Introduction to Array Geometries

إن صفائح الهوائيات تشكل حجر الزاوية في نظم الترددات الراديوية الحديثة، مما يتيح التحكم الدقيق في اتجاه الطاقة المشعّة وشكلها، ومن خلال ترتيب عناصر متعددة مشعة في تشكيلة مكانية متعمدة، يمكن للمهندسين أن يتوليفوا أنماط الإشعاع التي يمكن أن تكون مستحيلة مع هوائي واحد، وقد تكون المعالم الضخمة من حيث القدرة على الاستشعار عن بعد - مواقع العناصر ذات الصلة ببعضها البعض - هي أكثر العناصر الأساسية في تصميمها لأنها تحدد مباشرة نمط الملاحة.

وتستكشف هذه المادة مبادئ ومزايا ومبادلات صفائف الهوائيات الدائرية والهجائية، وسندرس أسسها الرياضية، وخصائص الأداء الرئيسية، والاعتبارات العملية للتصميم، والتطبيقات في العالم الحقيقي، ويمكّن فهم هذه الملخصات المهندسين من اختيار أو تصميم تشكيلة صفائف تلبي على أفضل وجه متطلبات النظم اللاسلكية الحديثة.

دور قياس درجة الحرارة في التحكم في أنماط الإشعاع

ولكل صفيفة هوائيات قياسية - إحداثيات كل عنصر - وبالنسبة لصفيفة خطية، فإن العناصر تكمن على طول خط؛ وبالنسبة لصفيفة تخطيطية، تقع في طائرة، والصفائف العضلية والهجائية هي مجموعات فرعية محددة من صفائف المخططات التي ترتب فيها العناصر على امتداد منحنى مغلق، وتؤثر الهندسة على كيفية وضع خريطة المرحلة والارتفاع في نمط الإشعاعي البعيد.

AF( (Université, Instituto) = مجموع مقطع (ي ك) rn) ]

(أ) إذا كان [(FLT:0]]rn] هو ناقل الموقع n -th element, An] هو تركيبته المعقدة، و هو صفيفة التلقي.

مقاييس الأداء الرئيسية

وعند تقييم المواصفات الجيولوجية، ينظر المهندسون في التوجيه، وفي نصف القوى الشعاعية، وفي مستوى الفص الجانبي، وإمكانية جذب أجهزة الاتصال، وفي الصفوف التعميمية والهجائية، كثيرا ما يؤدي فتح دائري آخر إلى الحد من النسيج لأن المباعد بين العناصر ليس ثابتا في جميع الاتجاهات، ولكنه يمكن أيضا أن يستحدث تطورا في النمط.

التصوير العناق - التماثل والقابلية للتجزئة

وتتألف مجموعة من عناصر الهوائيات من مساحة متساوية على امتداد محيط الدائرة، وهذه الهندسة من أكثر العناصر تماثلاً في صفيفة من الطوابق، توفر تغطية موحدة للزيموتال عندما تغذي جميع العناصر بنفس القدر من الكم الهائل ودرجة التقدم الصفري، وقد درست صفائف المناظير على نطاق واسع منذ الخمسينات، وتستخدم على نطاق واسع في إيجاد الاتجاهات، والتصوير الفلكي الراديوي، ونظم النظام العالمي لتحديد المواقع.

الهندسة الجيولوجية والعناصر المباعدة بين الجنسين

For a circular array with N elements and radius R[FL-T

التأشيرات والمرحلة

To steer the main beam of a circular array to a desired direction (0, ]0]), the excitation phase at element n must compensate center for the length difference relative to a reference at the array

⁇ [[FLT:]n = k R sin 0 cos(n]] – 0]

وهذه الوظيفة هي وظيفة ملازمة فيما يتعلق بمؤشر العنصر، وفي الممارسة العملية، يتم تنفيذ التحولات في المرحلة باستخدام المتحولين أو المناورة الرقمية، ويمكن أن تنتج صفائف المناظير مناورة رئيسية يمكن التحكم فيها بأكثر من 360 درجة في الزيوموث دون تشوهات كبيرة في النمط، خلافاً للصفوف الخيطية التي تعاني من نطاق محدود من المسح الضوئي ومن اتساع النمط.

أنماط الإشعاع

إن نمط الإشعاع في صفيحة من المواد المشددة ذات الطابع الموحّد (جميع العناصر المتساوية في السعة، صفر المرحلة) هو نمط شامل في الزامية، ويتمتع بفصيحة كبيرة من العزلة الرئيسية في الارتفاع، وعندما يتم على مراحل تشكيل الشعاع، فإن النمط يُقَيَّم بشكل جيد من خلال وظائف العزل، وبالنسبة لعدد كبير من العناصر (الصفحة 20)، فإن المقياس الرئيسي للعزلة يتماثل مع مجموعة فعالة من الفصيلة.

ومن السمات البارزة الأخرى أن صفائف التعميم تظهر null ] على طول المحور العازل إلى الطائرة المصفوفة (ض-اكسيس) عند استخدام الإثارة الواسعة النطاق، ويمكن أن يكون ذلك ميزة للتطبيقات التي تتطلب رفض الإشارات من zenith أو nadir.

التطبيقات العملية للأشعة العكوسة

وتستخدم صفائف التعميم في مجموعة متنوعة من النظم المتخصصة:

  • Direction finding (DF):] The symmetry of circularصفs allows accurate estimation of the angle of arrival (AoA) over a full 360° using techniques such as super- resolution (e.g., MUSIC, ESPRIT). Many commercial DF systems use circular spectrums of column monopoles.
  • Radio astronomy:] The Allen Telescope Array and some other radio TVscopes use circular formations to synthesize large effective apertures for imaging.
  • Satellite communications:] Mobile satellite terminals often use circular spectrums to track geostationary satellites while the terminal rotates. The scan invariance ensures constant link performance.
  • Radar systems:] Some air surveillance radios use circular spectrums to provide 360° coverage with electronic beam scanning, eliminating the need for a rotating pedestal.

التحديات

ويشتمل تصميم مجموعة من التعميمات على عدة تحديات. ]() بين العناصر تختلف باختلافها في الفصل العنصري ويمكن أن تسبب سوءاً كبيراً في التلاعب وتشويه النمط، وهذا أكثر حدة من السلاسل المتوازية لأن العناصر تتسع على قدم المساواة حول الدائرة، والتغيرات في البيئة التي تُجرى على أساس توجيه الأشعة السينية، والنموذج المغناطيسي (S.

كما أن شبكات التغذية للصفائف الدائرية معقدة، لا سيما بالنسبة لنظم النطاقات الواسعة، إذ أن تغذية الشركات التي تُستخدم فيها مسالك متساوية لجميع العناصر تتطلب الكثير من طول الكابلات والمتحولات التدريجية، وتبسط الأشعة الرقمية الهيكل بتوفير قدرة مستقلة على الضخ والرقابة على مراحل كل عنصر، ولكن كمية البيانات وتجهيزها تزيد بشكل متواز مع ن.

التصوير الشهري - التماثل المطلي

وتعمم الصفوف الشقلبية صفائف التعميم بوضع عناصر على طول النسيج بدلا من دائرة، ويعرّف المحور الرئيسي طوله 2 (أ) وطول المحور الثاني (ب) الشكل، مع التركيز (هـ) = الكسر (1 - b2/a2). ويؤدي هذا التفاوت في الهندسة إلى تماثل في نمط الإشعاع، الذي يمكن استغلاله تطابق متطلبات التغطية غير النظامية.

وصف رياضي للتصوير الشهري

The position of the n -th element on an ellipse centered at the origin is:

xn = cos {n, yn[ = b sin ]n

(أ) إذا كان الـ ((FLT:0)))(n)())) هو البارامترات العضلية، ويمكن أن تُستخدم العناصر بنفس القدر في تزامن المباعدة بين المحيط الهادئ (ليس في طول القوس) أو تُستخدم بنفس القدر في طول القوس، ويُمكن أن تؤثر عملية التفكك الموحدة على طول القوس، التي يمكن أن تؤثر على نحو أكثر اتساقا.

ويصبح عامل الصفصاف بالنسبة لصفيف من الألياف:

AF( (Université, Instituto) = مجموع مسبار [jk (a cos ]n] sin cos + b sin œ ou ou ou ou ou ; b sin ]n

وعلى عكس حالة التعميم، فإن الهندسة ليست متغيرة في إطار التناوب؛ ويتوقف النمط على توجه النسيج فيما يتعلق بطائرة المراقبة.

تشكيل نمط الإشعاع

وتنتج الصفوف الشفهية أنماطاً من الشعاع الذكي [(FLT:0]) عندما تكون متحمسة بشكل موحد - فإن الشعاع في طائرة المحور الرئيسي أضيق من ذي قبل في طائرة المحور الصغير، وهذه الملكية تسمح للمصمم بتشكيل منطقة التغطية في شكل مرطب على الأرض، وهو أمر مستصوب للغاية بالنسبة لأجهزة القياس الساتلية، والخطوط الأرضية.

ويتبع توجيه صفيفة من الهجائن وظيفة كوسين مماثلة كقضية التعميم، ولكن نطاق المصطلح الكوني يمتد بطول شبه الأمر، وهذا يعني أن المسح في اتجاه المحور الرئيسي يتطلب تجاوزات تدريجية أكبر، وربما يزيد من النسيج الجانبي، غير أن شريط الكمائن يمكن تطبيقه على زيادة تشكيل هيكل التحكم - مثلاً، باستخدام شريط جانبي أوسع.

مقارنة مع الأشعة العنانيرية للتغطية القطاعية

(ب) النظر في سيناريو يكون فيه قطاع التغطية 90 درجة في الزومبيوث و20 درجة في الارتفاع، كما هو الحال في هوائي محطة قاعدية، وسينتج عن مجموعة دائرية نمطاً متماثلاً لتهديد الطاقة خارج القطاع، ويمكن أن ينتج عن ذلك طائفة من المحوريات، مع محورها الرئيسي المتوائم على المستوى الأفقي والمستوى الرأسي الطفولي، تداخلاً متطابقاً مع شكل القطاعات الأخرى من الكفاءة.

ومن الناحية الكمية، فإن التوجيه الذي يصدر عن صفيفة من النسيج مع شعاع له صفعة من الشفاهية أعلى من التوجيه الذي يتكون من صفيفة دائرية تغطي نفس الزاوية الصلبة، والنسبة متناسبة تقريبا مع النسبة المحورية للشعاع، وبالنسبة لشعاع قطاعي نموذجي (الصفيفة الشعاعية من طرازazimuth - 65 درجة، وجهاز الرفع من درجة - 310 درجة) يمكن أن يكون الكسب المباشر.

التطبيقات في رادار والاتصالات الساتلية

وتستخدم الصفوف الشفهية على نحو متزايد في:

  • Phased spectrum weather radio:] To produce a beam that is narrower in azimuth for better cross-range resolution while maintaining reasonable elevation coverage.
  • Low Earth Airport (LEO) satellite antennas:] To track satellites that move across a wide azimuth range but have a relatively constant elevation angle. An elliptical array can be oriented to have wide beamwidth in the scan plane and narrow beamwidth in the orthogonal plane.
  • Marine and airborne radar:] To match the footprint shape required for maritime surveillance or ground mapping.
  • Millimeter-wave backhaul:] Elliptical reflector antennas have long been used, but elliptical planarصفs are now feasible for 5G and 6G systems to shape the coverage of base stations with non-uniform user distribution.

اعتبارات التصميم والمبادلات

ويعرض تصميم صفيفة من الألواح تعقيدات إضافية على صفائف التعميم:

  • Non-uniform coupling:] Mutual coupling between elements depends on their separation, which varies along the ellipse. This can cause the active impedance to vary significantly from element to element, making impedance matching across the array difficult.
  • Beam asymmetry:] The radiation pattern is not azimuthally symmetric, which may be a disadvantage if full 360° coverage is required. However, multiple elliptical arrays can be combined in a shifted composition.
  • Feeding network:] The amplitude distribution may need to be tailored asymmetrically to produce a clean elliptical beam. This increases the complexity of the corporate feed or beamformer weights.
  • Grating lobe control:] because element spacing is not uniform, grating lobe criteria must be verified for all radial directions. The worst-case spacing may occur near the ends of the major axis.

وعلى الرغم من هذه التحديات، فإن الصفوف البالية توفر درجة فريدة من الرقابة على النمط لا يمكن تحقيقها بالصفائف الدائرية أو الصفية، وبالنسبة للطلبات التي يكون فيها شكل التغطية حاسما، فإنها أداة قوية.

' 1` المواضيع المتقدمة في مجال قياس الأرض إلى أقصى درجة

والخيار بين الهندسة المُعمّرة والجراثيم الشهيرة ليس دائماً ثنائياً، إذ تستخدم نظم حديثة كثيرة خوارزميات أمثل لتحديد المواقع الأساسية التي تحقق نمطاً مستهدفاً مع العناصر القليلة، وتشمل الخوارزميات الجينية، وحرق الجسيمات، وتقنيات الاستشعار المُكرّسة.

أساليب التعظيم الرقمية

وبدلاً من تحديد العناصر لدائرة مثالية أو لغز، يمكن للمرء أن يزعج المواقف بشكل طفيف للحد من الفصائل الجانبية أو لتشكل الشعاع، وكثيراً ما يُسمى هذا التداخل في الرذاذج أو أو شريط كثافة [FLpac:3].

الأشعة الهجينة والزخرفة

ويؤدي الجمع بين المفاهيم التعميمية والمفاهيم الشائكة إلى صفائف هجينة ] مثل حلقة شفهيية ذات رقعة مركزية دائرية، أو صفائف تستمد فيها مواقع العناصر من توزيع مائل ولكن مع عنصر عشوائي.() ويمكن أن تكون الصفائف المكونية التي تتبع سطح عيادة أو موكب محمولة على شكل صفيفة محركية معينة.

التكامل مع الشكل الرقمي

ويمكن أن تعالج نظم التصويب الرقمي الحديثة المرحلة المعقدة وتوزيعات الكمائن اللازمة لكل من الصفوف التعميمية والهجائية بسهولة، ويستعاض عن تكلفة أجهزة الأشعة الموازية بتجهيز الإشارات الرقمية التي يمكن أن تؤدي أيضاً إبطال التكييف، والتوازن، والتوليد المتعدد الأطراف، وبالنسبة للصفائف الشائكة، فإن التصفير الرقمي يتيح التكيف الدينامي لمواقع سقوط السفن مع الظروف البيئية المتغيرة.

خاتمة

وتوفر مصفوفات التعميم والصفوف الشائكة مزايا متميزة لتوليد أنماط إشعاعية متخصصة، وتوفر صفائف المناظير التماثلية والثابتة مع التغطية المستمرة للزيموتيل، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب مسحا كاملا من 360 درجة دون تناوب آلي، وتوسع الصفوف الشفهية هذه القدرة بإدخال التناظر المراقب - مما يتيح وضع شكل الشعاع بحيث يكون مطابقا لمناطق الاتصال المباشرة.

ويجب على المصممين أن يقيّموا بعناية المفاضلات في المباعدة بين العناصر، والتقارب المتبادل، وتعقيد التغذية، وشكل النمط، وفي حين أن الصفوف الدائرية أبسط من تحليلها وتحظى بدعم جيد من صيغ التصويب الموحدة، فإن الصفوف الشائكة توفر درجة من المرونة في النمط يمكنها من تحسين أداء النظم بشكل كبير في السيناريوهات مع متطلبات غير نظامية.

ومع تطور النظم اللاسلكية نحو ارتفاع الترددات وزيادة عدد أهداف الأداء المطلوبة، سيظل فهم واستغلال قياسات الجيولوجيا في صفوف المركبات مهارة حاسمة بالنسبة لمهندسي الهوائيين، وستؤدي التشكيلات التعميمية والهجائية على السواء أدوارا دائمة في تصميم أنماط إشعاعية متخصصة للاتصالات والرادار والاستشعار.