وسايل شيفت فاز الكترومكانيكي

علاوه بر شيفت دهنده هاي فاز الكترونيكي، وسايل الكترومكانيكي براي تغيير فاز در رادارهاي آرايه فازي، مخصوصاً در مدلهاي اوليه به كار گرفته شده بودند. گرچه شيفت دهنده هاي الكترومكانيكي در حال حاضر كاربرد وسيعي ندارند، براي بازگويي تنوع وسايلي كه در آنتن هاي آرايه اي به كار گرفته مي شوند اين نوع شيفت دهنده ها در اين مبحث تشريح مي شوند.

يكي از اولين و ساده ترين شيفت دهنده هاي فاز الكترومكانيكي، يك خط انتقال است كه طولش به صورت مكانيكي و توسط يك بخش تلسكوپي تغيير مي كند. اين وسيله، خط كشنده ناميده مي شود. بخش تلسكوپي ممكن است به شكل U باشد، و. طول خط توسط روشي شبيه به ساز بادي تغيير مي كند. خط كشنده (linestretcher) اغلب در كابل كواكسيال به كار گرفته مي شود. يك خط كشنده مكانيكي شيفت فاز بيشتري را نسبت به خط كشنده متداول در شيفت دهنده فاز خط مارپيچ مي دهد. سرعت فاز در يك خط انتقال مارپيچ به ميزان

قابل توجهي كمتر از سرعت نور است. به اين دليل يك حركت مكانيكي مطلوب، تغيير فاز بيشتري را نسبت به يك خط كشنده در خط انتقال متداول توليد مي كند. بنابراين يك شيفت دهنده فاز كوتاهتر، مخصوصاً در باندهاي فركانسي VHF و UHF مفيد مي باشد. كاهش در طول ابعاد معادل با ضريب پاياني از مارپيج مي باشد، كه اين ضريب برابر با نسبت محيط به ارتفاع حلقه مي باشد.

ضرايب پاياني مارپيچ در طرحهاي عملي بين ۱۰ تا ۲۰ مي باشند. نه كابل كواكسيال و نه خط كشنده مارپيچي، هيچ كدام براي فركانسهاي بالاتر مايكروويو مناسب نمي باشند. يك وسيله موجبري متناسب براي فركانسهاي بالا، متناظر با خط كشنده است، كه اين خط كشنده همانند T جادوئي عمل مي كند. يك تغيير در طول خط، يا يك تغيير متناظر در فاز، در T جادوئي و توسط مدارات كوتاه قابل تنظيم در بازوهايي كه روي يك خط قرار دارند، توليد مي شود. استفاده از مدارات كوتاه قابل تنظيم در هايبريد شكاف كوتاه تا حدي براي آرايش مكانيكي مناسب تر است. شيفت دهنده فاز الكترومكانيكي ديگري كه در آرايه رادار به كار گرفته شده است، شيفت دهنده فاز مكانيكي بازوي چرخان مي باشد. اين شيفت دهنده شامل تعدادي خط انتقال هم مركز مي باشد. هر خط، يك ميان موج سه پهلو همراه با يك رساناي عايق بندي شده مي باشد.

يك بازوي محرك تماس را با هر تجمع دايروي حاصل مي كند. بازوها به منظور توليد يك تغيير پيوسته و يكنواخت از فاز در عرض المانهاي آرايه مي چرخند. زماني كه فاز در يك سر خط هم مركز افزايش مي يابد، در سر ديگر خط فاز كاهش مي يابد. در نتيجه يك خط ميتواند توسط دو المان، تغيير فاز لازم را ايجاد كند، كه اين دو المان مي توانند در دو طرف مركز آرايه جاي گيرند. تعداد حلقه هاي هم مركز، براي يك آرايه خطي (۱+N) المانه مورد نياز است. چندين روش براي توليد شيفت فاز وجود دارد كه خواص پلاريزاسيون دايروي را به كار مي گيرند. يكي

از اولين وسايلي كه پلاريزاسيون دايروي را به كار گرفت، انتشار امواج در گرداگرد موجبر، يا به عبارتي شيفت دهنده فاز Fox بوده. شيفت دهنده فاز موجبر چرخان در جنگ جهاني دوم و توسط آزمايشگاههاي تلفن بل و در رادارهاي مروري FH MUSA يا MK8 مورد استفاده قرار مي گرفت. اين اولين رادار US براي استفاده دد آنتن آرايه فازي با شيفت دهنده فاز و به منظور هدايت بيم بود. اين آرايه S-band كه داراي ۴۲ المان بود ۹ درجه را در عرض ۱۰ ثانيه مرور كرد. وسايل منسوبي كه تغيير فاز را توسط چرخش نسبي از ديپلهاي متقاطع به دست مي آوردند، در يك هدايت دايروي يا كويتي توسط كومر توصيف شده‌اند. يك شكل متفاوت از هدايت مكانيكي بيم در يك ارايه با المانهاي آنتن مارپيچي استفاده ميشود.

بيم پلاريزه خطي توسط يك صفحه آرايه دو بعدي تشعشع ميشود. يك درجه چرخش مكانيكي متناظر است با تغيير فاز يك درجه الكتريكي. وسايل شيفت فاز اضافي، مورد نياز نيستند. يك ارايه از المانهاي مارپيچ يك آنتن مروري ساده را مي سازد. اين آنتن عمدتاً در كاربردهايي كه المان باند عريض مورد نياز است و قدرت هم زياد بالا نيست، مفيد مي باشد. تمامي مجموعه ها شامل سردكنهاي مارپيچي و شبكه هاي تغذيه، و نه اتصال چرخان مي توانند توسط تكنيك هاي مدار چاپي توليد شود. المانهاي سردكن مارپيچي براي شيفتهاي فاز در

آرايه مورد استفاده واقع مي شوند. تغيير در فاز در موجبر فرستنده ممكن است توسط تغيير مكانيكي ابعاد موجبر حاصل شود. يك وسيله مشابه كه براي رادارهاي عملي مورد استفاده قرار گرفته بود، مرورگر Eagle يا delta-a بود. عبارت اخير توصيفي است از اين واقعيت كه سرعت انتشار و درنتيجه سرعت فاز، از يك سيگنال كه در موجبر منتشر مي شود، وابسته به پهناي موجبر يا بعد a موجبر مي باشد. اين تكنيك شيفت فاز براي رادار :GCA ground control approach) شيوه كنترل زميني) با مرور مكانيكي بيم ها در زواياي سمت و ارتفاع مورد استفاده قرار مي گرفت.

شيفت دهنده هاي فاز مكانيكي، البته مانند وسايل الكترونيكي سريع نيستند و قادر به انتخاب يك مقدار تصادفي از فاز هم نيستند. بنابراين، اين موضوع امكان پذير است كه با چندين وسيله الكترومكانيكي مرور بيم را روي سطح پوشش خود بيم با آهنگ ده بار در ثانيه (زمان سوئيچ ۱/۰ ثانيه) كه به اندازه كافي براي بسياري از كاربردها سريع مي باشد، انجام دهيم.
۴-۳- آرايه هاي مرور فركانس FREQUENCY – SCAN ARRAYS

تغيير در فركانس سيگنال الكترومغناطيس و در امتداد خط انتقال تغييري را در فاز ايجاد مي كنند. همانند مطلبي كه در رابطه (۱۵-۳) ارائه شد. اين موضوع يك وسيله نسبتاً ساده براي ايجاد شيفت فاز الكترونيكي، فراهم مي كند. گرچه تغذيه موازي براي يك آرايه مرور فركانس، امكان پذير است، ولي معمولاً استفاده از آرايه تغذيه سري ساده تر مي بباشد. شكل (۷-۳). زماني كه خط اتصال انتقال دهنده المان هاي مجاور، در مقايسه با شيفت دهنده هاي فاز معمولي، باريك باشد، آرايش تغذيه سري مي تواند در آرايه هاي مرور فركانس و بدون افت اضافي به كار رود.

شكل ۷-۳- آرايه خطي مرور فركانس با تغذيه سري
اختلاف فاز بين دو المان مجاور در آرايه تغذيه سري شكل ۷-۳ به قرار زير است:
(۱۶-۳)
كه در آن:
F: فركانس سيگنال الكترومغناطيسي
L: طول اتصال دهنده المان هاي مجاور (كلاً بزرگتر از فاصله بين المانهاست)
V: سرعت انتشار در خط انتقال
: طول موج
به خاطر سهولت در مسئله، سرعت انتشار برابر سرعت نور (c) درنظر گرفته مي شود. اين موضوع به خطوط كواكسيال يا تركيبات مشابه با آن كه مد TEM را منتشر مي كنند، مربوط مي شود.
اگر بيم اصلي در جهت باشد، اختلاف بين المانها بايد باشد. در يك آرايه مرور فركانس، جمع شدن مضروب صحيح از راديان با اختلاف فاز مربوطه، معمولاً ضروري است. اين موضوع باعث مي شود كه يك زاويه مروري، توسط يك تغيير فركانس كوچكتر نيز حاصل شود. اين به آن معني است كه عدد صحيح m در راديان ضرب مي شود. با معادل شمردن اين اختلاف فاز و شيفت فاز حوصله از خط به طول l معادله ۱۶-۴ ايجاد مي شود، اكنون داريم:
(a17-3)
(b17-3) يا
زماني كه بيم در موقعيت بروسايد باشد معادله (b17-4) نتيجه مي دهد كه كه در آن طول موج متناظر با بيم در موقعيت بروسايد مي باشد. فركانس متناظر نيز است و موقعيت بين به قرار زير مي باشد:
(۱۸-۳)
اگر بيم تا حدود زواياي بچرخد، انحراف طول موج توسط رابطه زير ارائه مي شود:
(۱۹-۳)

بنابراين بين انحراف طول موج و طول موج واقعي در خط اتصال دهنده المانها، يك مبادله وجود دارد.
يك رادار مرور فركانس به يك بخش مهم از باند موجود در رادار، به منظور اختصاص دادن به حساسيت بيم، احتياج دارد. گرچه اين روش، روش ساده اي براي هدايت الكترونيكي بيم است، ولي معمولاُ از باند فركانسي براي مقاصد ديگر استفاده نمي شود. اگر پالس خيلي كوتاه (سيگنالهاي با پهناي خيلي وسيع) در آرايه مرور فركانس به كار رود، شكل پترن كج و كوله خواهد شد. دو روش مشابه براي بررسي اين محدوديت وجود دارد. در بررسي ويژگي حوزه فركانسي، هر جزء وابسته به طيفي از فركانس متناظر با يك جهت مختلف مي باشد. اگر سيگنال، شامل اجزاء فركانس گسترده اي باشد، بيم براي ناحيه اي ناموزون و بزرگتر از پهناي بيم خودش گسترده خواهد شد. متناوباً از شروع زمان تأخير مورد بررسي پالس فشرده تأثيرگذار براي ورودي آرايه، تغذيه شري (شكل ۱۷-۳) يك زمان محدود براي حركت در انتهاي خط انتقال لازم دارد.

در رابطه (۱۸-۳) سرعت انتشار در خط انتقال برابر سرعت نور بود. با اين وجود، براي خطوط انتقال در يك ارايه مرو فركانس، سرعت انتشار با فركانس تغيير مي كند، به عبارت ديگر آنها پراكنده كننده مي باشند.

يك موجبر نمونه اي از خط پراكنده كننده مي باشد. سرعت در مقايسه با مشخصات فركانسي در خطوط انتقال مي تواند يك مزيت به شمار رود و حساسيت فركانسي بيشتري ايجاد كند. به عبارت ديگر، يك ضريب پاياني كوچكتر مي تواند براي زاويه مرور و انحراف فركانسي، حاصل شود. يك طرح اوليه از يك موجبر تا شده براي تحريك، ارايه اي كه شامل موجبرهاي شيارشيار شده است. در شكل ۸-۳ نشان داده شده است. اين نوع از تغذيه، به عنوان تغذيه مارپيچ، پيچاپيچ يا پيچ اندر پيچ، شناخته مي شود.

ساير خطوط انتقال موج آهسته اي كه مي تواند براي اين نوع تغذيه به كار روند عبارتند از: موجبر استوانه اي و موجبر شيار داده شده. پيكربندي شكل ۸-۳ مي تواند براي مرور بيم مدادي شكل در زاويه ارتفاع استفاده شود، البته با چرخش مكانيكي كه مرور بيم مداري شكل در زاويه ارتفاع استفاده شود، البته با چرخش مكانيكي كه مرور زاويه سمت را انجام مي دهد. AN/SPS-48 شكل ۹-۳، يك نمونه عملي مي باشد. اين رادار، يك رادار مرور فركانس است كه در بسياري از ناوهاي ايالات متحده آمريكا مورد استفاده قرار مي گيرد. اين رادتر براي اندازه گيري زواياي سمت و ارتفاع هدفهاي هوايي به كار مي رود.

شكل ۸-۳- آنتن فركانس «آرايه صفحه اي» شامل يك موجبر تا شده، تغذيه خط تأخير، يك دستگاه از موجبر كه همگي با تشعشع شيارها در جداره نازك موجبر تطبيق داده شده اند.
اين رادار گاهي اوقات رادار D3 ناميده يم شود، با وجود سومين، محور مختصات علاوه بر آن دو محور. رادار AN/SPS-48 چندين فركانس را تشعشع مي كند، به خاطر اين كه به طور همزمان چندين بيم را توليد كند و اين عمل را به اين دليل انجام مي دهد كه آهنگ مرور بيشتري نسبت به حالت تك بيم داشته باشيم.
وقتي كه محدوده هدف كمتر از زاويه ارتفاع افزايش مي يابد. همان طور كه قدرت انتقالي كاهش مي يابد، زاويه ارتفاع افزايش مي يابد (اين موضوع، گاهي اوقات، برنامه ريزي توان ناميده مي شود).

در يك كاربرد مربوط به كشتي، كنترل مرور زاويه ارتفاع مي تواند براي ثبات الكترونيكي موقعيت بيم و جبران حركت كششي مورد استفاده قرار گيرد.
شكل ۹-۳- آنتن رادار مرور فركانسي AN/SPS-48

در يك رادار مرور فركانس معمولي، بيم در هر تجزيه باطري (پهناي بيم) براي يك وقفه يا چندين وقفه تكرار پالس، جاي مي گيرد. روش ديگر براي به كارگيري حوزه فركانس به منظور مرور ناحيه ناموزون، تشعشع يك پالس تنظيم فركانس منفرد با يك باند مدولاسيون عريض مي باشد. با انجام اين عمل، بيم روي تمامي سطح ناخيه ناموزون مرور مي شود. بنابراين، با تداوم تحريك پالس منفرد، بيم آنتن، تمامي زوايا را مرو مي كند. اين عمل گاهي اوقات، نرور فركانس در محدوده پالس (within pulse) ناميده مي شود.

شكل موج انتقالي شبيه شكل موج متراكم پالس تنظيم فركانس مي باشد. فركانسهاي حاصل از هر پالس پژواك برگشتي به رادار و توسط زاويه ارتفاع هدفها، مشخص خواهند شد. گيرنده مجموعه اي از فيلترها را به كار مي گيرد، هر تنظيمي براي يك فركانس حامل متفاوت، به ترتيب متناظر با يك زاويه متفاوت مي باشد. اين مطلب متناظر با خروجي ماتريس شكل بيم است. مانند بخش ۷-۳ شماره فيلترها به پهناي بيم آنتن و تمامي پوشش ناموزون بستگي دارد. پهناي باند از اين فيلترها توسط تغيير فركانس مورد نياز نسبت به مرور بيم آنتن در يك پهناي بيم، مشخص مي شود. پهناي باند برابر است با:

(۲۲-۳)
كه در آن:
= پهناي بيم و D = قطر دهانه
با جايگذاري معادله (۱۸-۳) در معادله فوق خواهيم داشت:
(۲۳-۳)
زمان لازم براي عبور سيگنال از داخل تغذيه مارپيچي برابر است با: . بنابراين در حوال بروسايد پهناي باند موجود براي پالس فشرده برابر است با
سيگنال مدوله فركانسي، پهناي باندي معادل را اشغال مي كند، كه اين سيگنال مي تواند به منظور توليد يك پالس باريك در خارج فيلتر فشرده ساز، متراكم شود. اين روش، روشي براي تركيب فركانس مرور با پالس فشرده مي باشد. تكنيك مرور فركانس، براي مرور يك بيم يا چندين بيم در مختصات زاويه اي منفرد، بسيار مناسب مي باشد. يكي از ايرادهاي آرايه مرور فركانس دو بعدي، نياز داشتن آن به يك باند عريض و محدود بودن آن در پهناي باند سيگنال مي باشد.
۶-۳- انواع تغذيه براي آرايه ها

اگر تنها يك فرستنده و يك گيرنده در آرايه فازي به كار رود، بايد برخي از قسمتهاي شبكه براي اتصال تنها پورت گيرنده و يا پورت فرستنده به هر كدام از عناصر آنتن مورد استفاده قرار گيرند. مقسم قدرتي كه براي اتصال عناصر آرايه به پورت مربوطه استفاده مي شود تغذيه آرايه ناميده مي شود.
يك آرايه صفحه اي، مسئله داراي پيچيدگي بيشتري مي باشد. شكل تركيب شدن خروجي هاي N پورت، يا برعكس با كمترين افت صورت مي پذيرد. افت تغذيه آرايه كه معادل با افت بهره قدرت آنتن مي باشد، هميشه مورد بحث قرار نمي گيرد.

حداقل سه مفهوم پايه براي تغذيه يك آرايه وجود دارد. تغذيه اجباري (constrained feed)، موجبرها يا ساير خطوط انتقال ماكروويو را به موازات كوپلرها، اتصال دهنده ها، يا ساير وسايل توزيع قدرت به كار مي گيرد. مكان تغذيه، انرژي را بين يك ارايه لنزي يا يك آرايه انعكاسي توزيع مي كند. البته در روشي مشابه با يك آنتن انعكاسي يا لنزي با (تغذيه نقطه اي) تغذيه صفحه اي موازي، ساختارهاي اصلي مايكروويو را به منظور ايجاد تقسيم قدرتي عالي بكار مي گيرد.

تغذيه اجباري شكل ۱۰-۳ يك ارايه مرورگر دو بعدي را كه گاهي اوقات تغذيه سري – موازي ناميده ميشود، نشان مي دهد. هر الماني شيفت دهنده فاز مربوط به خودش را داراست. هر فرمان جداگانه اي بايد توسط كامپيوتر هدايت بيم آناليز شود و به شيفت دهنده فاز مربوط ارسال شود.