Arreglo de fase

Existen dos tipos principales de conformadores de haces. Estos son los conformadores de haces en el dominio del tiempo ^{[ 12 ]} y los conformadores de haces en el dominio de la frecuencia . ^{[ 13 ] [ 14 ]} Desde un punto de vista teórico, ambos son en principio la misma operación, y solo una transformada de Fourier permite la conversión de un tipo a otro.

En ocasiones, además del desplazamiento de fase, se aplica una ventana de atenuación gradual a lo largo de la superficie del conjunto para mejorar el rendimiento de la supresión de lóbulos laterales.

El conformador de haces en el dominio del tiempo ^{[ 15 ]} funciona introduciendo retardos temporales. La operación básica se denomina "retardo y suma". Retrasa la señal entrante de cada elemento del arreglo durante un cierto tiempo y luego las 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 onda serpentina. Los diseños de arreglos de fase activos utilizan líneas de retardo individuales que se activan y desactivan. Los desfasadores de granate de hierro e itrio varían el retardo de fase mediante la intensidad de un campo magnético.

Existen dos tipos diferentes de conformadores de haces en el dominio de la frecuencia.

El primer tipo separa los distintos componentes de frecuencia presentes en la señal recibida en múltiples bandas de frecuencia (mediante una transformada discreta de Fourier (DFT) o un banco de filtros ). Al aplicar diferentes conformadores de haz de retardo y suma a cada banda de frecuencia, el lóbulo principal apunta simultáneamente en múltiples direcciones distintas para cada una de las frecuencias. Esto puede resultar ventajoso para los enlaces de comunicación y se utiliza con el radar SPS-48 .

El otro tipo de conformador de haces en el dominio de la frecuencia utiliza la frecuencia espacial. Se toman muestras discretas de cada uno de los elementos individuales del arreglo. Estas muestras se procesan mediante una transformada discreta de Fourier (DFT). La DFT introduce múltiples desfases discretos durante el procesamiento. Las salidas de la DFT son canales individuales que corresponden a haces uniformemente espaciados formados simultáneamente. Una DFT unidimensional produce un abanico de haces diferentes. Una DFT bidimensional produce haces con una configuración en forma de piña .

Estas técnicas se utilizan para crear dos tipos de arreglos de fase.

• Dinámico : se utiliza una serie de desplazadores de fase variables para mover el haz ^{[ 16 ].} 

• Fijo : la posición del haz es estacionaria con respecto a la cara del arreglo y toda la antena se mueve ^{[ 17 ].} 

Existen dos subcategorías adicionales que modifican el tipo de matriz dinámica o matriz fija.

• Activo : los amplificadores o procesadores están en cada elemento del cambiador de fase ^{[ 18 ].} 

• Pasivo : gran amplificador central con desfasadores atenuadores ^{[ 19 ]} 

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

Los conjuntos de antenas de fase dinámica no requieren 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 estrecho para rastrear simultáneamente múltiples objetivos mientras se buscan nuevos objetivos con un solo equipo 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 tardará aproximadamente 8 segundos en cubrir un hemisferio completo 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 millas) , lo cual resulta adecuado para aplicaciones militares.     

La posición de las antenas de orientación mecánica se puede predecir, lo que permite crear contramedidas electrónicas que interfieran con el funcionamiento del radar. La flexibilidad que ofrece el funcionamiento de las antenas de fase permite dirigir los haces a ubicaciones aleatorias, eliminando así esta vulnerabilidad. Esto también resulta ventajoso para aplicaciones militares.

Las antenas de arreglo de fase fijo se utilizan normalmente para crear una antena con un factor de forma más deseable que el reflector parabólico o el reflector Cassegrain convencionales . Los arreglos de fase fijos incorporan desplazadores de fase fijos. Por ejemplo, la mayoría de las torres de antenas comerciales de radio FM y televisión utilizan un arreglo de antenas colineales , que es un arreglo de fase fijo de elementos dipolo.

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

• Múltiples frecuencias con una línea de retardo
• Múltiples haces adyacentes

El radar SPS-48 utiliza múltiples frecuencias de transmisión con una línea de retardo serpentina a lo largo del lado izquierdo de la antena para generar un haz vertical apilado. Cada frecuencia experimenta un desfase diferente al propagarse por la línea de retardo serpentina, lo que da lugar a la formación de distintos haces. Un banco de filtros se utiliza para separar los haces de recepción individuales. La antena gira mecánicamente.

El guiado por radar semiactivo utiliza un radar monopulso que se basa en una matriz de fase fija para producir múltiples haces adyacentes que miden los errores angulares. Este formato es adecuado para el montaje sobre cardán en los buscadores de misiles.

Los elementos de las matrices de barrido electrónico activo (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. El ajuste del desplazador de fase es el mismo para la transmisión y la recepción. ^{[ 20 ]}

Los conjuntos de antenas de fase activa 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 .

Los conjuntos de antenas pasivas en fase suelen utilizar amplificadores de gran tamaño que generan toda la señal de transmisión de microondas para la antena. Los desfasadores suelen constar de elementos de guía de ondas controlados por campo magnético, gradiente de voltaje o tecnología equivalente. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

El proceso de desplazamiento de fase utilizado con los conjuntos de antenas pasivas en fase generalmente coloca el haz de recepción y el haz de transmisión en cuadrantes diagonalmente opuestos. El signo del desplazamiento 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. Esto requiere un impulso de fase que degrada el rendimiento de la visibilidad de la interferencia en radares Doppler y radares de pulso-Doppler. Por ejemplo, los desfasadores 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. Este impulso introduce ruido FM que degrada el rendimiento de la interferencia.

El diseño de matriz de fase pasiva se utiliza en el sistema de combate AEGIS ^{[ 23 ]} para la estimación de la dirección de llegada .

La directividad total de una matriz de fase será el resultado de la ganancia de los elementos individuales de la matriz y la directividad debida a su posición en la misma. Este último componente está estrechamente relacionado con el factor de matriz , pero no es igual a él . ^{[ 15 ] [ 35 ] [ 15 ]} En una matriz de fase planar (rectangular), de dimensiones${\displaystyle M\times N}$, con espaciamiento entre elementos${\displaystyle d_{x}}$y${\displaystyle d_{y}}$, respectivamente, el factor de matriz se puede calcular de acuerdo con ^{[ 2 ] [ 35 ]} :

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

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

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

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

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

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

Estas ecuaciones se pueden resolver para predecir los nulos, el lóbulo principal y los lóbulos de difracción del arreglo. Haciendo referencia a los exponentes en la ecuación del factor del arreglo, podemos decir que los lóbulos principal y de difracción ocurrirán en valores enteros.${\displaystyle m,n=0,1,2,\dots }$ soluciones a las siguientes ecuaciones: ^{[ 2 ] [ 35 ]}

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

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

En ingeniería es común utilizar sistemas de antenas en fase.${\displaystyle AF}$valores en decibelios a través de${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}AF}$Recordando la exponencial compleja 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 que se produce al final del cálculo del factor de matriz. Con esto, podemos obtener la siguiente ecuación:$${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}\left\|\sum _{n=1}^{N}I_{1n}\left[\sum _{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm {e} ^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}\right)}\right]\mathrm {e} ^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}\right)}\right\|}$$Para facilitar la visualización, analizaremos el factor de la matriz dado un acimut y una elevación de entrada , que mapearemos al marco de la matriz.${\displaystyle \theta }$y${\displaystyle \phi }$mediante la siguiente conversión:

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

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

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

Si consideramos un${\displaystyle 16\times 16}$matriz de fase, este proceso proporciona los siguientes valores para${\displaystyle AF_{dB}}$, al apuntar al eje principal (${\displaystyle \theta _{0}=0^{\circ }}$,${\displaystyle \phi _{0}=0^{\circ }}$):

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

Los radares de matriz en fase se inventaron para el seguimiento por radar de misiles balísticos, y debido a su rápida capacidad de seguimiento, se utilizan ampliamente en aplicaciones militares. Por ejemplo, gracias 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 único sistema de radar para la detección y el seguimiento de superficie (localización de buques), la detección y el seguimiento aéreo (localización de aeronaves y misiles) y la transmisión de datos a misiles. Antes de utilizar estos sistemas, cada misil superficie-aire en vuelo requería un radar de control de tiro específico , lo que significaba que las armas guiadas por radar solo podían atacar un número reducido de objetivos simultáneamente. Los sistemas de matriz en fase se pueden utilizar para controlar misiles durante la fase intermedia de su vuelo. Durante la fase terminal, los directores de control de tiro de onda continua proporcionan la guía final al objetivo. Dado que el patrón de la antena se dirige electrónicamente , los sistemas de matriz en fase pueden dirigir los haces de radar con la suficiente rapidez como para mantener un seguimiento preciso de múltiples objetivos simultáneamente, al tiempo que controlan varios misiles en vuelo.

El radar de matriz de 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 guiado de misiles simultáneamente con una capacidad de más de 100 objetivos". ^{[ 36 ]} Asimismo, el radar multifunción de matriz de 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, confirmación e inicio de seguimiento automáticos de objetivos en un solo escaneo, al tiempo que proporciona actualizaciones de guiado a mitad de trayectoria a los misiles MBDA Aster lanzados desde el buque. ^{[ 37 ]} La Armada alemana y la Armada Real holandesa han desarrollado el Sistema de Radar de Matriz de Fase Activa (APAR). El MIM-104 Patriot y otros sistemas antiaéreos terrestres utilizan radares de matriz de fase para obtener beneficios similares.

Los conjuntos de antenas en fase se utilizan en el sonar naval, tanto en sistemas activos (transmisión y recepción) como pasivos (solo recepción), así como en sistemas de sonar de matriz montados en el casco y remolcados .

Uno de los primeros conjuntos de antenas acústicas de fase fue el dispositivo alemán Gruppenhorchgerät .

En acústica, también se utilizan conjuntos de micrófonos y conjuntos lineales de altavoces.

La nave espacial MESSENGER fue una misión de exploración espacial al planeta Mercurio (2011-2015 ^{[ 38 ]} ). Esta fue la primera misión al espacio profundo en utilizar una antena de matriz en fase para comunicaciones . Los elementos radiantes son guías de onda ranuradas con polarización circular . La antena, que utiliza la banda X , empleaba 26 elementos radiantes y puede degradarse gradualmente . ^{[ 39 ]}

El Laboratorio Nacional de Tormentas Severas ha estado utilizando una antena de matriz en fase SPY-1A, proporcionada por la Armada de los Estados Unidos, 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 permitirá aumentar los tiempos de alerta y mejorar la 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 Armada 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 Estatales de Educación Superior de Oklahoma, la Administración Federal de Aviación y el Ministerio de Comercio e Industria. El proyecto incluye investigación y desarrollo , transferencia de tecnología futura y el posible despliegue del sistema en todo Estados Unidos. Se espera que su finalización tome entre 10 y 15 años y la construcción inicial costó aproximadamente 25 millones de dólares. ^{[ 40 ]} Un equipo del Instituto Avanzado de Ciencias Computacionales (AICS) de RIKEN de Japón ha comenzado un trabajo experimental sobre el uso de un radar de matriz de fase con un nuevo algoritmo para pronósticos meteorológicos instantáneos . ^{[ 41 ]}

Dentro del espectro visible e infrarrojo de las ondas electromagnéticas es posible construir matrices de fase óptica (OPA) que permiten la formación y dirección dinámica de haces sin partes mecánicas móviles. ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]} Se utilizan en multiplexores de longitud de onda y filtros para fines de telecomunicaciones, ^{[ 42 ]} así como en Lidar , ^{[ 43 ]} comunicación óptica en espacio libre , ^{[ 45 ] [ 46 ]} y holografía. También se ha demostrado que las OPA permiten proyectores sin lentes, ^{[ 47 ]} cámaras sin lentes, ^{[ 48 ] [ 49 ]} y pinzas ópticas a escala de chip . ^{[ 50 ]}

Debido a las longitudes de onda cortas, los OPA se realizan típicamente en plataformas de circuitos integrados fotónicos nanofabricados que utilizan materiales como silicio sobre aislante , ^{[ 42 ]} germanio sobre silicio , ^{[ 51 ]} nitruro de silicio ^{[ 52 ]} o polímeros. ^{[ 53 ]}

La detección heterodina de matriz sintética es un método eficiente para multiplexar una matriz de fase completa en un fotodetector de un solo elemento .

Starlink es una constelación de satélites en órbita terrestre baja disponible en más de cien países. Proporciona conectividad a internet de banda ancha a los consumidores; los terminales de usuario del sistema utilizan antenas de matriz en fase. ^{[ 54 ]}

Para 2014, las antenas de matriz en fase se integraron 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 . ^{[ 55 ]}   

En 2008, en el Laboratorio Shinoda de la Universidad de Tokio, se desarrolló una matriz de transductores acústicos en fase, denominada pantalla táctil de ultrasonido aerotransportada (AUTD, por sus siglas en inglés), para inducir retroalimentación táctil. ^{[ 56 ]} Se demostró que este sistema permite al usuario manipular interactivamente objetos holográficos virtuales. ^{[ 57 ]}

Los alimentadores de matriz en fase (PAF) ^{[ 58 ]} se han utilizado recientemente en el foco de los radiotelescopios para proporcionar muchos haces, lo que les da un campo de visión muy amplio . Tres ejemplos son el telescopio ASKAP en Australia , la actualización Apertif del radiotelescopio de síntesis de Westerbork en los Países Bajos y el Instituto Espacial de Florida en los Estados Unidos.

En ingeniería de radiodifusión , el término "arreglo de fase" tiene un significado distinto al habitual: se refiere a una antena de arreglo convencional , un conjunto de múltiples radiadores de mástil diseñados para irradiar un patrón de radiación direccional , a diferencia de un mástil único que irradia un patrón omnidireccional . Los arreglos de fase para radiodifusión tienen patrones de radiación fijos y no se "orientan" durante su funcionamiento como otros arreglos de fase.

Las antenas de fase son utilizadas por muchas estaciones de radio AM para mejorar la intensidad de la señal y, por lo tanto, la cobertura en la ciudad de licencia , minimizando al mismo tiempo 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 radio 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 individuales de la antena ( radiadores de mástil ) diariamente al amanecer y al atardecer . Para las transmisiones de onda corta , muchas estaciones utilizan conjuntos de dipolos horizontales. Una configuración 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 suele ser conmutable para permitir la orientación del haz en azimut y, a veces, en elevación.