Matriz en fase

Animación mostrando cómo funciona una matriz gradual. Se compone de un conjunto de elementos de antena (A) alimentado por un transmisor (TX). La corriente de alimentación de cada elemento pasa a través de un cambio de fase (φ) controlado por un ordenador (C). Las líneas rojas móviles muestran las ondas de las ondas de radio emitidas por cada elemento. Los frentes de onda individuales son esféricos, pero se combinan (superpose) frente a la antena para crear una onda de avión, un rayo de ondas de radio que viajan en una dirección específica. Los cambiadores de fase retrasan las ondas de radio subiendo progresivamente la línea para que cada antena emita su frente de onda más adelante que el que está debajo. Esto hace que la onda de avión resultante se dirija a un ángulo Silencio al eje de la antena. Al cambiar la fase cambia el ordenador puede cambiar instantáneamente el ángulo Silencio de la viga. La mayoría de los arrays escalonados tienen arrays bidimensionales de antenas en lugar de la matriz lineal mostrada aquí, y el haz se puede dirigir en dos dimensiones. La velocidad de las ondas de radio mostradas se ha ralentizado en este diagrama.

La animación que muestra el patrón de radiación de una matriz gradual de 15 elementos de antena espaciados un cuarto de longitud de onda, ya que la diferencia de fase entre las antenas adyacentes es barrida entre −120 y 120 grados. El área oscura es el rayo o el lóbulo principal, mientras que las líneas de luz que se hinchan alrededor son sidelobes.

En la 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 ser dirigido electrónicamente para apuntar en diferentes direcciones sin mover las antenas.

En una antena de matriz 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 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 cambiadores de fase, 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 en muchas longitudes de onda para lograr la alta ganancia necesaria para un ancho de haz estrecho, los conjuntos en fase son principalmente prácticos en el extremo de alta frecuencia del espectro de radio, en las bandas UHF y microondas, en las que las longitudes de onda operativas son convenientemente pequeña.

Los arreglos en fase se concibieron originalmente para su uso en sistemas de radar militar, para dirigir un haz de ondas de radio rápidamente a través del cielo para detectar aviones y misiles. Estos sistemas ahora se usan ampliamente y se han extendido a aplicaciones civiles como 5G MIMO para teléfonos celulares. El principio de matriz en fase también se usa 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 "matriz en fase" también se utiliza en menor medida para conjuntos de antenas no dirigidos en los que la fase de la potencia de alimentación y, por lo tanto, el patrón de radiación del conjunto de antenas es fija. Por ejemplo, las antenas de radiodifusión AM que consisten en múltiples radiadores de mástil alimentados para crear un patrón de radiación específico también se denominan "conjuntos en fase".

Tipos

Los arreglos en fase toman múltiples formas. Sin embargo, los cuatro más comunes son la matriz de exploración electrónica pasiva (PESA), la matriz de exploración electrónica activa (AESA), la matriz en fase de formación de haz híbrido y la matriz de formación de haz digital (DBF).

Una matriz en fase pasiva o matriz pasiva escaneada electrónicamente (PESA) es una matriz en fase en la que los elementos de la antena están conectados a un solo 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 arreglo.

Una matriz en fase activa o matriz activa escaneada electrónicamente (AESA) es una matriz en fase en la que cada elemento de antena tiene un módulo transmisor/receptor analógico (T/R). lo que crea el cambio de fase necesario para dirigir electrónicamente el haz de la antena. Las matrices activas son una tecnología de matriz 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 una AESA. Cada formador de haz tiene conectado un receptor/excitador.

Se puede pensar en una matriz en fase de formación de haz híbrido como una combinación de AESA y una matriz en fase de formación de haz 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 subarreglo 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 es una matriz en fase en la que las antenas individuales, en lugar de estar dispuestas en un plano plano, están montadas sobre una superficie curva. Los desfasadores compensan las diferentes longitudes de trayectoria de las ondas debido a los elementos de antena' posición variable en la superficie, lo que permite que la matriz irradie una onda plana. Las antenas conformes se utilizan en aeronaves y misiles, para integrar la antena en la superficie curva de la aeronave para reducir la resistencia aerodinámica.

Historia

La antena direccional 1905 de Ferdinand Braun que utilizó el principio de matriz gradual, consistente en 3 antenas monopolistas en un triángulo equilátero. Un retraso de cuarto de onda en la línea de alimentación de una antena hizo que el array se radiara en un rayo. El retraso se puede cambiar manualmente en cualquiera de los 3 feeds, girando el haz de antena por 120°.

US PAVE PAWS radar de detección de misiles balísticos en Alaska. Completado en 1979, fue uno de los primeros arrays de fase activa.

Closeup of some of the 2677 crossed dipole antenna elements that make up the plano array. Esta antena produjo una estrecha viga "pencil" de sólo 2.2° de ancho.

BMEWS & PAVE PAWS Radars

radar de matriz gradual de Mammut II

La transmisión de matriz en fase fue mostrada originalmente en 1905 por el premio Nobel Karl Ferdinand Braun, quien demostró una transmisión mejorada de ondas de radio en una dirección. Durante la Segunda Guerra Mundial, el premio Nobel Luis Álvarez utilizó la transmisión de matriz en fase en un sistema de radar orientable rápidamente para la "aproximación controlada desde tierra", un sistema para ayudar en el aterrizaje de aeronaves. Al mismo tiempo, la GEMA en Alemania construyó el Mammut 1. Más tarde se adaptó para la radioastronomía, lo que llevó a los Premios Nobel de Física a Antony Hewish y Martin Ryle después de que se desarrollaran varias matrices en fase grandes en la matriz de centelleo interplanetario de la Universidad de Cambridge. Este diseño también se utiliza para radar y se generaliza en antenas de radio interferométricas.

En 2004, los investigadores de Caltech demostraron el primer receptor de matriz en fase integrado basado en silicio a 24 GHz con 8 elementos. A esto le siguió la demostración de un transmisor de matriz en fase CMOS de 24 GHz en 2005 y un transceptor de matriz en fase de 77 GHz completamente integrado con antenas integradas en 2006 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 se integró con todos los circuitos necesarios en un solo chip de silicio y funcionó a 30-50 GHz.

Las amplitudes relativas y los efectos de interferencia constructivos y destructivos entre las señales radiadas por las antenas individuales determinan el patrón de radiación efectivo del conjunto. Se puede usar 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.

Aplicaciones

Difusión

En ingeniería de transmisión, el término 'matriz en fase' tiene un significado diferente de su significado normal, significa un conjunto de antenas ordinario, un conjunto de radiadores de múltiples mástiles diseñados para irradiar un patrón de radiación direccional, a diferencia de un solo mástil que irradia un patrón omnidireccional. Los arreglos en fase de transmisión tienen patrones de radiación fijos y no son 'dirigidos'. durante el funcionamiento, al igual que otros arreglos en fase.

Muchas estaciones de radiodifusión 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 ionosférica) 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 usan conjuntos de dipolos horizontales. Un arreglo común usa 16 dipolos en una matriz de 4×4. Por lo general, esto se encuentra frente a un reflector de rejilla de alambre. La fase a menudo se puede cambiar para permitir la dirección del haz en azimut y, a veces, en elevación.

Radar

Las matrices en fase se inventaron para el seguimiento por radar de misiles balísticos y, debido a sus capacidades de seguimiento rápido, los radares de matriz en fase se utilizan ampliamente en aplicaciones militares. Por ejemplo, debido 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 sistema de radar para detección y seguimiento en superficie (búsqueda de barcos), detección y seguimiento aéreo (búsqueda de aeronaves y misiles) y capacidades de enlace ascendente de misiles.. Antes de usar estos sistemas, cada misil tierra-aire en vuelo requería un radar de control de fuego dedicado, lo que significaba que las armas guiadas por radar solo podían atacar una pequeña cantidad de objetivos simultáneos. Los sistemas de matriz en fase se pueden usar para controlar misiles durante la fase intermedia del vuelo del misil. Durante la parte terminal del vuelo, los directores de control de tiro de onda continua brindan la guía final al objetivo. Debido a que el patrón de la antena se dirige electrónicamente, los sistemas de matriz en fase pueden dirigir los haces de radar lo suficientemente rápido como para mantener un seguimiento de calidad de control de fuego en muchos objetivos simultáneamente y al mismo tiempo controlar varios misiles en vuelo.

Active Phased Array Radar montado sobre la fragata de clase Sachsen F220 Hamburgo superestructura de la Marina Alemana

El radar de matriz en fase AN/SPY-1, parte del sistema de combate Aegis desplegado en los cruceros y destructores estadounidenses modernos, es capaz de realizar funciones de búsqueda, rastreo y guía de misiles simultáneamente con una capacidad de más de 100 objetivos.." 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 del seguimiento en un solo escaneo, al tiempo que proporciona orientación a mitad de camino. actualizaciones de los misiles MBDA Aster lanzados desde el barco. La Marina Alemana y la Marina Real Holandesa han desarrollado el Sistema de Radar de Matriz en Fase Activa (APAR). El MIM-104 Patriot y otros sistemas antiaéreos basados en tierra utilizan un radar de matriz en fase para obtener beneficios similares.

Los arreglos en fase se utilizan en el sonar naval, en el sonar de arreglo activo (transmisión y recepción) y pasivo (solo recepción) y montado en el casco y remolcado.

Comunicación de la sonda espacial

La nave espacial MESSENGER fue una misión de sonda espacial al planeta Mercurio (2011-2015). Esta fue la primera misión en el espacio profundo en utilizar una antena de matriz en fase para las comunicaciones. Los elementos radiantes son guías de ondas ranuradas polarizadas circularmente. La antena, que usa la banda X, usó 26 elementos radiativos y puede degradarse con gracia.

Uso de la investigación meteorológica

Instalación de radar AN/SPY-1A en National Severe Storms Laboratory, Norman, Oklahoma. El radome anexo proporciona protección del tiempo.

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 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 conduce a mayores tiempos de advertencia y una mejor predicción de los 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 Radar Atmosférico, Regentes de Educación Superior del Estado de Oklahoma, la Administración Federal de Aviación y Comercio e Industrias Básicos. El proyecto incluye investigación y desarrollo, transferencia de tecnología futura y despliegue potencial del sistema en todo Estados Unidos. Se espera que tarde de 10 a 15 años en completarse y la construcción inicial fue de aproximadamente $ 25 millones. 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.

Óptica

Dentro del espectro visible o infrarrojo de las ondas electromagnéticas es posible construir arreglos ópticos en fase. Se utilizan en filtros y multiplexores de longitud de onda con fines de telecomunicaciones, 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 de matriz en fase óptica se puede usar para escanear imágenes de trama o vectoriales electrónicamente sin usar lentes o piezas móviles mecánicamente en un proyector sin lentes. Se ha demostrado que los receptores de matriz en fase óptica pueden actuar como cámaras sin lentes al mirar selectivamente en diferentes direcciones.

Transceptores de Internet de banda ancha por satélite

Starlink es una constelación de satélites de órbita terrestre baja que está en construcción a partir de 2021. Está diseñada para proporcionar conectividad a Internet de banda ancha a los consumidores; los terminales de usuario del sistema utilizarán antenas de matriz en fase.

Identificación por radiofrecuencia (RFID)

En 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) sin dejar de usar etiquetas pasivas UHF tradicionales..

Interfaces hombre-máquina (HMI)

En 2008, en el laboratorio Shinoda de la Universidad de Tokio, se desarrolló una matriz en fase de transductores acústicos, denominada pantalla táctil de ultrasonido aerotransportado (AUTD), para inducir la retroalimentación táctil. Se demostró que este sistema permite a un usuario manipular interactivamente objetos holográficos virtuales.

Radioastronomía

Recientemente se han utilizado alimentaciones de matriz en fase (PAF) en el foco de los radiotelescopios para proporcionar muchos haces, lo que le da 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 de Westerbork en los Países Bajos.

Perspectiva matemática y fórmulas

El patrón de radiación de una matriz gradual en el sistema de coordenadas polares.

Matemáticamente, una matriz en fase es un ejemplo de difracción de rendija N, en la que el campo de radiación en el punto receptor es el resultado de la suma coherente de fuentes puntuales N en una línea. Dado que cada antena individual actúa como una rendija, emitiendo ondas de radio, su patrón de difracción puede calcularse sumando el cambio de fase φ al término marginal.

Comenzaremos desde el N- patrón de difracción iluminada derivado en la página de formalismo de difracción, con N{displaystyle N} de igual tamaño a{displaystyle a} y espaciamiento d{displaystyle d}.

↑ ↑ =↑ ↑ 0pecado⁡ ⁡ ()π π aλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio )π π aλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio pecado⁡ ⁡ ()N2kdpecado⁡ ⁡ Silencio Silencio )pecado⁡ ⁡ ()kd2pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio ){fnK} {fnMicroc} {fnK} {fnMicroc {fnMicroc {fn} {fn}fn}fnunci} {fnMicroc {fnh}fnfnh} {f}fnMicroc} {f} {fnMicroc}}} {f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}fnKfnfnKf}f}f}f}f}f}f}fnKf}fnfnKfnf}f}fnfnKfnKfnKfnKfnMinMinKfnMinKf}fnKf}f}fn

Ahora, añadiendo un término φ al kdpecado⁡ ⁡ Silencio Silencio {textstyle kdsin theta ,} efecto fringe en los rendimientos del segundo término:

↑ ↑ =↑ ↑ 0pecado⁡ ⁡ ()π π aλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio )π π aλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio pecado⁡ ⁡ ()N2()2π π dλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio +φ φ ))pecado⁡ ⁡ ()π π dλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio +φ φ 2){displaystyle psi =psi _{0},{frac {sin left({frac {pi a}{lambda }}sin thetaright)}{frac {pic {pi a}{pec}}sin thetaright)}}{frac}{frac {pi} a} {lambda }sin theta },{frac {sin left({frac {N}{2}left({frac {2pi {lambda }sin theta +phi right)}{sin left({frac {pi) ♪ {lambda }sin theta ¿Qué?

Tomar el cuadrado de la función de onda nos da la intensidad de la onda.

I=I0()pecado⁡ ⁡ ()π π aλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio )π π aλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio )2()pecado⁡ ⁡ ()N2()2π π dλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio +φ φ ))pecado⁡ ⁡ ()π π dλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio +φ φ 2))2I=I0()pecado⁡ ⁡ ()π π aλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio )π π aλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio )2()pecado⁡ ⁡ ()π π λ λ Ndpecado⁡ ⁡ Silencio Silencio +N2φ φ )pecado⁡ ⁡ ()π π dλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio +φ φ 2))2{displaystyle {begin{aligned}I ventaja=I_{0}left({frac {sin left({frac {pi a}{lambda }sin theta right)}{frac {pip a}{lambda }sin theta }right)}{2}left({frac {sin left({frac {frac {N}{2}}left({frac {2pi {lambda }sin theta +phi right)}{sin left({frac {pi) ♪{lambda }sin theta {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicros {fn} {fn} {fnMicroc {fnMicroc {fnMicrosoft}fnMicros}f}fnMicros} {fnK} {fnMicros}} {f}f} {f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}fnMicrob}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}fnun}f}f}f}fnun}f}f}f}f}fnunfnun}fnun}fnun}fnKfnun}f}f}fn }Ndsin theta ##{frac {N}{2}phi right)}{sin left({frac {pi} ♪ {lambda }sin theta Bien.

Ahora espacio los emisores a distancia d=λ λ 4{textstyle d={frac {fnMicrode } {4}} aparte. Esta distancia es elegida para la sencillez del cálculo, pero se puede ajustar como cualquier fracción escalar de la longitud de onda.

I=I0()pecado⁡ ⁡ ()π π aλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio )π π aλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio )2()pecado⁡ ⁡ ()π π 4Npecado⁡ ⁡ Silencio Silencio +N2φ φ )pecado⁡ ⁡ ()π π 4pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio +φ φ 2))2{displaystyle I=I_{0}{left({frac {sin left({frac {pi a}{lambda }}sin theta right)}{frac {pic {pi a}{lambda }}}sin theta right)}{frac {pic {pi a}{lambda }sin theta {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicroc {fnMicroc {fnMicroc {pi} } {4}Nsin theta ##{frac {N}{2}phi right)}{sin left({frac {pi} } {4}sin theta ¿Qué?

Como el pecado alcanza su máximo π π 2{textstyle {frac ♪ } {2}}, establecemos el numerador del segundo término = 1.

π π 4Npecado⁡ ⁡ Silencio Silencio +N2φ φ =π π 2pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio =()π π 2− − N2φ φ )4Nπ π pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio =2N− − 2φ φ π π {displaystyle {begin{aligned}{frac {pi} } {4} Nsin theta {fnMicroc {fn}fnMicroc {fnMicroc} {fn}fn}fn} {fnMicroc {fn}fnMicroc {fnMicroc {fn}}f}fnf}fnfnMicroc {f}fn}f}fnMicroc}fn}fnfn}fnfn}fnf}fnfnfnfn}f}fnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfnfn\fnfn}f}fn }{2}\\sin theta #=left({frac {pi ## {2}-{frac {N}phi right){frac] {4} {Npi}\\\\fnfn}\\\fn}\\\\\\\\\\\s}\\\\fn}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn}\\\fn}\\\fn}\\\\\\\\\s}\\\\\\\\\\\\\\s}\\s}\\\\\\\s}\\\\\\\\\\\\\\s}\\\\ " {frac {2} {fn} {fn} {fnK}} {fn}} {fnK}} {fn}} {fn}}} {fn}}} {fn}} {fn}} {fn}}} {fn}}}}f} {fn}f}}}f}}f}f}}f}}}}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}fn}f}fn}f}f}f}f}f}fn}fn}fn}fn}f}fn}f}f}f}fn}fn}fn}fn}fn}fn}fn}fn}f}fn}}f}fn

Así como N se hace grande, el término será dominado por el 2φ φ π π {displaystyle {begin{matrix}{frac {2phi }end{matrix}}} {f}}}} termino. Como el seno puede oscilar entre −1 y 1, podemos ver que el ajuste φ φ =− − π π 2{displaystyle phi =-{begin{Matrix}{frac {pi} } {2}end{matrix}} enviará la energía máxima en un ángulo dado por

Silencio Silencio =pecado− − 1⁡ ⁡ 1=π π 2=90∘ ∘ {displaystyle theta =sin ^{-1}1={fracpi }=90^{circ }

Además, podemos ver que si deseamos ajustar el ángulo en el que se emite la máxima energía, solo necesitamos ajustar el cambio de fase φ entre antenas sucesivas. De hecho, el cambio de fase corresponde al ángulo negativo de la señal máxima.

Un cálculo similar mostrará que el denominador se minimiza por el mismo factor.

Diferentes tipos de matrices en fase

Hay dos tipos principales de formadores de haz. Estos son formadores de haces en el dominio del tiempo y formadores de haces en el dominio de la frecuencia. Desde un punto de vista teórico, ambos son en principio la misma operación, con solo una transformada de Fourier que permite la conversión de uno a otro tipo.

A veces se aplica una ventana de atenuación graduada en la parte frontal del arreglo 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 mediante la introducción de retardos 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 de Butler permite que se formen varios haces simultáneamente, o que un haz se escanee a través de un arco. El tipo más común de formador de haz en el dominio del tiempo es la guía de onda serpentina. Los diseños de matriz en fase activa utilizan líneas de retardo individuales que se activan y desactivan. Los cambiadores de fase de granate de hierro itrio varían el retraso de fase usando 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 contenedor de frecuencia, 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 usa con el radar SPS-48.

El otro tipo de formador de haces 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 utilizando un DFT. La DFT introduce múltiples cambios de fase discretos diferentes durante el procesamiento. Las salidas de la DFT son canales individuales que se corresponden con haces espaciados uniformemente formados simultáneamente. Una DFT unidimensional produce un abanico de diferentes haces. Una DFT bidimensional produce vigas con una configuración de piña.

Estas técnicas se utilizan para crear dos tipos de matriz en fase.

• Dinámica – una serie de cambiadores de fase variable se utilizan para mover el haz
• Fijado – la posición de la viga es estacionaria con respecto a la cara de la matriz y toda la antena se mueve

Hay otras dos subcategorías que modifican el tipo de arreglo dinámico o arreglo fijo.

• Active – amplificadores o procesadores están en cada elemento de cambio de fase
• Amplificador central pasivo con interruptores de fase atenuantes

Arreglo en fase dinámica

Cada elemento del arreglo incorpora un cambiador de fase ajustable que se usa colectivamente para mover el haz con respecto a la cara del arreglo.

La matriz en fase dinámica no requiere ningún 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 pequeño haz de lápiz para rastrear simultáneamente múltiples objetivos mientras busca nuevos objetivos usando solo un conjunto de radar (seguimiento mientras se busca).

Como ejemplo, una antena con un haz de 2 grados con una frecuencia de pulso de 1 kHz requerirá aproximadamente 8 segundos para cubrir un hemisferio completo que consta de 8000 posiciones de orientación. 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 mi), que es adecuado para aplicaciones militares.

Se puede predecir la posición de las antenas dirigidas mecánicamente, lo que se puede usar para crear contramedidas electrónicas que interfieren con el funcionamiento del radar. La flexibilidad resultante de la operación de matriz en fase permite que los haces se dirijan a ubicaciones aleatorias, lo que elimina esta vulnerabilidad. Esto también es deseable para aplicaciones militares.

Array en fase fijo

Una torre de antena compuesta por una antena collineal de fase fija con cuatro elementos

Las antenas de matriz en fase fija 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 cambiadores de fase fijos. Por ejemplo, la mayoría de las torres de antena de TV y radio FM comerciales utilizan un conjunto de antenas colineales, que es un conjunto de elementos dipolares en fase fija.

En las aplicaciones de radar, este tipo de matriz en fase se mueve físicamente durante el proceso de seguimiento y exploración. Hay dos configuraciones.

• Frecuencias múltiples con línea de demora
• Múltiples vigas adyacentes

El radar SPS-48 utiliza múltiples frecuencias de transmisión con una línea de retardo serpenteante a lo largo del lado izquierdo de la matriz para producir un abanico vertical de haces apilados. Cada frecuencia experimenta un cambio de fase diferente a medida que se propaga por la línea de retardo serpenteante, que forma haces diferentes. Se utiliza un banco de filtros para dividir los haces de recepción individuales. La antena se gira mecánicamente.

La búsqueda por radar semiactivo utiliza un radar monopulso que se basa en una matriz en fase fija para producir varios haces adyacentes que miden los errores de ángulo. Este factor de forma es adecuado para el montaje de cardán en buscadores de misiles.

Array en fase activo

Los elementos de arreglos activos escaneados electrónicamente (AESA) incorporan amplificación de transmisión con cambio de fase en cada elemento de antena (o grupo de elementos). Cada elemento también incluye preamplificación de recepción. La configuración del cambiador de fase es la misma para transmitir y recibir.

Los arreglos en fase activos no requieren un reinicio de fase después del final del pulso de transmisión, lo cual es compatible con el radar Doppler y el radar Doppler de pulso.

Array en fase pasivo

Los arreglos en fase pasivos generalmente usan amplificadores grandes que producen toda la señal de transmisión de microondas para la antena. Los cambiadores de fase generalmente consisten en elementos de guía de ondas controlados por campo magnético, gradiente de voltaje o tecnología equivalente.

El proceso de cambio de fase que se usa 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 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. Eso requiere un impulso de fase que degrada el rendimiento de la visibilidad del sub-objeto en el radar Doppler y el radar Pulse-Doppler. Como ejemplo, los cambiadores de fase de granate de hierro 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. Ese impulso introduce ruido de FM que degrada el rendimiento de ecos parásitos.

El diseño de matriz en fase pasiva se utiliza en el sistema de combate AEGIS. para la estimación de la dirección de llegada.