Растолкуйте за фазовращение

AGRESSOR> Желательно бы получить объяснение попроще. Для чайника.
Самое простое объяснение: твоя "такая догадка" верна

Anika> Самое простое объяснение: твоя "такая догадка" верна

А вот я так не думаю.

Зачем тогда управление фазой? Берем обычный локатор и усиливаем в нужном азимуте/угломесте сигнал. Собственно, это и есть сопровождение цели обычной БРЛС.

Здесь должно быть что-то иное. Множество излучающих элементов - это раз. Они сами механически не вращаются относительно оси (как мне когда-то казалось) локатора, значит светят все в одном направлении. Это два. Получается, чисто из логики, что сам единичный фазовращатель как-то умеет пространственно ориентировать луч, что и позволяет формировать из нескольких элементов-излучателей формировать пучок. Как?

Почему именно управление фазой? Сдвигая фазу мы будем или глушить, или усиливать сигнал. Но этот сигнал по-прежнему будет всенаправленным. Нет, я чего-то не знаю. И моя догадка определенно неверна.

Если бы элементы на площадке БРЛС были расположены аналогично фасеточным элементам на круглых глазах мухи, можно было бы предположить, что они уже и охватывают всю область, и управляя нужным сектором - телесным углом, мы управляем направлением луча.

Если бы вот каждый элемент мог крутиться из стороны в сторону, тогда моя догадка могла бы быть верна - каждый такой элемент усиливал бы на заданном угле направления излучения. Но в том-то и заковыка - элементы неподвижны.

AGRESSOR> Почему именно управление фазой? Сдвигая фазу мы будем или глушить, или усиливать сигнал. Но этот сигнал по-прежнему будет всенаправленным. Нет, я чего-то не знаю. И моя догадка определенно неверна.

Энергия волн перераспределяется в пространстве, а не уничтожается. Сложите две синусоиды с разностью 180 градусов — получите ноль. Куда делась энергия? Она же излучена, раз сложилась, и назад она не вернулась.
Множество элементов массива и небольшой шаг изменения фазы позволяют точнее перераспределять энергию — в форму луча или лучей желаемой формы. Причём лучи эти не обязательно буквальные — на приём то же самое работает.

au, я об активном излучении спрашиваю. Я знаю, что такое интерференция. Знаю, что складывание противофаз дает ноль, а двух фаз - усиливает сигнал. Но как это управляет вектором луча - не понимаю. Что перемещает луч вправо-влево, вверх-вниз? Волны при интерференции, складываясь, как раз либо усиливают себя, либо глушат, затухают (пусть отдавая энергию окружающему пространству, ОК, не в этом суть вопроса). Переместить направление своего распространения от этого они не могут.

Хорошо, может, задам вопрос иначе. Как выглядит диаграмма направленности отдельного элемента? В градусах. В каких пределах изменяется для одного элемента? Может, точных данных по современным БРЛС и нет, но хоть приблизительные прикидки-то быть должны.

AGRESSOR> Хорошо, может, задам вопрос иначе. Как выглядит диаграмма направленности отдельного элемента? В градусах. В каких пределах изменяется для одного элемента?
Для отдельного элемента ДН постоянна, и в идеале должна достигать 180 ^o.
А направленность создаётся интерференцией излучения отдельных элементов.
Индивидуально крутя задержку/фазу каждому элементу по заданному закону, можно отклонять главный луч ДН в пределах (опять же в идеале) тех же 180 ^o.
Картинку бы нарисовать, да облом

Т.е. фазы пересекаются только на определенных углах? И только там глушатся или усиливаются?

А что насчет взаимного перекрытия, если ДН такие широченные?

Вот рисунок, хоть и относящийся к оптике и несколько другому явлению, но принцип работы отклонения луча ФАР на нем хорошо виден:

Пояснение к рисунку:

Представь, что круглые точки вверху и внизу, расстояние между которыми помечено как d - это излучающие элементы фазированной решетки. Угол тета - угол на который отклоняем луч. Тогда видно, что разность хода лучей до плоского фронта волны от верхнего и от нижнего излучателя равна d*sin(тета). Если мы задержим фазу нижнего излучателя так чтобы пройдя расстояние d*sin(тета) она оказалась в одной фазе с верхним излучателем, то эти волны синфазно сложатся и образуют требуемый плоский волновой фронт с углом отклонения тета от оси антенны

AGRESSOR> Т.е. фазы пересекаются только на определенных углах? И только там глушатся или усиливаются?
AGRESSOR> А что насчет взаимного перекрытия, если ДН такие широченные?
Ладно, всё же нарисовал картинку.
Надеюсь, комментариев не нужно

Кстати ровно по такому же принципу, только обращенному в обратную сторону работают моноимпульсные фазовые пеленгаторы. Просто там не излучателям фазы крутят, а наборот - меряют разность фаз принятых на антеннах сигналов и по ним определяют угол, под которым этот сигнал на антенну пришел. Этот метод широко применяется в той же радиолокации и в ГСН противорадиолокационных и УРВВ с пассивным и активным РЛ наведением, а так же во многих пеленгационных и радиоразведывательных комплексах различного назначения.

Anika> Надеюсь, комментариев не нужно

Да, понятно, спасибо огромное. Теперь въехал в тему. Короче, усиливаясь или затухая, лучи меняют направление излучения в целом.

Но правильно ли я понимаю, что максимального наклонения от продольной оси надо задействовать максимум элементов ФАР? Тогда как для незначительного отклонения их надо задействовать минимальное количество?

Т.е. чем больше мы делаем разнонаправленных пучков, тем большее количество элементов надо задействовать = излучение каждого отдельного пучка пропорционально слабее, чем они, будучи отклоненными, могли бы излучать в сумме?

AGRESSOR> Но правильно ли я понимаю, что максимального наклонения от продольной оси надо задействовать максимум элементов ФАР? Тогда как для незначительного отклонения их надо задействовать минимальное количество?

Нет. Совершенно неправильно. В отклонении луча в любом случае должны участвовать все элементы решетки, иначе в лучшем случае не достигнешь максимально возможного качества ДН, а в худшем - вообще ничего не получится.

U235> Нет. Совершенно неправильно. В отклонении луча в любом случае должны участвовать все элементы решетки, иначе в лучшем случае не достигнешь максимально возможного качества ДН, а в худшем - вообще ничего не получится.

Но ко всем ФАР заявляется возможность формировать несколько пучков для сопровождения нескольких целей одновременно в реал-тайме. Как же так?

AGRESSOR> Но ко всем ФАР заявляется возможность формировать несколько пучков для сопровождения нескольких целей одновременно в реал-тайме. Как же так?

В многолучевых ФАР на формирование каждого луча отводится какая-то часть излучателей. Но при эток качество таких лучей(ширина главного лепестка, уровень боковых лепестков) будет хуже, чем если бы ФАР формировала один луч. На самом деле многолучевые ФАР - тот еще геморрой и я не уверен, что они вообще сейчас реально применяются. Нынешние РЛС с ФАР решают вопрос сопровождения нескольких целей за счет временного разделения использования луча: просто используется свойство ФАР очень быстро перебрасывать луч и менять диаграмму направленности. Т.е. РЛС ФАР просто очень быстро гоняет луч между целями успевая все их облучать с требуемой для сопровождения частотой

U235> В многолучевых ФАР на формирование каждого луча отводится какая-то часть излучателей. Но при эток качество таких лучей(ширина главного лепестка, уровень боковых лепестков) будет хуже, чем если бы ФАР формировала один луч.

Значит, я все-таки прав.

U235> На самом деле многолучевые ФАР - тот еще геморрой и я не уверен, что они вообще сейчас реально применяются.

А вообще, есть какой-нибудь закон, как просчитать суммарную эффективность от сложения лучей нескольких элементов ФАР? Т.е. имеем, к примеру, 2 сферовакуумных фазовращателя-элемента, каждый по 2 киловатта мощности. 2Х2 = сколько в сумме после интерференции? Интересует выходная мощность и боковые лепестки (как ухудшаются). При такой интерференции накладываются ли какие-нибудь ограничения по типу модуляции, частоте? Можно ли так светить в моноимпульсном режиме?

AGRESSOR> А вообще, есть какой-нибудь закон, как просчитать суммарную эффективность от сложения лучей нескольких элементов ФАР? Т.е. имеем, к примеру, 2 сферовакуумных фазовращателя-элемента, каждый по 2 киловатта мощности. 2Х2 = сколько в сумме после интерференции? Интересует выходная мощность и боковые лепестки (как ухудшаются). При такой интерференции накладываются ли какие-нибудь ограничения по типу модуляции, частоте? Можно ли так светить в моноимпульсном режиме?

В сумме-то всегда будет 4 кВт, потому как энергия при интерференции ниоткуда не берется, но и никуда не пропадает. А вот с диаграммой направленности и уровнем боковых лепестков все непросто. На пальцах уже не объяснишь. Вот глава из учебника по антенно-фидерным устройствам, где все это объясняется для простейшей решетки:

http://www.rec-master.com/3/ANO/AFU_I_RR/3.2.pdf

Если в двух словах, то лучшая ДН и наименьший уровень боковых лепестков достигаются при направлении луча вдоль оси антенны, при увеличении угла наклона луча от нормали ДН ухудшается и уровень боковых лепестков растет. Это и ограничивает зону сканирования ФАР.

AGRESSOR> А вообще, есть какой-нибудь закон, как просчитать суммарную эффективность от сложения лучей нескольких элементов ФАР? Т.е. имеем, к примеру, 2 сферовакуумных фазовращателя-элемента, каждый по 2 киловатта мощности. 2Х2 = сколько в сумме после интерференции?
Иван, постановка вопросов говорит о том, что ты не понял для себя принцип действия ФАР. Любой ответ будет для тебя непонятен и/или бесполезен.

На самом деле ты видел ПФАР в оптическом диапазоне, очень простое устройство: простая линза.

Поставим линзу на солнечный свет. Если ты поставишь перпендикулярно потоку света плоскость, то в каждой точке этой плоскости свет имеет одинаковую фазу (он же затратил одинаковое время на путь от солнца) Теперь поставим линзу, для начала выпуклую.
Что происходит?
Стекло имеет показатель преломления бОльший, чем воздух, свет медленее идёт через стекло. Поэтому тот свет, который бОльший путь прошёл через стекло, будет запаздывать. По краям линза тонкая, свет задерживается меньше, сдвиг фазы меньше. В центре линза толще, сдвиг фазы больше.
Теперь посмотрим, что будет с волной после линзы. Волна усилится там, где она придёт после линзы в фазе, ослабнет там, где придёт в противофазе. Там, где свет с краёв линзы пройдёт больший путь по воздуху, чем свет с центра, они придут в фазе - будет положительная интерференция и яркое пятно. Там, где свет с краёв проделает тот же или меньший путь, они будут не в фазе, там будет отрицательная интерференция и затемнение.
Поворачивая линзу, ты можешь менять путь, который пройдёт луч в стекле, сдвиги фаз и, соответсвенно, направление луча после линзы. Если возьмёшь вогнутую линзу, сможешь рассеять луч. Призмой - повернуть. Если на стекляшке будет две выпуклости - можешь получить два ярких пятна. Или три. Или десять, в любых направлениях - всё зависит лишь от соотношения толщин стекла на плоскости этой "ФАР" и задержки хода лучей.

ПФАР в радиодиапазоне работает точно так же. Только для формирования задержки в радиодиапазоне не нужно подставлять стекло разной толщины, есть другие способы.

Ну а АФАР отличается только тем, что сигнал не сначала излучается, а затем задерживается, а просто сразу излучается с нужной задержкой.

Отсюда следует пара выводов:
- за исключением потерь антенна просто перераспределяет мощность. 2Х2кВт после ФАР даст 4кВт, точно так же как и было до (-потери).
- антенна не может состоять из двух элементов: нужно достаточно большое их количество, чтобы формировать качественный луч. Попробуй обработать линзу крупным наждаком - она не сможет собрать луч.

Эффективность линзы определяется её внутренним поглощением и качеством поверхности. С ФАР - точно так же: эффективность элемента, большое количество элементов + точность управления задержкой на каждом из них.

Во, Татарин уже привёл отличный (хоть и малонаглядный - потому что его трудно с непривычки отождествить с антенной ) пример обычной линзы.

Возможно, тебе легче будет перейти от него к антенне, если добавить, что оптическаяч линза вовсе не обязана быть чечевицей из стекла - есть так называемые линзы Френеля, выглядит как плоская пластинка с концентрическими канавками разной ширины.

И более того: если взять непрозрачный экран (например, лист чёрной бумаги, или там стекло закрасить) и правильным образом прорезать в нём очень узкие круглые полоски (по так называемым зонам Френеля) - то тоже получится линза. Именно за счёт "управления" фазами пролезшего через неё света.
Это называется зонной пластиной Френеля, и это тоже по сути линза (и не столь дальний родственник ФАР - ну только что управлять нельзя):
[round_box]

Зонная пластинка Френеля — Википедия

Fakir> Во, Татарин уже привёл отличный (хоть и малонаглядный - потому что его трудно с непривычки отождествить с антенной ) пример обычной линзы.
Дим, он предельно наглядный потому, что глазами видно распределение сдвига фаз (чем толще стекло - тем больше сдвиг), и что из этого получается для распределения интенсивности в итоге.
ИМХО, это предельно наглядно: взять призму или линзу, повертеть в руках, попробовать на свет, подумать.

И то, что элементы фазосдвигателя меньше, чем для радиодиапазона, тоже очевидно - волна-то тоже много короче. И в руках вертеть удобно.

Татарин> Дим, он предельно наглядный потому, что

Не, он ненаглядный ( ) в том смысле, что глядючи на линзу - с непривычки ну очень непросто отождествить её с антенной решёткой
И естественная реакция свежего человека - "где имение, а где вода?"

Fakir> И естественная реакция свежего человека - "где имение, а где вода?"

Не-а. Реакция свежего человека - "у вас лучи идут строго по оси линзы". Я хочу увидеть, как можно отклонить луч от центральной оси с помощью интерференции. Рассеивающая линза - это понятно. Но я про радарные технологии.

То, что объяснил Татарин, это именно манипуляция с фазой. Это понятно. Но это никак не объясняет отклонения луча. Этим можно усилить или ослабить все тот же идущий по оси луч.

Подумал немного...

М-м... Или вы хотите сказать, что луча как такового и нет. Есть сноп с широким раскрывом (ДН), и просто в одном месте мы энергию убираем, в другом прибавляем. Т.е. луч по большому счету и не перебрасывается никуда, а просто меняет свою конфигурацию. Так?

Татарин> - антенна не может состоять из двух элементов: нужно достаточно большое их количество, чтобы формировать качественный луч.

Да, я в курсе. У АФАР для "Раптора", ЕМНИП, 2000 элементов. Я просто спросил чисто умозрительно насчет 2 элементов.

AGRESSOR> Не-а. Реакция свежего человека - "у вас лучи идут строго по оси линзы". Я хочу увидеть, как можно отклонить луч от центральной оси с помощью интерференции.
Просто возьми призму. С одного края - малый сдвиг фазы, с другого - большой. В итоге входящий луч поворачивается на нужное число градусов. Это именно результат сложения множества сдвинутых фаз.

Радио, оптика - тут один фиг, всё те жё волны. Оптические волны - короче, и требуемый размер элемента решётки меньше (порядка сотен нм), радиоволны - длиннее, и размер элемента для них больше (порядка единиц см). Но и только. На суть процессов это не влияет.

AGRESSOR> М-м... Или вы хотите сказать, что луча как такового и нет. Есть сноп с широким раскрывом (ДН), и просто в одном месте мы энергию убираем, в другом прибавляем. Т.е. луч по большому счету и не перебрасывается никуда, а просто меняет свою конфигурацию. Так?
Непонятна суть вопроса. "Переброска луча" (любая! в любом приборе!) - это и есть изменение распределения энергии в пространстве ("там убираем, тут прибавляем").

AGRESSOR> Не-а. Реакция свежего человека - "у вас лучи идут строго по оси линзы".

Это на самых простых картинках, для простоты
Кто мешает тебе пустить даже и параллельные лучи не по оси линзы? Естественно, тогда и после линзы они пойдут уже иначе.
Если падающий "сноп" лучей один и тот же, а линзу ты покачиваешь туда-сюда - то и на выходе будет несско разный результат.
И "покручивание" линзы - аналог переключений ФАР.

В терминах зонной пластинки Френеля - ты двигаешь щели, двигаешь/ужимаешь/раздвигаешь.