RESOLUTE?光柵將射頻天線的定位精度和分辨率提高百倍
2022-3-23 來(lái)源：雷尼紹 作者：-
Pacific Antenna Systems (PAS) 公司設(shè)計(jì)、加工和制造使用1–110 Ghz射頻 (RF) 的先進(jìn)天線系統(tǒng)。
這些天線系統(tǒng)的應(yīng)用范圍包括高分辨率雷達(dá)、用于視距和衛(wèi)星 (SATCOM) 通信的高速率數(shù)據(jù)通信，以及用于對(duì)抗無(wú)人機(jī) (UAS) 的高功率微波系統(tǒng)。
天線的基本工作原理是將射頻波束精確地定位到靶點(diǎn)上。
PAS根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合在天線中采用多種不同的機(jī)電設(shè)計(jì)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸（萬(wàn)向節(jié)）上都安裝旋轉(zhuǎn)位置編碼器，以滿足準(zhǔn)確度和精度要求。
機(jī)載系統(tǒng)的工作環(huán)境非常惡劣，例如溫度低于零度、射頻噪聲大、機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)，從而加大了光柵選型難度。
以前，PAS天線系統(tǒng)備受光柵性能問(wèn)題的干擾，例如精度低、抗射頻干擾性差、抗振動(dòng)能力弱。
雷尼紹光柵產(chǎn)品成功幫助PAS將其伺服控制循環(huán)的定位精度和分辨率提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
挑戰(zhàn)
在機(jī)載應(yīng)用中，雷達(dá)和射頻通信系統(tǒng)需要做到重量輕、體積小、動(dòng)力強(qiáng)。此外，還必須采用模塊化結(jié)構(gòu)，并且易于裝配。
PAS副總裁Anthony J. Macri先生介紹了以上要求給設(shè)計(jì)帶來(lái)的挑戰(zhàn)：
“我們看重的是：體積、重量和動(dòng)力 (Size, Weight and Power - SWAP)。對(duì)于機(jī)載雷達(dá)和通信領(lǐng)域的每個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，SWAP都是極其重要的參數(shù)。
我們面對(duì)的挑戰(zhàn)是將波束定位到靶點(diǎn)上。我們?cè)谏漕l系統(tǒng)中使用非常窄的波束，尤其是毫米 (mm) 波段。在95 Ghz的頻帶寬度中，波束寬度可能低至幾百分之一度。將天線安裝到平臺(tái)上之后，導(dǎo)航數(shù)據(jù)會(huì)有一個(gè)誤差預(yù)算。如果萬(wàn)向節(jié)上安裝的光柵的精度和分辨率很差，那么天線系統(tǒng)的RSS指向誤差將會(huì)增大，導(dǎo)致無(wú)法定位到靶點(diǎn)。”
PAS機(jī)載通信系統(tǒng)對(duì)于飛行器（例如NASA的WB57實(shí)驗(yàn)研究飛機(jī)）的高數(shù)據(jù)速率通信至關(guān)重要。每個(gè)萬(wàn)向節(jié)上的光柵都必須在海拔40,000英尺以上、溫度?40 F以下的高空中工作。高旋轉(zhuǎn)速度和加速度是實(shí)現(xiàn)快速波束指向和掃描操作的基礎(chǔ)。
在通信和雷達(dá)應(yīng)用中，光柵是關(guān)鍵零部件，必須保證高可靠性，因?yàn)槿魏喂收隙伎赡芪＜吧?/font>
解決方案
PAS針對(duì)單站雷達(dá)和通信系統(tǒng)采用不同的萬(wàn)向節(jié)設(shè)計(jì)，但是這些設(shè)計(jì)中均采用RESOLUTE絕對(duì)式光柵，該光柵兼容BiSS-C串行協(xié)議且具有26位或32位分辨率選項(xiàng)。
Macri先生說(shuō)：“我們獨(dú)創(chuàng)性地在雷達(dá)、視距和衛(wèi)星通信天線以及高功率微波系統(tǒng)中使用RESOLUTE光柵。我們選擇這款光柵是因?yàn)樗母呔群透叻直媛蔬m用于我們的控制循環(huán)。我們將這款光柵應(yīng)用在UH60黑鷹直升機(jī)上，作為防碰撞雷達(dá)的一部分。UH60上的振動(dòng)環(huán)境極其惡劣，我們發(fā)現(xiàn)RESOLUTE光柵的防振動(dòng)能力極強(qiáng)。如果光柵發(fā)生振動(dòng)而無(wú)法計(jì)數(shù)，這會(huì)對(duì)控制循環(huán)造成不利影響。而RESOLUTE光柵能夠滿足我們的精度和堅(jiān)固性要求。”
PAS單站雷達(dá)系統(tǒng)由許多零部件組成，包括底部的射頻陣列饋源，以及一系列安裝在兩軸萬(wàn)向節(jié)上并由直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的透鏡。每臺(tái)電機(jī)都與一個(gè)配用75 mm D截面RESA圓光柵的RESOLUTE寬溫度范圍 (ETR) 光柵系統(tǒng)機(jī)械耦合，對(duì)透鏡旋轉(zhuǎn)進(jìn)行反饋控制。
Macri先生補(bǔ)充道：“這款光柵偏移安裝并且直接耦合到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，因?yàn)殡姍C(jī)的體積非常小。電機(jī)由轉(zhuǎn)子組件和定子組件組成，我們將圓光柵耦合到轉(zhuǎn)子組件上。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，同時(shí)也相對(duì)于位于整個(gè)機(jī)構(gòu)外部的光柵讀數(shù)頭精確地旋轉(zhuǎn)圓光柵。這種雷達(dá)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)在于，射頻能量通過(guò)每個(gè)電機(jī)的內(nèi)孔在自由空間傳播。”
射頻通信系統(tǒng)采用相似的設(shè)計(jì)，但是具有較為傳統(tǒng)的滑環(huán)、旋轉(zhuǎn)接頭和同軸介質(zhì)。在這種情況下，雷尼紹RESA圓光柵的開(kāi)放式內(nèi)孔可提供每個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的頂端所需的空間和功能。
結(jié)果
雷尼紹的RESOLUTE ETR光柵兼容BiSS-C協(xié)議，可支持PAS針對(duì)各種應(yīng)用設(shè)計(jì)和打造先進(jìn)的天線系統(tǒng)。
Macri先生強(qiáng)調(diào)了在天線系統(tǒng)中選用RESOLUTE光柵的優(yōu)勢(shì)：
“我們欣賞RESOLUTE的多種特性，包括易于使用、高精度和高分辨率，以及在惡劣環(huán)境中的可靠性和適用性。
在裝配過(guò)程中，我們的技術(shù)人員可以使用塞尺將光柵讀數(shù)頭手動(dòng)對(duì)齊，這個(gè)過(guò)程很快。而且，RESOLUTE光柵的高級(jí)診斷和安裝工具也有助于快速解決任何安裝問(wèn)題。PAS針對(duì)光柵信號(hào)輸出使用BiSS-C串行協(xié)議，因?yàn)樵搮f(xié)議具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)、易于使用、運(yùn)行速度快。最重要的是，該協(xié)議的安全性循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 位數(shù)長(zhǎng)。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，用戶能夠即刻知曉。在產(chǎn)品生命周期方面，制造速度和
效率以及交付可靠性十分關(guān)鍵。RESOLUTE光柵可以幫助我們做到這一點(diǎn)。”
在PAS雷達(dá)系統(tǒng)中，透鏡以超過(guò)7,000度/秒的速度旋轉(zhuǎn)，并且具有超過(guò)40,000度/秒2的加速度。由于獨(dú)特的單碼道設(shè)計(jì)，RESOLUTE光柵能夠在高運(yùn)行速度下實(shí)現(xiàn)超高的分辨率。這一性能將PAS雷達(dá)系統(tǒng)的靶點(diǎn)位置測(cè)量精度提升到市場(chǎng)領(lǐng)先水平。
Macri先生總結(jié)說(shuō)：“我們使用32位的光柵，但是只截取大約18位。于我們而言，最大的優(yōu)點(diǎn)是精度值和分辨率的LSB（最低有效位）極其接近。當(dāng)光柵被設(shè)定為18位BiSS時(shí)，精度和分辨率完美嚙合。我們需要重復(fù)精度達(dá)到千分之一度以?xún)?nèi)。由于應(yīng)用場(chǎng)合的重要性，這些組件上的所有零部件都必須經(jīng)過(guò)測(cè)試。RESOLUTE遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的預(yù)期。”
PAS公司簡(jiǎn)介
Pacific Antenna Systems (PAS) 公司的總部位于加利福尼亞，主營(yíng)利用先進(jìn)的電磁建模與仿真工具為通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)和高能微波應(yīng)用設(shè)計(jì)美觀且價(jià)格合理的天線系統(tǒng)。PAS還擅長(zhǎng)為客戶解決復(fù)雜的天線系統(tǒng)問(wèn)題，提供快速設(shè)計(jì)和原型制造服務(wù)。PAS的服務(wù)范圍包括咨詢(xún)、設(shè)計(jì)、制造和安全分析。
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