En teoría de antenas , una matriz en fase generalmente significa una matriz escaneada electrónicamente , una matriz de antenas controlada por computadora que crea un haz de ondas de radio que puede dirigirse electrónicamente para apuntar en diferentes direcciones sin mover las antenas. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8 ] [9] [10] La teoría general de una matriz en fase electromagnética también encuentra aplicaciones en aplicaciones de imágenes médicas y ultrasónicas ( matriz en fase ultrasonidos ) y en óptica matriz óptica en fase .
En una antena de conjunto 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 las direcciones deseadas y suprimir la radiación en direcciones no deseadas. En una matriz en fase, la energía del transmisor se alimenta a los elementos radiantes a través de dispositivos llamados desfasadores , controlados por un sistema informático, que puede alterar electrónicamente la fase o el retardo de la señal, dirigiendo así el haz de ondas de radio en una dirección diferente. Dado que el tamaño de un conjunto de antenas debe extenderse a muchas longitudes de onda para lograr la alta ganancia necesaria para un ancho de haz estrecho, los conjuntos en fase son prácticos principalmente en el extremo de alta frecuencia del espectro radioeléctrico, en las bandas UHF y microondas , en las que las longitudes de onda operativas son convenientemente pequeño.
Los sistemas en fase fueron concebidos originalmente para su uso en sistemas de radar militares , para dirigir rápidamente un haz de ondas de radio 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 móviles. El principio de matriz en fase también se utiliza en acústica , y las matrices en fase de transductores acústicos se utilizan en escáneres de imágenes de ultrasonido médico ( ultrasonidos de matriz en fase ), prospección de petróleo y gas ( sismología de reflexión ) y sistemas de sonar militares .
El término "phased array" también se utiliza en menor medida para antenas de array no orientables , en las que la fase de la potencia de alimentación y, por tanto, el patrón de radiación del array de antenas es fijo. [8] [11] Por ejemplo, las antenas de radiodifusión AM que constan de múltiples mástiles radiadores alimentados para crear un patrón de radiación específico también se denominan "conjuntos en fase".
Los arreglos en fase adoptan múltiples formas. Sin embargo, los cuatro más comunes son el conjunto pasivo escaneado electrónicamente (PESA), el conjunto activo escaneado electrónicamente (AESA), el conjunto híbrido con formación de haz en fase y el conjunto con formación de haz digital (DBF). [12]
Un conjunto en fase pasivo o un conjunto en fase pasivo escaneado electrónicamente (PESA) es un conjunto en fase en el que los elementos de la antena están conectados a un único transmisor y/o receptor , como se muestra en la primera animación en la parte superior. Los PESA son el tipo más común de matriz en fase. En términos generales, un PESA utiliza un receptor/excitador para todo el conjunto.
Un conjunto en fase activo o conjunto en fase activo escaneado electrónicamente (AESA) es un conjunto en fase en el que cada elemento de antena tiene un módulo transmisor/receptor analógico (T/R) [13] que crea el desplazamiento de fase necesario para dirigir electrónicamente el haz de la antena. Los conjuntos activos son una tecnología de conjuntos en fase de segunda generación más avanzada que se utiliza en aplicaciones militares; a diferencia de los PESA, pueden irradiar 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 empaquetado electrónico de los formadores de haces a aproximadamente tres haces simultáneos para un AESA. Cada formador de haz tiene un receptor/excitador conectado.
Un conjunto en fase de formación de haces híbrido se puede considerar como una combinación de un AESA y un conjunto en fase de formación de haces digital. Utiliza subarreglos que son arreglos en fase activos (por ejemplo, un subarreglo puede tener 64, 128 o 256 elementos y la cantidad de elementos depende de los requisitos del sistema). Los subarreglos se combinan para formar el arreglo completo. Cada subconjunto tiene su propio receptor/excitador digital. Este enfoque permite crear grupos de haces simultáneos.
Un conjunto en fase de formación de haz digital (DBF) tiene un receptor/excitador digital en cada elemento del conjunto. La señal en cada elemento es digitalizada por el receptor/excitador. Esto significa que los haces de antena se pueden formar digitalmente en una matriz de puertas programables en campo (FPGA) o en la computadora de la matriz. Este enfoque permite que se formen múltiples haces de antena simultáneos.
Una antena conforme [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 conformes se utilizan en aviones y misiles para integrar la antena en la superficie curva del avión para reducir la resistencia aerodinámica.
La transmisión en fase fue demostrada 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 rápidamente orientable para una " aproximación controlada desde tierra ", un sistema para ayudar en el aterrizaje de aviones. Al mismo tiempo, el GEMA en Alemania construyó el Mammut 1. [17] Posteriormente fue adaptado para radioastronomía , lo que llevó a los Premios Nobel de Física para Antony Hewish y Martin Ryle después de que se desarrollaran varios conjuntos en fase de gran tamaño en la Universidad de Cambridge. Matriz . Este diseño también se utiliza para radares , y está generalizado en antenas de radio interferométricas .
En 2004, investigadores de Caltech demostraron el primer receptor de matriz en fase integrado basado en silicio a 24 GHz con 8 elementos. [18] A esto le siguió su demostración de un transmisor de matriz en fase CMOS de 24 GHz en 2005 [19] y un transceptor de matriz en fase de 77 GHz totalmente integrado con antenas integradas en 2006 [20] [21] 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 operaba a 30-50 GHz. [22]
Las amplitudes relativas (y los efectos de interferencia constructiva y destructiva entre) de las señales radiadas por las antenas individuales determinan el patrón de radiación efectivo del conjunto. Se puede utilizar una matriz en fase para señalar un patrón de radiación fijo o para escanear rápidamente en azimut o elevación. El escaneo eléctrico simultáneo tanto en azimut como en elevación se demostró por primera vez en una antena de matriz en fase en Hughes Aircraft Company , California, en 1957. [23]
En ingeniería de radiodifusión , el término "matriz en fase" tiene un significado diferente de su significado normal: significa una antena de matriz ordinaria , una matriz de múltiples mástiles radiadores diseñados para irradiar un patrón de radiación direccional , a diferencia de un solo mástil que irradia un omnidireccional. patrón. Los sistemas en fase de difusión tienen patrones de radiación fijos y no son "dirigidos" durante el funcionamiento como lo son otros sistemas en fase.
Muchas estaciones de radio de transmisión AM utilizan arreglos 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 en otras áreas. Debido a las diferencias entre la propagación ionosférica diurna y nocturna en frecuencias de onda media , es común que las estaciones de radiodifusión de AM cambien entre los patrones de radiación diurnos ( onda terrestre ) y nocturnos ( onda celeste ) cambiando la fase y los niveles de potencia suministrados a los elementos de antena individuales ( mástil) . radiadores ) 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 una matriz de 4×4. Normalmente se encuentra delante de un reflector de rejilla metálica. La fase es a menudo conmutable para permitir la dirección del haz en acimut y, a veces, en elevación.
Los radares en fase se inventaron para el seguimiento por radar de misiles balísticos y, debido a sus capacidades de seguimiento rápido, los radares en fase se utilizan ampliamente en aplicaciones militares. Por ejemplo, debido a la rapidez con la que se puede dirigir el haz , los radares en fase permiten que un buque de guerra utilice un sistema de radar para la detección y seguimiento de superficie (encontrar barcos), la detección y seguimiento aéreo (encontrar aviones y misiles) y capacidades de enlace ascendente de misiles. . Antes de utilizar estos sistemas, cada misil tierra-aire en vuelo requería un radar de control de fuego exclusivo , lo que significaba que las armas guiadas por radar sólo podían atacar a un pequeño número de objetivos simultáneos. Los sistemas de matriz en fase se pueden utilizar para controlar misiles durante la fase intermedia del vuelo del misil. Durante la parte terminal del vuelo, los directores de control de fuego de onda continua brindan la guía final al objetivo. Debido a que el patrón de antena se dirige electrónicamente , los sistemas de matriz en fase pueden dirigir los rayos del radar lo suficientemente rápido como para mantener un seguimiento de la calidad del control de fuego en muchos objetivos simultáneamente y al mismo tiempo controlar varios misiles en vuelo.
El radar de matriz en fase AN/SPY-1 , parte del sistema de combate Aegis desplegado en los modernos cruceros y destructores estadounidenses , "es capaz de realizar funciones de búsqueda, seguimiento y guía de misiles simultáneamente con una capacidad de más de 100 objetivos". [24] Del mismo modo, el radar multifunción 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, la confirmación y el inicio de seguimiento en un solo escaneo, al tiempo que proporciona simultáneamente media -Actualizaciones de orientación de rumbo para los misiles MBDA Aster lanzados desde el barco. [25] La Armada alemana y la Marina Real Holandesa han desarrollado el Sistema de radar activo en fase (APAR). El MIM-104 Patriot y otros sistemas antiaéreos terrestres utilizan un radar de matriz en fase para obtener beneficios similares.
Los sistemas en fase se utilizan en sonares navales, en sonares activos (transmitir y recibir) y pasivos (solo recibir) y en sonares montados en el casco y remolcados .
La nave espacial MESSENGER fue una misión de sonda espacial al planeta Mercurio (2011-2015 [26] ). 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 , utiliza 26 elementos radiativos y puede degradarse con gracia . [27]
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 investigaciones meteorológicas 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 tornados, lo que eventualmente conducirá a mayores tiempos de alerta 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 Radares Atmosféricos , Regentes del Estado de Oklahoma para la Educación Superior. , 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 su finalización tarde entre 10 y 15 años y la construcción inicial costó aproximadamente 25 millones de dólares. [28] Un equipo del Instituto Avanzado de Ciencias Computacionales (AICS) RIKEN de Japón ha comenzado un trabajo experimental sobre el uso de un radar de matriz en fase con un nuevo algoritmo para pronósticos meteorológicos instantáneos . [29]
Dentro del espectro visible o infrarrojo de ondas electromagnéticas es posible construir conjuntos ópticos en fase . Se utilizan en multiplexores de longitud de onda y filtros para fines de telecomunicaciones, [30] dirección de rayos láser y holografía. La detección heterodina de matriz sintética es un método eficaz para multiplexar una matriz en fase completa en un fotodetector de un solo elemento . El haz dinámico que se forma en un transmisor óptico de matriz en fase se puede utilizar para escanear imágenes en trama o vectorial electrónicamente sin utilizar lentes ni piezas móviles mecánicamente en un proyector sin lentes. [31] Se ha demostrado que los receptores ópticos de matriz en fase pueden actuar como cámaras sin lentes mirando selectivamente en diferentes direcciones. [32] [33]
Starlink es una constelación de satélites de órbita terrestre baja que se encuentra en construcción a partir de 2021 . Está diseñado para proporcionar conectividad a Internet de banda ancha a los consumidores; los terminales de usuario del sistema utilizarán antenas de matriz en fase. [34][actualizar]
En 2014, se integraron antenas en fase en los sistemas RFID para aumentar el área de cobertura de un solo sistema en un 100% a 76.200 m 2 (820.000 pies cuadrados) sin dejar de utilizar etiquetas UHF pasivas tradicionales . [35]
En 2008, en el Laboratorio Shinoda de la Universidad de Tokio se desarrolló una serie de transductores acústicos en fases, denominada pantalla táctil de ultrasonido en el aire (AUTD), para inducir retroalimentación táctil. [36] Se demostró que este sistema permite al usuario manipular interactivamente objetos holográficos virtuales. [37]
Recientemente se han utilizado alimentadores de matriz en fase (PAF) [38] en el foco de los radiotelescopios para proporcionar muchos haces, dando al radiotelescopio un campo de visión muy amplio . Dos ejemplos son el telescopio ASKAP en Australia y la actualización de Apertif al radiotelescopio de síntesis Westerbork en los Países Bajos .
La directividad total de una matriz en fase será el resultado de la ganancia de los elementos individuales de la matriz y la directividad debida a su posicionamiento en una matriz. Este último componente está estrechamente relacionado (pero no es igual a [39] ) con el factor de matriz . [40] [ página necesaria ] [39] En una matriz en fase plana (rectangular), de dimensiones , con espaciado entre elementos y , respectivamente, el factor de matriz se puede calcular en consecuencia [4] [40] [ página necesaria ] :
Aquí, y están las direcciones en las que estamos tomando el factor de matriz, en el marco de coordenadas que se muestra 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.
La dirección del haz se indica en el mismo cuadro de coordenadas; sin embargo, la dirección de la dirección se indica con y , que se utiliza en el cálculo de la fase progresiva:
En todas las ecuaciones anteriores, el valor describe el número de onda de la frecuencia utilizada en la transmisión.
Estas ecuaciones se pueden resolver para predecir los lóbulos nulos, el lóbulo principal y la rejilla de la matriz. Con referencia a los exponentes en la ecuación del factor de matriz, podemos decir que los lóbulos mayor y de red aparecerán en soluciones enteras de las siguientes ecuaciones: [4] [40] [ página necesaria ]
Es común en ingeniería proporcionar valores de matriz en fase en decibeles hasta . 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:
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.
Si consideramos una matriz en fase, este proceso proporciona los siguientes valores para , cuando se dirige hacia la mira ( , ):
Estos valores se han recortado para tener un mínimo de -50 dB; sin embargo, en realidad, los puntos nulos en el patrón de factor de matriz tendrán valores significativamente más pequeños que esto.
Hay dos tipos principales de formadores de haz. Estos son formadores de haz en el dominio del tiempo y formadores de haz en el dominio de la frecuencia . Desde un punto de vista teórico, ambas son en principio la misma operación, con sólo una transformada de Fourier que permite la conversión de un tipo al otro.
A veces se aplica una ventana de atenuación graduada en la cara del conjunto para mejorar el rendimiento de la supresión de lóbulos laterales, además del cambio de fase.
El formador de haces en el dominio del tiempo funciona introduciendo retrasos de tiempo. La operación básica se llama "retraso y suma". Retrasa la señal entrante de cada elemento de la matriz por una cierta cantidad de tiempo y luego los suma. Una matriz Butler permite formar varios haces simultáneamente o escanear un haz a través de un arco. El tipo más común de formador de haz 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 apagan. Los desfasadores del granate de hierro ytrio varían el retardo de fase utilizando la fuerza de un campo magnético.
Hay dos tipos diferentes de formadores de haz en el dominio de la frecuencia.
El primer tipo separa los diferentes componentes de frecuencia que están presentes en la señal recibida en múltiples contenedores de frecuencia (usando una transformada discreta de Fourier (DFT) o un banco de filtros ). Cuando se aplican diferentes formadores de haz de retardo y suma a cada grupo de frecuencias, 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 formador de haz en el dominio de la frecuencia utiliza la frecuencia espacial. Se toman muestras discretas de cada uno de los elementos individuales de la matriz. Las muestras se procesan mediante un DFT. La DFT introduce múltiples cambios de fase discretos diferentes durante el procesamiento. Las salidas del DFT son canales individuales que se corresponden con haces espaciados uniformemente formados simultáneamente. Una DFT unidimensional produce un abanico de diferentes haces. Un DFT bidimensional produce vigas con una configuración de piña .
Estas técnicas se utilizan para crear dos tipos de matriz en fase.
Hay dos subcategorías más que modifican el tipo de matriz dinámica o matriz fija.
Cada elemento del conjunto incorpora un desfasador ajustable. Estos se utilizan colectivamente para mover la viga con respecto a la cara de la matriz.
Los arreglos en fase dinámicos no requieren movimiento físico para apuntar el haz. El haz se mueve electrónicamente. Esto puede producir un movimiento de la antena lo suficientemente rápido como para usar un pequeño haz de lápiz para rastrear simultáneamente múltiples objetivos mientras se buscan nuevos objetivos usando un solo conjunto de radar, una capacidad conocida como seguimiento durante la búsqueda .
Por ejemplo, una antena con un haz de 2 grados con una frecuencia de pulso de 1 kHz necesitará aproximadamente 8 segundos para cubrir un hemisferio completo que consta de 8.000 posiciones de puntería. Esta configuración proporciona 12 oportunidades para detectar un vehículo de 1000 m/s (2200 mph; 3600 km/h) en un rango de 100 km (62 millas), lo cual es adecuado para aplicaciones militares. [ cita necesaria ]
Se puede predecir la posición de las antenas direccionadas mecánicamente, lo que puede utilizarse para crear contramedidas electrónicas que interfieran con el funcionamiento del radar. La flexibilidad resultante del funcionamiento en fase permite que los haces se dirijan a ubicaciones aleatorias, lo que elimina esta vulnerabilidad. Esto también es deseable para aplicaciones militares.
Las antenas fijas en fase se utilizan normalmente para crear una antena con un factor de forma más deseable que el reflector parabólico convencional o el reflector cassegrain . Los arreglos en fase fijos incorporan desfasadores fijos. Por ejemplo, la mayoría de las torres de antenas comerciales de radio FM y TV utilizan un conjunto de antenas colineales , que es un conjunto en fase fija de elementos dipolo.
En aplicaciones de radar, este tipo de conjunto en fase se mueve físicamente durante el proceso de seguimiento y escaneo. Hay dos configuraciones.
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 a lo largo de la línea de retardo serpentina, que forma haces diferentes. Se utiliza un banco de filtros para dividir los haces receptores individuales. La antena se gira mecánicamente.
La localización por radar semiactiva utiliza un radar monopulso que se basa en una matriz en fase fija para producir múltiples haces adyacentes que miden los errores de ángulo. Este factor de forma es adecuado para el montaje de cardán en buscadores de misiles.
Los elementos de arreglos activos escaneados 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 desfasador es la misma para transmisión y recepción. [41]
Los conjuntos en fase activos no requieren reinicio de fase después del final del pulso de transmisión, lo cual es compatible con el radar Doppler y el radar Doppler de pulso .
Los conjuntos en fase pasivos suelen utilizar amplificadores grandes que producen toda la señal de transmisión de microondas para la antena. Los desfasadores suelen consistir en elementos de guía de ondas controlados por un campo magnético, gradiente de voltaje o tecnología equivalente. [42] [43]
El proceso de cambio de fase utilizado con arreglos en fase pasivos generalmente coloca el haz de recepción y el haz de transmisión en cuadrantes diagonalmente opuestos. El signo del cambio de fase debe invertirse una vez finalizado 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 la visibilidad sub-obstrucción en el radar Doppler y el radar Pulse-Doppler. Por ejemplo, los desfasadores de granate de hierro y itrio deben cambiarse después de apagar el pulso de transmisión y antes de que comience el procesamiento del receptor para alinear los haces de transmisión y recepción. Ese impulso introduce ruido FM que degrada el rendimiento del desorden.
El diseño de matriz en fase pasiva se utiliza en el sistema de combate AEGIS. [44] para la estimación de la dirección de llegada .
Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ). Definición de Phased Array Archivado el 21 de octubre de 2004 en Wayback Machine . Consultado el 27 de abril de 2006.
![{\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)}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4a686704d08fddcf1e4c28e20539128eec275be2)
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