L'imperatrice per la formazione di prodotti

La tecnologia di beamforming è diventata una pietra angolare dell'elaborazione del segnale moderno, le prestazioni di guida in sistemi che vanno da stazioni di base 5G e array radar a sonar e ecografia medica. La capacità di distribuire energia in una direzione specifica aumenta gamma, risoluzione e rifiuto di interferenza. Tuttavia, i sistemi tradizionali di teletrasformatura si basano su array densi e uniformemente distanziati con centinaia o anche migliaia di elementi, ciascuno con la propria costosa catena di transceiver.

Comprendere i raggi di spreco

A differenza di un array lineare uniforme convenzionale (ULA) o di un array rettangolare uniforme (URA) uniforme in cui gli elementi sono distanziati da una distanza fissa (tipicamente mezza lunghezza d'onda), un array radiante può avere posizioni che seguono una distribuzione statistica, un modello aperiodico deterministico, o un layout ottimizzato derivato da una distanza di tempo di tempo di tempo di tempo lungo.

Il livello di spazio è spesso disperso, con un livello di spazio disperso, con un livello di spazio più basso, con un livello di spazio più basso, con un livello di spazio più elevato ]] elementi (dove ] M] > N]]]]]]

Sono utilizzate due ampie categorie di array radi: ] arrays thinned e array aperiodici]. I array Thinned partono da una griglia regolare e rimuovono selettivamente gli elementi (spingono loro).

Vantaggi delle configurazioni di Array

Riduzione dei costi

In una tipica schiera phased array per radar o 5G, ogni elemento richiede un cambio di fase, un amplificatore di potenza (per la trasmissione), un amplificatore a basso rumore (per ricevere), e un convertitore analogico-analogico o analogico-digitale. Ridurre il numero di elementi riduce direttamente la bolletta dei materiali, il lavoro di montaggio e il peso del sistema.

Flessibilità e accessibilità

Le posizioni degli elementi possono essere adattate a specifiche esigenze operative.Per un sistema che deve operare a più bande di frequenza, un layout rado può essere ottimizzato per garantire prestazioni accettabili in tutte le bande. Inoltre, perché la densità degli elementi è inferiore, c'è più spazio fisico tra i componenti, semplificando il raffreddamento, riducendo l'accoppiamento reciproco, e permettendo l'integrazione di altri sensori o antenne di volume sulla stessa piattaforma.

Riduzione della complessità

I sistemi di teletrasformazione digitale, che campionano ogni elemento singolarmente, beneficiano enormemente di contatori ridotti dei canali. Il carico computazionale – FFTs, algoritmi adattativi, elaborazione adattativa spazio-tempo – scale con il numero di canali. Un array rado può tagliare a metà mantenendo la stessa risoluzione angolare se l'apertura è invariata. La manutenzione diventa anche più semplice; 400 elementi di risoluzione angolare.

Miglioramento della barra di vapore

Mentre potrebbe sembrare controintuitivo, un array rado ben progettato può raggiungere le capacità di sterzo del fascio che rivali array densi. Poiché l'apertura è grande, la larghezza di trave rimane stretta. Gli algoritmi di ottimizzazione moderni consentono il modello di fascio di essere sintetizzati in modo che il lobo principale è stabile su un ampio campo di vista senza l'aspetto di lobi grattugianti che altrimenti si verificano se una uniforme metà di curvatura casuale è stata violata periodica.

Sfide e soluzioni di progettazione

Gli array di sfregamenti non sono senza compromessi. Il più significativo svantaggio è aumentato livelli di lobo laterale. Poiché l'array è sottosampled rispetto alla condizione di Nyquist nel dominio spaziale, il modello di fascio contiene inevitabilmente più alti lobi di una schiera riempita della stessa apertura.Questi sidelobes possono causare obiettivi falsi nel radar, ridurre il rifiuto di interferenza nelle comunicazioni, e degradare la qualità dell'immagine nella scansione di ultrasuono.

Un'altra sfida è l'accoppiamento reciproco: in una serie densa, gli elementi adiacenti interagiscono elettromagneticamente. In una schiera rada, la spaziatura più grande riduce l'accoppiamento, ma perché le posizioni sono irregolari, l'accoppiamento varia da elemento ad elemento e può essere più difficile da prevedere e compensare.

Per superare queste sfide, gli ingegneri impiegano una serie di tecniche di ottimizzazione, che mirano a ridurre al minimo il livello di lobo di picco (PSLL) mantenendo la larghezza principale del lobo e la flessibilità dello sterzo.

Arrays densi

La sperduta parte da una griglia regolare di posizioni di elementi potenziali (ad esempio, la metà della lunghezza d'onda che spazia sopra l'apertura) e utilizza un ottimizzatore per decidere quali elementi accendere o spegnere. Questo è un problema di ottimizzazione binaria. Tecniche come ricottura simulata, algoritmi genetici e ottimizzazione dello swarm particella sono efficaci.

Ricostruzione di Sensazioni e Sfide

Il rilevamento a compressione (CS) fornisce un quadro teorico per il recupero di segnali radi da meno misurazioni rispetto al tradizionale campionamento in Nyquist. Nel contesto di una progettazione a matrice rada, i metodi CS possono essere utilizzati per determinare il numero minimo di elementi richiesti e le loro posizioni per raggiungere un beampattern desiderato. L'approccio tratta l'apertura continua come una combinazione lineare di posizioni di elementi potenziali; l'ottimizzazione, spesso tramite la minimizzazione l1, seleziona un set di progettazione a base ridotta.

Algoritmi genetici e altre metaheuristica

Gli algoritmi genetici (GA) sono tra i metodi più popolari per l'ottimizzazione di array radi. codificano posizioni degli elementi (o una serie di stati binari on/off per la diradamento) come un cromosoma, quindi evolvono una popolazione di soluzioni attraverso la selezione, crossover e la mutazione su molte generazioni.

Tecniche di Mitigazione aggiuntive

  • Amplitude Tapering:[] Finestrare le ampiezze di eccitazione (ad esempio, Taylor, Chebyshev distribuzioni) può ridurre ulteriormente i sidelobes a spese di lobo principale leggermente più ampio. I coefficienti di affilatore diventano parte dell'ottimizzazione.
  • Diversità di frequenza:[] Utilizzando forme d'onda modulate in frequenza può mediare i picchi sidelobe nel tempo, rendendo i array radi accettabile nei sistemi radar.
  • Configurazioni Hybrid:[] Combinando una schiera rada con architetture subarray subarrate o sovrapposte, può ridurre il numero di canali digitali mantenendo i vantaggi analogici di teletrasformazione.
  • Approcci di apprendimento della macchina:[ Le reti neurali profonde addestrate su migliaia di modelli ottimizzati possono prevedere posizioni di buon elemento quasi istantaneamente, consentendo la riconfigurazione in tempo reale per sistemi adattativi.

Applicazioni di Arrays Sparse

5G e oltre le comunicazioni wireless

Le stazioni di base di quinta generazione (5G) sfruttano massicce array MIMO con 64 a 256 elementi per supportare la teletrasformazione per più utenti. Le tecniche di array Sparse consentono di costruire questi array con meno elementi di antenna e meno hardware, riducendo le dimensioni e i costi mantenendo i guadagni spettrali di efficienza necessari per le bande di mmWave. Ad esempio, una gamma rada con 32 elementi può raggiungere una copertura simile a un array di frequenze dense a 64-elementi se ottimizzato a 6-elementi di frequenze.

Sistemi radar e sonar

Le applicazioni radar, dal controllo delle crociere automobilistiche al radar di sorveglianza a lungo raggio, beneficiano direttamente di array radi.Il radar automobilistico (77-79 GHz) utilizza piccoli array; le configurazioni sparse possono ridurre i costi, fornendo la risoluzione angolare necessaria per rilevare pedoni e veicoli.

Comunicazione satellitare e Radar basato sullo spazio

I carichi di carico di Spacecraft sono rigorosi e sono in grado di creare un'ampia apertura mantenendo il numero di elementi attivi gestibili. I satelliti di osservazione della Terra utilizzano array radi per il radar di apertura sintetica (SAR) per ottenere immagini ad alta risoluzione del pianeta. La configurazione rada riduce il numero di moduli di trasmissione/ricevimento, che sono tra i componenti più costosi di un satellite.

Imaging medico degli ultrasuoni

Le sonde ultrasuoni utilizzano array di elementi piezoelettrici per formare immagini. Le array di Sparse per l'ecografia possono migliorare la risoluzione dei sistemi utilizzando meno elementi, riducendo il numero di canali e quindi il costo del sistema di imaging. Ciò è particolarmente importante per dispositivi portatili e a basso costo destinati all'uso nelle regioni rurali o in via di sviluppo.

Recenti Avanzamenti e future direzioni

Il campo della progettazione di array radi si sta evolvendo rapidamente. Varie tendenze stanno spingendo i confini di ciò che è possibile. Uno è l'uso di [ array radi configurabili[[]]] che possono cambiare le loro posizioni di elemento meccanicamente o tramite switch per adattarsi a diversi profili di missione.

Un'altra direzione promettente è ] progettazione di array basata sull'apprendimento[]. Invece di algoritmi evolutivi, reti neurali convoluzionali end-to-end possono essere addestrate per mappare i requisiti di prestazioni direttamente alle posizioni degli elementi.

L'integrazione di elementi metamateriali[[]] con array radi sta aprendo nuovi gradi di libertà. Le antenne metamateriali possono fornire controllo di fase e ampiezza a un livello di granularità che rende i array radi ancora più efficaci, poiché ogni meta-atom può essere sintonizzato per compensare lobi gratificanti.

Infine, comunicazione congiunta e rilevamento[[] (JCAS) sistemi che eseguono la comunicazione radar e wireless simultaneamente sono un caso di utilizzo ideale per array radi. L'array deve supportare due funzioni diverse con requisiti di pattern eventualmente in conflitto.

Conclusioni

Le configurazioni di array Sparse non sono solo una misura di taglio dei costi; sono una filosofia di progettazione che riconosce i limiti pratici dell'hardware, sfruttando algoritmi avanzati per preservare le prestazioni. Riducendo il conteggio degli elementi, i bassi array di costi, peso e complessità senza sacrificare la risoluzione angolare.