مصفوفة طورية

رسم متحرك يوضح كيفية عمل النسق الطوري. يتكون من مجموعة من عناصر الهوائي (A) مدعوم من مرسل (TX). يمر تيار التغذية لكل هوائي من خلال مبدل الطول "" (φ) "" يتم التحكم فيه بواسطة جهاز كمبيوتر "(C)". تظهر الخطوط الحمراء المتحركة الخطوط الموجية للموجات اللاسلكية المنبعثة من كل عنصر. تكون الواجهات الموجية الفردية كروية ، ولكنها تجمع ( التراكب) أمام الهوائي لإنشاء موجة مستوية ، وهي حزمة من الموجات الراديوية تسير في اتجاه معين. تعمل مبدلات الطور على تأخير الأمواج الراديوية بالتصاعد تدريجياً إلى أعلى الخط بحيث يصدر كل هوائي جبهة الموجة في وقت لاحق عن تلك التي تحته. يؤدي ذلك إلى توجيه الموجة المستوية الناتجة بزاوية "θ" إلى محور الهوائي. من خلال تغيير تحولات الطور ، يمكن للكمبيوتر تغيير زاوية الشعاع "θ" على الفور. تحتوي معظم المصفوفات الطورية على أنساق ثنائية الأبعاد للهوائيات بدلاً من النسق الخطي الموضح هنا ، ويمكن توجيه الحزمة في بعدين. سرعة الموجات اللاسلكية تظهر ببطء شديد.

رسم متحرك يُظهر نمط الإشعاع لنسق طوري مكون من 15 عنصر هوائي متباعداً بربع طول الموجة بينما يكون فرق الطور بين الهوائيات المتجاورة متراوحاً بين -120 و 120 درجة. المنطقة المظلمة هي الشعاع أو الفص الرئيسي ، بينما خطوط الضوء المنتشرة حوله هي الفصوص الجانبية.

في نظرية الهوائيات، المصفوفة الطورية phased array، عادة ما يعني مصفوفة تم مسحها إلكترونيًا ، وهي عبارة عن مصفوفة يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر مصفوفة من الهوائيات والذي ينشئ شعاعًا من أمواج الراديو التي يمكن توجيهها إلكترونيًا للإشارة في اتجاهات مختلفة دون تحريك الهوائيات. في هوائي المصفوفة ، يتم تغذية تيار التردد الراديوي من المرسل إلى الهوائيات الفردية بعلاقة طور صحيحة بحيث تجمع الأمواج الراديوية من الهوائيات المنفصلة معًا لزيادة الإشعاع في الاتجاه المطلوب ، أثناء الإلغاء لمنع الإشعاع في اتجاهات غير مرغوب فيها. في نسق طوري ، يتم تغذية الطاقة من جهاز الإرسال إلى الهوائيات من خلال أجهزة تسمى "مبدلات الطور ، يتم التحكم فيها بواسطة نظام كمبيوتر ، والذي يمكن أن يغير الطور إلكترونيًا ، وبالتالي توجيه حزمة أمواج الراديو لاتجاه مختلف. نظرًا لأن المصفوفة يجب أن تتكون من العديد من الهوائيات الصغيرة (أحيانًا الآلاف) لتحقيق مكاسب عالية ، تعد المصفوفات الطورية عملية بشكل رئيسي عند نهاية تردد عالية من الطيف الراديوي ، في UHF و نطاقات الأمواج الميكروية ، حيث تكون عناصر الهوائي صغيرة بشكل ملائم.

تم اختراع المصفوفات الطورية للاستخدام في أنظمة الرادار العسكرية ، لتوجيه شعاع من أمواج الراديو بسرعة عبر السماء لاكتشاف الطائرات والصواريخ. هذه النظم المستخدمة على نطاق واسع الآن تنتشر إلى التطبيقات المدنية. يستخدم أيضًا مبدأ النسق الطوري في الصوتيات ، ويتم استخدام المصفوفات الطورية للمحولات الصوتية في الماسحات الضوئية الطبية التصوير بالأمواج فوق الصوتية (الأمواج فوق الصوتية للمصفوفة الطورية) ، الهيدروكربون التنقيب عن النفط والغاز (علم الزلازل الانعكاسي) و أنظمة السونار العسكرية.

كما يستخدم مصطلح "النسق الطوري" إلى حد أقل في المصفوفات الهوائية غير الموجهة حيث يتم تثبيت طور قدرة التغذية وبالتالي مخطط إشعاع مصفوفة الهوائي. على سبيل المثال ، تُسمى أيضًا الهوائيات الراديوية للبث AM التي تتكون من مشعات أعمدة الإشارات متعددة لتكوين مخطط إشعاع "مصفوفات مرحلية" معين.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التاريخ

هوائي فرديناند براون 1905 والذي استخدم مبدأ المصفوفة الطورية ، الذي يتكون من 3 هوائيات أحادية القطب في مثلث متساوي الأضلاع. تسبب تأخير ربع الموجة في خط تغذية هوائي واحد في إشعاع المصفوفة في حزمة. يمكن تحويل التأخير يدويًا إلى أي من التغذية الثلاثة ، مع تدوير حزمة الهوائي بمقدار 120 درجة.

الولايات المتحدة PAVE PAWS رادار مصفوفة طورية نشطة لكشف الصواريخ الباليستية في ألاسكا. اكتمل في عام 1979 ، وكان من أول المصفوفات النشطة الطورية.

صورة مقربة لبعض عناصر هوائي ثنائي القطب 2677 المتقاطعة التي تشكل مجموعة المستوى. أنتج هذا الهوائي شعاع "قلم رصاص" ضيق بعرض 2.2 درجة فقط.

هوائي رادار مصفوفة طورية نشطة داخل مقدمة الطائرة المقاتلة F-22 Raptor الأمريكية. تقريباً جميع الطائرات المقاتلة تستخدم الآن رادارات المصفوفة الطورية.

رادارات BMEWS & PAVE PAWS

رادار الماموت الطورية الحرب العالمية الثانية

 التطبيقات

 الرادار

رادار مصفوفة طورية نشطة مثبت على أعلى "Sachsen" - فرقاطة من فئة F220 "هيكل هامبورگ" العلوي من البحرية الألمانية

 الاستخدام في الأبحاث الطقسية

تركيب رادار AN / SPY-1A في المختبر الوطني للعواصف الشديدة ، نورمان ، أوكلاهوما. يوفر رادوم المرفق الحماية من الطقس.

 البصريات

المقالة الرئيسية: بصريات المصفوفة الطورية

 المنظور والمعادلات الرياضية

مخطط الإشعاع لمصفوفة طورية يحتوي على 7 بواعث متباعدة ربع طول موجة متباعدة ، يوضح اتجاه تبديل الشعاع. يتحول تحول الطور بين البواعث المجاورة من 45 درجة إلى −45 درجة

مخطط الإشعاع لمصفوفة طورية في نظام الإحداثيات القطبية.

$\psi =\psi _{0}\,{\frac {\sin \left({\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta \right)}{{\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta }}\,{\frac {\sin \left({\frac {N}{2}}kd\sin \theta \right)}{\sin \left({\frac {kd}{2}}\sin \theta \right)}}$

الآن ، إضافة مصطلح φ إلى ${\textstyle kd\sin \theta \,}$ تأثير الهامش في الناتج المدى الثاني:

$\psi =\psi _{0}\,{\frac {\sin \left({\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta \right)}{{\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta }}\,{\frac {\sin \left({\frac {N}{2}}\left({\frac {2\pi d}{\lambda }}\sin \theta +\phi \right)\right)}{\sin \left({\frac {\pi d}{\lambda }}\sin \theta +{\frac {\phi }{2}}\right)}}$

إن أخذ مربع دالة الموجة يعطينا شدة الموجة.

${\begin{aligned}I&=I_{0}\left({\frac {\sin \left({\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta \right)}{{\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta }}\right)^{2}\left({\frac {\sin \left({\frac {N}{2}}\left({\frac {2\pi d}{\lambda }}\sin \theta +\phi \right)\right)}{\sin \left({\frac {\pi d}{\lambda }}\sin \theta +{\frac {\phi }{2}}\right)}}\right)^{2}\\I&=I_{0}\left({\frac {\sin \left({\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta \right)}{{\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta }}\right)^{2}\left({\frac {\sin \left({\frac {\pi }{\lambda }}Nd\sin \theta +{\frac {N}{2}}\phi \right)}{\sin \left({\frac {\pi d}{\lambda }}\sin \theta +{\frac {\phi }{2}}\right)}}\right)^{2}\end{aligned}}$

الآن مساحة الباعثات مسافة ${\textstyle d={\frac {\lambda }{4}}}$جانباً. يتم اختيار هذه المسافة لتبسيط الحساب ولكن يمكن تعديلها على أنها أي جزء عددي من الطول الموجي.

$I=I_{0}{{\left({\frac {\sin \left({\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta \right)}{{\frac {\pi a}{\lambda }}\sin \theta }}\right)}^{2}}{{\left({\frac {\sin \left({\frac {\pi }{4}}N\sin \theta +{\frac {N}{2}}\phi \right)}{\sin \left({\frac {\pi }{4}}\sin \theta +{\frac {\phi }{2}}\right)}}\right)}^{2}}$

كما يحقق الجيب أقصى حد له ${\textstyle {\frac {\pi }{2}}}$, نضع البسط في الجزء الثاني = 1.

${\begin{aligned}{\frac {\pi }{4}}N\sin \theta +{\frac {N}{2}}\phi &={\frac {\pi }{2}}\\\sin \theta &=\left({\frac {\pi }{2}}-{\frac {N}{2}}\phi \right){\frac {4}{N\pi }}\\\sin \theta &={\frac {2}{N}}-{\frac {2\phi }{\pi }}\end{aligned}}$

وهكذا مع ازدياد حجم "N" ، سيهيمن على المصطلح ${\begin{matrix}{\frac {2\phi }{\pi }}\end{matrix}}$.بما أن الجيب يمكن أن يتذبذب بين −1 و 1 ، يمكننا أن نرى ذلك الإعداد $\phi =-{\begin{matrix}{\frac {\pi }{2}}\end{matrix}}$ سوف يرسل الحد الأقصى من الطاقة على زاوية من قبل

$\theta =\sin ^{-1}1={\frac {\pi }{2}}=90^{\circ }$

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 الأنواع المختلفة للمصفوفات الطورية

المقالة الرئيسية: تشكل الشعاع

 المصفوفة الطورية الثابتة

برج هوائي يتكون من مصفوفة هوائي متطور أطوار ثابتة مع أربعة عناصر

 انظر أيضاً

• Active electronically scanned array
• Antenna array
• Aperture synthesis
• Beamforming
• Interferometric synthetic-aperture radar
• Inverse synthetic-aperture radar
• Multi-user MIMO
• Optical heterodyne detection
• Phased array ultrasonics
• Phased-array optics
• Radar MASINT
• Side-scan sonar
• Single-frequency network
• Smart antenna
• Synthetic-aperture radar
• Synthetic aperture sonar
• Synthetically thinned aperture radar
• Thinned-array curse
• Wave field synthesis
• History of smart antennas
• Reconfigurable antenna

 وصلات خارجية

• Radar Research and Development - Phased Array Radar—National Severe Storms Laboratory
• Shipboard Phased Array Radars
• NASA Report: MMICs For Multiple Scanning Beam Antennas for Space Applications
• Principle of Phased Array
• 'Phased Array' microphone system of Tony Faulkner
• Software tool to predict the radiation pattern of an antenna array