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Les systèmes électroniques sans fil qui dépendent des antennes pour envoyer et recevoir des signaux fonctionnent depuis plus de 100 ans. Ces systèmes électroniques seront continuellement améliorés à mesure que la précision, l'efficacité et les indicateurs de niveau supérieur deviendront de plus en plus importants. Au cours des dernières années, les antennes paraboliques ont été largement utilisées pour émettre (TX) et recevoir (RX) des signaux où la directivité est importante et, après des années d'optimisation, beaucoup de ces systèmes peuvent être utilisés à un coût relativement faible. Courir Ces antennes paraboliques comportent un bras robotisé pour faire tourner la direction du rayonnement. Ils présentent certains inconvénients, notamment des virages lents, de grandes dimensions physiques, une mauvaise fiabilité à long terme et un seul mode de rayonnement ou flux de données conforme. Les ingénieurs se sont donc tournés vers la technologie avancée des antennes à réseau phasé pour améliorer ces caractéristiques et ajouter de nouvelles fonctionnalités. L'antenne phasée adopte un mécanisme de direction électrique qui présente les avantages d'une hauteur faible / petite taille, d'une grande fiabilité à long terme, d'une direction rapide, de faisceaux multiples, etc. par rapport à l'antenne de direction mécanique traditionnelle. Avec ces avantages, l'antenne phasée a été largement utilisée dans les domaines militaire, des communications par satellite, de l'Internet des véhicules, des communications 5G et d'autres domaines.
Technologie de matrice de phase
Une antenne à réseau phasé est un ensemble d'éléments d'antenne assemblés entre eux, dans lequel le diagramme de rayonnement de chaque élément est structurellement combiné avec le diagramme de rayonnement d'une antenne adjacente pour former un diagramme de rayonnement effectif appelé lobe principal. Le lobe principal émet de l'énergie rayonnante à l'endroit désiré et, selon la conception, l'antenne est responsable de perturber de manière destructive les signaux de direction inutile, formant un signal invalide et un lobe secondaire. Le réseau d'antennes est conçu pour maximiser l'énergie rayonnée par le lobe principal tout en réduisant l'énergie rayonnée par le lobe secondaire à un niveau acceptable. La direction du rayonnement peut être manipulée en faisant varier la phase du signal fourni à chaque élément d'antenne. La figure 1 montre comment contrôler un faisceau efficace dans la direction cible d'un réseau linéaire en ajustant la phase du signal dans chaque antenne. Ainsi, chaque antenne du réseau présente des réglages de phase et d'amplitude indépendants pour former le diagramme de rayonnement souhaité. Comme il n'y a pas de pièces mécaniques en mouvement, il est facile de comprendre les caractéristiques du contrôle rapide du faisceau dans un réseau phasé. Le réglage de phase de semi - conducteur basé sur IC peut être fait en quelques nanosecondes afin que nous puissions changer la direction des modèles de rayonnement et réagir rapidement aux nouvelles menaces ou aux utilisateurs. De même, nous pouvons passer d'un faisceau de rayonnement à un zéro efficace pour absorber les signaux perturbateurs et faire apparaître un objet invisible, comme un avion invisible. Repositionnez le diagramme de rayonnement ou changez de point zéro effectif, et ces changements peuvent être effectués presque immédiatement, car nous pouvons modifier électriquement les paramètres de phase en utilisant des dispositifs basés sur IC plutôt que des composants mécaniques. Un autre avantage d'une antenne à réseau phasé par rapport à une antenne mécanique est qu'elle peut rayonner plusieurs faisceaux simultanément, de sorte qu'elle peut suivre plusieurs cibles ou gérer les données utilisateur de plusieurs flux de données. Ceci est réalisé en effectuant un traitement numérique du signal sur plusieurs flux de données à la fréquence de la bande de base.
Une mise en oeuvre typique de ce réseau utilise des éléments d'antenne patch disposés par intervalles tels que des lignes et des colonnes, qui ont une conception 4 * 4, ce qui signifie un total de 16 éléments. La figure 2 montre un petit réseau 4 * 4 dans lequel l'antenne patch est un radiateur. Dans un système radar au sol, un tel réseau d'antennes peut devenir très grand, avec peut - être plus de 100 000 éléments.
Dans la conception, il faut tenir compte de la relation de compromis entre la taille de la matrice et la puissance de chaque élément rayonnant. Ces éléments affecteront la directivité et la Puissance apparente rayonnée du faisceau. Les performances de l'antenne peuvent être prédites en examinant certains facteurs de qualité communs. En général, les concepteurs d'antennes prennent en compte le gain d'antenne, la Puissance apparente rayonnée isotrope (EIRP) et GT / TN. Il existe quelques équations de base qui peuvent être utilisées pour décrire les paramètres indiqués dans les équations suivantes. Nous pouvons voir que le gain d'antenne et l'EIRP sont proportionnels au nombre d'éléments dans le réseau.
Où: n = nombre d'éléments; Ge = gain de l'élément; GT = gain d'antenne; PT = puissance totale de l'émetteur; PE = puissance de chaque élément; Tn = température du bruit.
Un autre aspect clé de la conception d'antennes à réseau phasé est l'espacement des éléments d'antenne. Une fois que nous avons déterminé la cible du système en fixant le nombre de composants, le diamètre de la matrice physique dépend en grande partie de la limite de taille de chaque composant cellulaire, qui est inférieure à la moitié de la longueur d'onde, car elle empêche les lobes de réseau. Les lobes de réseau sont équivalents à l'énergie rayonnée dans une direction inutile. Cela impose des exigences strictes pour les appareils électroniques entrant dans la matrice, qui doivent être de petite taille, de faible puissance et de faible poids. L'intervalle de demi - longueur d'onde est particulièrement difficile pour la conception à des fréquences plus élevées, car la longueur de chaque composant unitaire devient plus petite. Cela a conduit à l'intégration de circuits intégrés haute fréquence, ce qui a conduit à des solutions d'encapsulation de plus en plus avancées et à la simplification des techniques de gestion thermique de plus en plus difficiles.
Lorsque nous construisons des antennes entières, la conception de réseaux est confrontée à de nombreux défis, notamment le câblage des circuits de contrôle, la gestion de l'alimentation, les circuits d'impulsion, la gestion de la dissipation thermique, les considérations environnementales, etc. il y a une énorme poussée dans l'industrie qui nous a poussés à nous diriger vers des réseaux de faible profil petits et légers. La structure traditionnelle de la carte utilise une petite carte PCB sur laquelle les composants électroniques sont alimentés verticalement à l'arrière de la carte PCB de l'antenne. Au cours des 20 dernières années, cette méthode a été constamment améliorée pour réduire constamment la taille de la carte et donc la profondeur de l'antenne. La conception de la prochaine génération est passée de cette structure de carte à une approche de plaque dans laquelle chaque IC a un niveau d'intégration suffisamment élevé pour être simplement monté à l'arrière de la plaque d'antenne, réduisant considérablement la profondeur de l'antenne et facilitant son chargement dans une application portable ou une application embarquée. Sur la figure 3, l'image de gauche montre l'élément d'antenne patch doré en haut du PCB et l'image de droite montre l'extrémité frontale analogique de l'antenne en bas du PCB. Il ne s'agit que d'un sous - ensemble d'antennes dans lequel une phase de conversion de fréquence peut avoir lieu à une extrémité de l'antenne; C'est aussi le réseau de distribution responsable du routage d'une seule entrée RF vers l'ensemble du réseau. De toute évidence, plus de circuits intégrés réduisent considérablement les défis liés à la conception des antennes, et à mesure que les antennes deviennent plus petites et que de plus en plus de composants électroniques sont intégrés dans des espaces de plus en plus petits, la conception des antennes nécessite de nouvelles technologies semi - conductrices pour aider à améliorer la faisabilité des solutions, Formage de faisceau numérique et formage de faisceau analogique la plupart des antennes matricielles à commande de phase conçues au cours des dernières années utilisent la technologie de formage de faisceau analogique avec réglage de phase à des fréquences RF ou if, l'ensemble de l'antenne utilisant un ensemble de convertisseurs de données. On s'intéresse de plus en plus à la mise en forme numérique des faisceaux, chaque élément d'antenne dispose d'un ensemble de convertisseurs de données et le réglage de phase est effectué numériquement dans un FPGA ou dans certains Convertisseurs de données. La formation de faisceaux numériques présente de nombreux avantages, allant de la possibilité de transmettre facilement plusieurs faisceaux à la modification même immédiate du nombre de faisceaux. Cette flexibilité supérieure est très attrayante dans de nombreuses applications et a également contribué à sa popularité. L'amélioration continue du convertisseur de données réduit la consommation d'énergie et s'étend à des fréquences plus élevées. L'échantillonnage RF dans les bandes l et S rend cette technique applicable aux systèmes radar. De nombreux facteurs doivent être pris en compte lorsque les options de formation de faisceaux analogiques et numériques sont considérées simultanément, mais l'analyse dépend généralement du nombre de faisceaux requis, de la consommation d'énergie et des objectifs de coût. Le procédé de formation de faisceaux numériques a généralement une consommation électrique élevée car chaque composant est équipé d'un convertisseur de données, mais il est très flexible et pratique pour former plusieurs faisceaux. Le convertisseur de données nécessite également une plage dynamique plus élevée, car la mise en forme du faisceau qui refuse le blocage ne peut être effectuée qu'après numérisation.
