar del Servicio Meteorológico Nacional, Lockheed Martin , la Marina de los Estados Unidos , la Escuela de Meteorología de la Universidad de Oklahoma , la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática y el Centro de Investigación de Radar Atmosférico , la Junta de Regentes de Educación Superior del Estado de Oklahoma, la Administración Federal de Aviación y Comercio e Industrias Básicas. El proyecto incluye investigación y desarrollo , transferencia de tecnología futura y posible implementación del sistema en todo Estados Unidos. Se espera que tarde entre 10 y 15 años en completarse y la construcción inicial fue de aproximadamente $ 25 millones. ^[29] Un equipo del Instituto Avanzado de Ciencias Computacionales RIKEN de Japón (AICS) ha comenzado un trabajo experimental sobre el uso de un radar de matriz en fase con un nuevo algoritmo para pronósticos meteorológicos instantáneos . ^[30]

Óptica

Dentro del espectro visible o infrarrojo de las ondas electromagnéticas es posible construir matrices ópticas en fase . Se utilizan en multiplexores de longitud de onda y filtros para fines de telecomunicaciones, ^[31] dirección de haz láser y holografía. La detección heterodina de matriz sintética es un método eficiente para multiplexar una matriz en fase completa en un fotodetector de un solo elemento . La formación dinámica del haz en un transmisor de matriz óptica en fase se puede utilizar para escanear electrónicamente o vectorialmente imágenes sin utilizar lentes o partes móviles mecánicamente en un proyector sin lentes. ^[32] Se ha demostrado que los receptores de matriz óptica en fase pueden actuar como cámaras sin lentes al mirar selectivamente en diferentes direcciones. ^{[33] [34]}

Transceptores de Internet de banda ancha por satélite

Starlink es una constelación de satélites de órbita terrestre baja que se encuentra en construcción a partir de 2021. Está diseñada para proporcionar conectividad a Internet de banda ancha a los consumidores; los terminales de usuario del sistema utilizarán antenas de matriz en fase. ^{[35][actualizar]}

Identificación por radiofrecuencia (RFID)

En 2014, se integraron antenas de matriz en fase en los sistemas RFID para aumentar el área de cobertura de un solo sistema en un 100% a 76.200 m2 ⁽ 820.000 pies cuadrados) mientras se seguían utilizando etiquetas UHF pasivas tradicionales . ^[36]

Interfaces hombre-máquina (HMI)

En 2008, en el Laboratorio Shinoda de la Universidad de Tokio se desarrolló un conjunto de transductores acústicos en fase, denominado pantalla táctil ultrasónica aerotransportada (AUTD), para inducir una retroalimentación táctil. ^[37] Se demostró que este sistema permite a un usuario manipular de forma interactiva objetos holográficos virtuales. ^[38]

Radioastronomía

Recientemente se han utilizado sistemas de alimentación por matriz en fase (PAF) ^{[39] en el foco de} los radiotelescopios para proporcionar muchos haces, lo que proporciona al radiotelescopio un campo de visión muy amplio . Tres ejemplos son el telescopio ASKAP en Australia , la actualización Apertif del radiotelescopio de síntesis Westerbork en los Países Bajos y el Instituto Espacial de Florida en los Estados Unidos.

Teoría crítica y aritmética

Marco de coordenadas del arreglo en fase utilizado en el cálculo del factor del arreglo, la directividad y la ganancia.

Factor de matriz

La directividad total de un arreglo en fase será el resultado de la ganancia de los elementos individuales del arreglo y de la directividad debida a su posicionamiento en el arreglo. Este último componente está estrechamente ligado (pero no es igual a ^[40] ) al factor del arreglo . ^{[41] [ página necesaria ] [40]} En un arreglo en fase plano (rectangular), de dimensiones , con espaciado entre elementos y , respectivamente, el factor del arreglo se puede calcular en consecuencia ^{[4] [41] [ página necesaria ]} : ${\displaystyle M\times N}$ ${\displaystyle d_{x}}$ ${\displaystyle d_{y}}$

Diagrama de radiación de un conjunto en fase que contiene 7 emisores separados por un cuarto de longitud de onda, que muestra la dirección de cambio del haz. El cambio de fase entre emisores adyacentes cambia de 45 grados a -45 grados

$${\displaystyle AF=\sum _{n=1}^{N}I_{n1}\left[\sum _{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm {e} ^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}\right)}\right]\mathrm {e} ^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}\right)}}$$

Aquí, y son las direcciones en las que llevamos el factor de matriz, en el marco de coordenadas representado a la derecha. Los factores y son el cambio de fase progresivo que se utiliza para dirigir el haz electrónicamente. Los factores y son los coeficientes de excitación de los elementos individuales. ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle \beta _{x}}$ ${\displaystyle \beta _{y}}$ ${\displaystyle I_{n1}}$ ${\displaystyle I_{m1}}$

La dirección del haz se indica en el mismo marco de coordenadas, sin embargo, la dirección de dirección se indica con y , que se utiliza en el cálculo de la fase progresiva: ${\displaystyle \theta _{0}}$ ${\displaystyle \phi _{0}}$

${\displaystyle \beta _{x}=-kd_{x}\sin \theta _{0}\cos \phi _{0}}$

${\displaystyle \beta _{y}=-kd_{y}\sin \theta _{0}\sin \phi _{0}}$

En todas las ecuaciones anteriores, el valor describe el número de onda de la frecuencia utilizada en la transmisión. ${\displaystyle k}$

Estas ecuaciones se pueden resolver para predecir los valores nulos, el lóbulo principal y los lóbulos de rejilla de la matriz. Con referencia a los exponentes en la ecuación del factor de la matriz, podemos decir que los lóbulos principales y de rejilla se producirán en soluciones enteras de las siguientes ecuaciones: ^{[4] [41] [ página necesaria ]} ${\displaystyle m,n=0,1,2,\dots }$

${\displaystyle kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}=\pm 2m\pi }$

${\displaystyle kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}=\pm 2n\pi }$

Ejemplo trabajado

En ingeniería, es común proporcionar valores de matriz en fase en decibeles mediante . Recordando el exponencial complejo en la ecuación del factor de matriz anterior, a menudo, lo que realmente se entiende por factor de matriz es la magnitud del fasor sumado producido al final del cálculo del factor de matriz. Con esto, podemos producir la siguiente ecuación: Para facilitar la visualización, analizaremos el factor de matriz dado un acimut y una elevación de entrada , que asignaremos al marco de la matriz y a través de la siguiente conversión: ${\displaystyle AF}$ ${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}AF}$ $${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}\left\|\sum _{n=1}^{N}I_{1n}\left[\sum _{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm {e} ^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}\right)}\right]\mathrm {e} ^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}\right)}\right\|}$$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \phi }$

${\displaystyle \theta =\arccos \left(\cos \left(\theta _{az}\right)\sin \left(\theta _{el}\right)\right)}$

${\displaystyle \phi =\arctan 2\left(\sin \left(\theta _{el}\right),\sin \left(\theta _{az}\cos \left(\theta _{el}\right)\right)\right)}$

Esto representa un marco de coordenadas cuyo eje está alineado con el eje de la matriz, y cuyo eje está alineado con el eje de la matriz. ${\displaystyle \mathbf {x} }$ ${\displaystyle \mathbf {z} }$ ${\displaystyle \mathbf {y} }$ ${\displaystyle \mathbf {x} }$

Si consideramos un arreglo en fase, este proceso proporciona los siguientes valores para , cuando se gira hacia el punto de mira ( , ): ${\displaystyle 16\times 16}$ ${\displaystyle AF_{dB}}$ ${\displaystyle \theta _{0}=0^{\circ }}$ ${\displaystyle \phi _{0}=0^{\circ }}$

Estos valores se han recortado para tener un mínimo de -50 dB, sin embargo, en realidad, los puntos nulos en el patrón de factores de matriz tendrán valores significativamente más pequeños que este. ${\displaystyle AF}$

Diferentes tipos de arreglos en fase

Existen dos tipos principales de conformadores de haz: los de dominio temporal y los de dominio frecuencial . Desde un punto de vista teórico, ambos funcionan en principio de la misma manera, ya que solo una transformada de Fourier permite la conversión de uno a otro tipo.

A veces se aplica una ventana de atenuación graduada a lo largo de la superficie del conjunto para mejorar el rendimiento de supresión de lóbulos laterales, además del cambio de fase.

El conformador de haces en el dominio del tiempo funciona introduciendo retardos de tiempo. La operación básica se denomina "retardo y suma". Retarda la señal entrante de cada elemento de la matriz durante una cierta cantidad de tiempo y luego los suma. Una matriz de Butler permite formar varios haces simultáneamente o escanear un haz a través de un arco. El tipo más común de conformador de haces en el dominio del tiempo es la guía de ondas serpentina. Los diseños de matriz en fase activa utilizan líneas de retardo individuales que se encienden y se apagan. Los desfasadores de granate de itrio y hierro varían el retardo de fase utilizando la fuerza de un campo magnético.

Hay dos tipos diferentes de formadores de haz de dominio de frecuencia.

El primer tipo separa los diferentes componentes de frecuencia presentes en la señal recibida en múltiples compartimentos de frecuencia (mediante una transformada discreta de Fourier (DFT) o un banco de filtros ). Cuando se aplican diferentes formadores de haz de retardo y suma a cada compartimento de frecuencia, el resultado es que el lóbulo principal apunta simultáneamente en múltiples direcciones diferentes en cada una de las diferentes frecuencias. Esto puede ser una ventaja para los enlaces de comunicación y se utiliza con el radar SPS-48 .

El otro tipo de conformador de haz de dominio de frecuencia hace uso de la frecuencia espacial. Se toman muestras discretas de cada uno de los elementos individuales de la matriz. Las muestras se procesan utilizando una DFT. La DFT introduce múltiples cambios de fase discretos diferentes durante el procesamiento. Las salidas de la DFT son canales individuales que corresponden a haces espaciados uniformemente formados simultáneamente. Una DFT unidimensional produce un abanico de haces diferentes. Una DFT bidimensional produce haces con una configuración de piña .

Estas técnicas se utilizan para crear dos tipos de matriz en fase.

• Dinámico: se utiliza una serie de desfasadores variables para mover el haz.
• Fijo: la posición del haz es estacionaria con respecto a la cara del conjunto y toda la antena se mueve

Hay dos subcategorías más que modifican el tipo de matriz dinámica o matriz fija.

• Activo: los amplificadores o procesadores se encuentran en cada elemento del cambiador de fase.
• Pasivo: gran amplificador central con desfasadores atenuadores

Matriz de fase dinámica

Cada elemento del conjunto incorpora un desfasador ajustable. Estos se utilizan en conjunto para mover el haz con respecto a la cara del conjunto.

Los sistemas de antenas en fase dinámicas no requieren ningún movimiento físico para apuntar el haz. El haz se mueve electrónicamente. Esto puede producir un movimiento de antena lo suficientemente rápido como para usar un haz pequeño para rastrear simultáneamente varios objetivos mientras se buscan nuevos objetivos utilizando solo un conjunto de radar, una capacidad conocida como seguimiento durante la búsqueda .

Por ejemplo, una antena con un haz de 2 grados y una frecuencia de pulso de 1 kHz necesitará aproximadamente 8 segundos para cubrir un hemisferio entero compuesto por 8000 posiciones de apuntamiento. Esta configuración ofrece 12 oportunidades para detectar un vehículo a 1000 m/s (2200 mph; 3600 km/h) en un rango de 100 km (62 mi), lo que resulta adecuado para aplicaciones militares. ^{[ cita requerida ]}

Se puede predecir la posición de las antenas dirigidas mecánicamente, lo que se puede utilizar para crear contramedidas electrónicas que interfieran con el funcionamiento del radar. La flexibilidad resultante del funcionamiento con antenas en fase permite apuntar los haces a ubicaciones aleatorias, lo que elimina esta vulnerabilidad. Esto también es deseable para aplicaciones militares.

Matriz de fase fija

Una torre de antena que consta de un conjunto de antenas colineales de fase fija con cuatro elementos

Las antenas de matriz en fase fija se utilizan normalmente para crear una antena con un factor de forma más deseable que el reflector parabólico convencional o el reflector Cassegrain . Las antenas de matriz en fase fija incorporan desfasadores fijos. Por ejemplo, la mayoría de las torres de antena de radio FM y TV comerciales utilizan una matriz de antena colineal , que es una matriz en fase fija de elementos dipolares.

En las aplicaciones de radar, este tipo de matriz en fase se mueve físicamente durante el proceso de seguimiento y escaneo. Existen dos configuraciones.

• Varias frecuencias con una línea de retardo
• Varias vigas adyacentes

El radar SPS-48 utiliza múltiples frecuencias de transmisión con una línea de retardo serpenteante a lo largo del lado izquierdo del conjunto para producir un abanico vertical de haces apilados. Cada frecuencia experimenta un cambio de fase diferente a medida que se propaga por la línea de retardo serpenteante, lo que forma diferentes haces. Se utiliza un banco de filtros para separar los haces de recepción individuales. La antena se gira mecánicamente.

El rastreo por radar semiactivo utiliza un radar monopulso que se basa en un conjunto de fases fijo para producir múltiples haces adyacentes que miden los errores de ángulo. Este factor de forma es adecuado para el montaje en cardán en los buscadores de misiles.

Matriz de fase activa

Los elementos de matriz activa escaneada electrónicamente (AESA) incorporan amplificación de transmisión con desplazamiento de fase en cada elemento de antena (o grupo de elementos). Cada elemento también incluye preamplificación de recepción. La configuración del desplazador de fase es la misma para transmisión y recepción. ^[42]

Los conjuntos en fase activos no requieren reinicio de fase después del final del pulso de transmisión, lo que es compatible con el radar Doppler y el radar de pulso-Doppler .

Arreglo en fase pasivo

Los conjuntos de fases pasivos suelen utilizar grandes amplificadores que producen toda la señal de transmisión de microondas para la antena. Los desfasadores suelen constar de elementos de guía de ondas controlados por un campo magnético, un gradiente de tensión o una tecnología equivalente. ^{[43] [44]}

El proceso de cambio de fase que se utiliza con los arreglos en fase pasivos normalmente coloca el haz de recepción y el haz de transmisión en cuadrantes diagonalmente opuestos. El signo del cambio de fase debe invertirse después de que finaliza el pulso de transmisión y antes de que comience el período de recepción para colocar el haz de recepción en la misma ubicación que el haz de transmisión. Eso requiere un impulso de fase que degrada el rendimiento de visibilidad por debajo del ruido en el radar Doppler y el radar de pulso-Doppler. Por ejemplo, los cambiadores de fase de granate de hierro e itrio deben cambiarse después de la extinción del pulso de transmisión y antes de que comience el procesamiento del receptor para alinear los haces de transmisión y recepción. Ese impulso introduce ruido de FM que degrada el rendimiento del ruido.

En el sistema de combate AEGIS ^[45] se utiliza un diseño de matriz en fase pasiva para la estimación de la dirección de llegada .

Véase también

• Portal de electrónica

• Síntesis de apertura
• Historia de las antenas inteligentes
• Principio de Huygens-Fresnel
• Radar interferométrico de apertura sintética
• Radar de apertura sintética inversa
• MIMO multiusuario
• Detección heterodina óptica
• Radar MASINT
• Antena reconfigurable
• Sonar de barrido lateral
• Red de frecuencia única
• Antena inteligente
• Matriz lineal estándar
• Radar de apertura sintética
• Sonar de apertura sintética
• Radar de apertura adelgazada sintéticamente
• La maldición de la matriz reducida
• Síntesis de campos de ondas

Referencias

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Enlaces externos

• Investigación y desarrollo de radares: radar de matriz en fase ( Laboratorio Nacional de Tormentas Severas)
• Radares de matriz en fase a bordo de barcos Archivado el 18 de noviembre de 2017 en Wayback Machine
• Informe de la NASA: MMIC para antenas de haz de barrido múltiple para aplicaciones espaciales
• Principio de matriz en fase
• Sistema de micrófono 'Phased Array' de Tony Faulkner
• Principios de los sistemas Phased Array - Tutorial 1