Introduzione alle geometrie a raggi infrarossi

Gli array di Antenna sono una pietra angolare dei moderni sistemi di radiofrequenza, consentendo un controllo preciso sulla direzione e sulla forma dell'energia irradiata.

Questo articolo esplora i principi, i vantaggi e gli scambi di antenne circolari ed ellittiche, esaminando le loro basi matematiche, le caratteristiche di performance chiave, le considerazioni pratiche di progettazione e le applicazioni reali.

Il ruolo della geometria array nel controllo del modello di radiazione

Ogni array di antenna ha una geometria — le coordinate di ogni elemento. Per una serie lineare, gli elementi si trovano lungo una linea; per una matrice planare, si trovano in un piano. Le matrici circolari ed ellittiche sono sottoset specifici di array planari dove gli elementi sono disposti lungo una curva chiusa. La geometria influenza come la fase e l'ampiezza accennano mappa nel modello di radiazione di campo lontano.

AF(θ, φ) = Σn An exp(j k · rn)

dove rn] è il vettore di posizione del [n-th element, Un è la sua eccitazione complessa e ]k è il vettore d'onda che porta ad una curva elliptica circolare.

Metrics chiave di prestazione

Quando si valutano geometrie di array, gli ingegneri considerano la direttività, la larghezza di trave di metà potenza (HPBW), il livello di lobo laterale (SLL), e la possibilità di grattugiare lobi. Per array circolari ed ellittici, la curvatura del locus elemento spesso riduce i lobi di grattugiatura perché la spaziatura inter-elementare non è costante in tutte le direzioni, ma può anche introdurre la fase lineare.

Arredi circolari – Simmetria e Versatilità

Una serie circolare consiste di elementi antenne ugualmente distanziati lungo la circonferenza di un cerchio. Questa geometria è tra i più simmetrici possibile per una matrice planare, offrendo una copertura azimutale uniforme quando tutti gli elementi sono alimentati con uguale ampiezza e zero progressione di fase.

Geometria e spaziatura degli elementi

Per una serie di elementi di tipo circolare N] e il raggio R], la distanza angolare tra gli elementi adiacenti è Δφ = 2π / N. La posizione dell'elemento -esimo elemento nel piano di schieramento è [R cosciente φ[6

Eccitazione di fase e di formatura

Per guidare il fascio principale di una matrice circolare verso una direzione desiderata (θ[0, φ0), la fase di eccitazione all'elemento ]][]]] deve compensare la differenza di lunghezza del percorso rispetto ad un punto di riferimento al centro di array:

[]] ] = k R sin θ0[[ ]] ] – φ0]]]]] ]]]]]]]] [[FLT]]]]]]]]] [[FLT]]]]]]]]]]]] [FLT]]]] [FLT]]]]]]]]]] [FLT[FLT]]]]]]]]]]] [FLT[FLT]]]]]]]]]]]] [FLT[FLT]]]]]]]]]]]]] [FLT[FLT[FLT[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[FLT[FLT

Questa funzione di fase è cosìnusoidale rispetto all'indice degli elementi. In pratica, i cambiamenti di fase vengono implementati utilizzando turni di fase o teletrasformatura digitale. Gli array circolari possono produrre un fascio principale che è stabile su 360° in azimuth senza una distorsione di pattern significativa, a differenza di array lineari che soffrono di una gamma di scansione limitata e di ampliamento del modello.

Caratteristiche del modello di radiazione

Il modello di radiazione di un array circolare uniformemente eccitato (tutti gli elementi di uguale ampiezza, fase zero) è omnidirezionale in azimuth e ha un ampio lobo principale in elevazione. Quando l'array è phased per formare un fascio, il modello è ben approssimato dalle funzioni di Bessel.

Un'altra caratteristica notevole è che gli array circolari espongono un null[] lungo l'asse perpendicolare al piano di array (l'asse z) quando si utilizza l'eccitazione a lato largo.

Applicazioni pratiche di argini circolari

Gli array circolari sono impiegati in una varietà di sistemi specializzati:

  • Risultato di direzione (DF): La simmetria di array circolari permette una stima accurata dell'angolo di arrivo (AoA) su un 360° utilizzando tecniche come la super-risoluzione (ad esempio MUSIC, ESPRIT). Molti sistemi commerciali DF utilizzano array circolari di monopoli verticali.
  • astronomia radio:[] L'Array del Telescopio Allen e alcuni altri telescopi radio utilizzano configurazioni circolari per sintetizzare grandi aperture efficaci per l'imaging.
  • Comunicazioni intelligenti:[[] I terminali satellitari mobili utilizzano spesso array circolari per tracciare satelliti geostazionari mentre il terminale ruota. L'invarianza di scansione garantisce prestazioni di collegamento costanti.
  • Sistemi di radar:[] Alcuni radar di sorveglianza dell'aria utilizzano array circolari per fornire una copertura a 360° con scansione elettronica del fascio, eliminando la necessità di un piedistallo rotante.

Sfide di progettazione

La progettazione di una serie circolare comporta diverse sfide. L'accoppiamento reciproco tra gli elementi varia con separazione angolare e può causare una significativa distorsione di impedenza e di pattern. Questo è più grave che negli array lineari perché gli elementi sono ugualmente distanziati intorno al cerchio, e l'ambiente di accoppiamento cambia con lo sterzo del fascio.

Le reti di alimentazione per array circolari sono anche complesse, soprattutto per i sistemi a banda larga. Un mangime aziendale con lunghezze di percorso uguali a tutti gli elementi richiede molte lunghezze di cavi e turni di fase. Il teletrasformamento digitale semplifica l'architettura fornendo ampiezza e controllo di fase indipendenti per elemento, ma il carico di acquisizione e elaborazione dei dati aumenta in linea con N.

Arredi ellittici – Asimmetria su misura

Gli array ellittici generalizzano gli array circolari mettendo gli elementi lungo un ellisse piuttosto che un cerchio. La lunghezza dell'asse principale 2a e l'asse minore 2b definiscono la forma, con eccentricità e = sqrt(1 – b2/a2). Questa asimmetria nella geometria porta a corrispondente asimmetria nel modello di radiazione, che può essere sfruttata per soddisfare i requisiti di copertura che non sono azimuthally uniform.

Descrizione matematica delle argini ellittiche

La posizione del n[]-esimo elemento su un ellisse incentrato all'origine è:

x[]]n[]] = un cos φ]n[[], y]]n = b sin φn]]]]][FLT]]]]]][FLT]]]][FLT]]]][FLT]]]]]]][FLT]]][FLT]]]]]]]][FLT]]][FLT]]]]]]][FLT] [[FLT]]]]]]]]][FLT]]]]]]][FLT]]]]][FLT]][FLT]]]]][FLT]]]]]]]]]][FLT]]]]]]]]][FLT]]]][FLT]][F

dove φn[]] sono i parametri angolari. Gli elementi possono essere ugualmente distanziati nell'angolo φ (non in lunghezza arco) o ugualmente distanziati in lunghezza d'arco lungo l'ellisse. La spaziatura angolare uniforme semplifica il calcolo di fase ma comporta una spaziatura inter-elettrica non uniforme lungo l'arco, che può influenzare il rendimento di archi grattanti più complessi.

Il fattore di array per una serie ellittica diventa:

AF(θ, φ) = Σn An exp[jk (a cos φ]n sin θ cos φ + b sin φn sin θ sin φ]]]]]

A differenza della cassa circolare, la geometria non è invariante sotto rotazione; il modello dipende dall'orientamento dell'ellisse rispetto al piano di osservazione.

Schemi di radiazioni

Gli array ellittici producono schemi di fascio ellittico quando uniformemente eccitati — la larghezza di trave nel piano dell'asse principale è più stretta che nel piano dell'asse minore. Questa proprietà permette al progettista di modellare la regione di copertura in una direttiva ellisse sul terreno, che è altamente auspicabile per i raggi spot satellitari, i settori cellulari terrestri, e le impronte eccentriche regolano i radar.

Lo sterzo di fase di un array ellittico segue una funzione simile del cosne come la cassa circolare, ma l'ampiezza del termine del cosne è scalata dalle lunghezze semiasse. Ciò significa che la scansione nella direzione dell'asse principale richiede escursioni di fase più grandi, potenzialmente crescenti sidelobes. Tuttavia, l'amplificazione asimmetrica può essere applicata a una forma di modello di controllo ulteriore — per esempio, utilizzando un nastro più alto lungo l'asse principale per ridurre i costi laterali.

Confronto con Array circolari per Copertura settoriale

Considerare uno scenario in cui la regione di copertura è un settore di 90° in azimut e 20° in elevazione, come in un'antenna di stazione di base. Un array circolare produrrebbe un modello simmetrico che spreca energia al di fuori del settore. Un array ellittico, con il suo asse maggiore allineato orizzontalmente e asse minore verticalmente, può produrre un fascio ellittico che si adatta strettamente alla forma del settore.

In termini quantitativi, la direttività di un array ellittico con un fascio che ha una sezione trasversale ellittica è superiore a quella di una schiera circolare con un fascio circolare che copre lo stesso angolo solido. Il rapporto è approssimativamente proporzionale al rapporto assiale del fascio. Per un raggio di settore tipico (larghezza azimutata ~65°, larghezza di traslazione di elevazione ~10°), il guadagno di direttività può essere 2-3 dB su una circolare.

Applicazioni in Comunicazione radar e satellitare

Le matrici ellittiche sono sempre più utilizzate in:

  • Radar meteorologia di array: Per produrre un raggio più stretto in azimut per una migliore risoluzione a banda trasversale, mantenendo una copertura di elevazione ragionevole.
  • Antenne satellitari LIO (L'orbita terrestre bassa) Per tracciare satelliti che si muovono attraverso un ampio intervallo di azimut ma hanno un angolo di elevazione relativamente costante. Un array ellittico può essere orientato per avere una larghezza di raggio larga nel piano di scansione e una larghezza di raggio stretta nel piano ortogonale.
  • radar marino e aereo:[] Per abbinare la forma di impronta necessaria per la sorveglianza marittima o la mappatura a terra.
  • Le antenne a onde millimetriche sono state utilizzate da tempo, ma gli array planari ellittici sono ora fattibili per i sistemi 5G e 6G per modellare la copertura delle stazioni di base con distribuzione non uniforme dell'utente.

Considerazioni di progettazione e trade-off

Progettare una serie ellittica presenta ulteriori complessità su array circolari:

  • Non uniformi accoppiamenti:[] L'accoppiamento reciproco tra gli elementi dipende dalla loro separazione, che varia lungo l'ellisse. Questo può causare l'impedenza attiva a variare significativamente dall'elemento all'elemento, rendendo l'impedenza corrispondente all'array difficile.
  • Ammire asimmetria:[ Il modello di radiazione non è azimutalmente simmetrico, che può essere uno svantaggio se è richiesta una copertura a 360°. Tuttavia, più array ellittici possono essere combinati in una configurazione commutata.
  • Rete di alimentazione:[] La distribuzione di ampiezza può essere adattata asimmetricamente per produrre un raggio ellittico pulito, aumentando così la complessità dei pesi di alimentazione o di beamformer aziendali.
  • Grating lobe control: Poiché la spaziatura degli elementi non è uniforme, i criteri di gratificazione dello lobo devono essere controllati per tutte le direzioni radiali.

Nonostante queste sfide, gli array ellittici offrono un unico grado di controllo del pattern che non può essere raggiunto con array circolari o lineari.

Argomenti avanzati nell'ottimizzazione della geometria array

Molti sistemi moderni impiegano algoritmi di ottimizzazione per determinare posizioni degli elementi che raggiungono un modello di obiettivo con i pochi elementi, tra cui algoritmi genetici, ottimizzazione dello swarm delle particelle e tecniche di rilevamento compresso.

Metodi di ottimizzazione numerica

Piuttosto che fissare elementi a un cerchio perfetto o ellisse, si può perturbare le posizioni leggermente per ridurre lobi laterali o per modellare il fascio. Questo è spesso chiamato array diradamento] o ]]] densità di rastrellamento]].

Array ibridi e conformi

Combinando i concetti circolari ed ellittici, si possono analizzare gli array ibridi, come un anello ellittico con una patch circolare del centro, o gli array dove le posizioni degli elementi sono disegnate da una distribuzione ellittica ma con un componente casuale.

Integrazione con Digital Beamforming

I moderni sistemi di teletrasformazione digitale possono gestire con facilità le complesse distribuzioni di fase e ampiezza necessarie per gli array circolari ed ellittici. Il costo degli apparecchi analogici è sostituito dall'elaborazione digitale del segnale, che può anche eseguire la nullità adattativa, la calibrazione e la generazione multi-sonda.

Conclusioni

Le geometrie circolari ed ellittiche offrono vantaggi distinti per la generazione di modelli di radiazione specializzati. Le linee circolari forniscono raggi simmetrici e sterili con una copertura azimutale costante, rendendole ideali per applicazioni che richiedono una scansione a 360° senza rotazione meccanica.

Mentre gli array circolari sono più semplici da analizzare e sono ben supportati da formule standard di teletrasformazione, gli array ellittici offrono un grado di flessibilità del modello che può migliorare significativamente le prestazioni del sistema in scenari con requisiti angolari non uniformi.

Poiché i sistemi wireless si evolvono verso frequenze più elevate e obiettivi di performance più esigenti, la comprensione e lo sfruttamento della geometria dell'array resteranno un'abilità critica per gli ingegneri dell'antenna. Entrambe le configurazioni circolari ed ellittiche giocheranno ruoli duraturi nella progettazione di modelli di radiazione specializzati per le comunicazioni, il radar e la sensibilizzazione.