وسایل شیفت فاز الکترومکانیکی

علاوه بر شیفت دهنده های فاز الکترونیکی، وسایل الکترومکانیکی برای تغییر فاز در رادارهای آرایه فازی، مخصوصاً در مدلهای اولیه به کار گرفته شده بودند. گرچه شیفت دهنده های الکترومکانیکی در حال حاضر کاربرد وسیعی ندارند، برای بازگویی تنوع وسایلی که در آنتن های آرایه ای به کار گرفته می شوند این نوع شیفت دهنده ها در این مبحث تشریح می شوند.
یکی از اولین و ساده ترین شیفت دهنده های فاز الکترومکانیکی، یک خط انتقال است که طولش به صورت مکانیکی و توسط یک بخش تلسکوپی تغییر می کند. این وسیله، خط کشنده نامیده می شود. بخش تلسکوپی ممکن است به شکل U باشد، و. طول خط توسط روشی شبیه به ساز بادی تغییر می کند. خط کشنده (linestretcher) اغلب در کابل کواکسیال به کار گرفته می شود. یک خط کشنده مکانیکی شیفت فاز بیشتری را نسبت به خط کشنده متداول در شیفت دهنده فاز خط مارپیچ می دهد. سرعت فاز در یک خط انتقال مارپیچ به میزان قابل توجهی کمتر از سرعت نور است. به این دلیل یک حرکت مکانیکی مطلوب، تغییر فاز بیشتری را نسبت به یک خط کشنده در خط انتقال متداول تولید می کند. بنابراین یک شیفت دهنده فاز کوتاهتر، مخصوصاً در باندهای فرکانسی VHF و UHF مفید می باشد. کاهش در طول ابعاد معادل با ضریب پایانی از مارپیج می باشد، که این ضریب برابر با نسبت محیط به ارتفاع حلقه می باشد.

ضرایب پایانی مارپیچ در طرحهای عملی بین 10 تا 20 می باشند. نه کابل کواکسیال و نه خط کشنده مارپیچی، هیچ کدام برای فرکانسهای بالاتر مایکروویو مناسب نمی باشند. یک وسیله موجبری متناسب برای فرکانسهای بالا، متناظر با خط کشنده است، که این خط کشنده همانند T جادوئی عمل می کند. یک تغییر در طول خط، یا یک تغییر متناظر در فاز، در T جادوئی و توسط مدارات کوتاه قابل تنظیم در بازوهایی که روی یک خط قرار دارند، تولید می شود. استفاده از مدارات کوتاه قابل تنظیم در هایبرید شکاف کوتاه تا حدی برای آرایش مکانیکی مناسب تر است. شیفت دهنده فاز الکترومکانیکی دیگری که در آرایه رادار به کار گرفته شده است، شیفت دهنده فاز مکانیکی بازوی چرخان می باشد. این شیفت دهنده شامل تعدادی خط انتقال هم مرکز می باشد. هر خط، یک میان موج سه پهلو همراه با یک رسانای عایق بندی شده می باشد.
یک بازوی محرک تماس را با هر تجمع دایروی حاصل می کند. بازوها به منظور تولید یک تغییر پیوسته و یکنواخت از فاز در عرض المانهای آرایه می چرخند. زمانی که فاز در یک سر خط هم مرکز افزایش می یابد، در سر دیگر خط فاز کاهش می یابد. در نتیجه یک خط میتواند توسط دو المان، تغییر فاز لازم را ایجاد کند، که این دو المان می توانند در دو طرف مرکز آرایه جای گیرند. تعداد   حلقه های هم مرکز، برای یک آرایه خطی (1+N) المانه مورد نیاز است. چندین روش برای تولید شیفت فاز وجود دارد که خواص پلاریزاسیون دایروی را به کار می گیرند. یکی از اولین وسایلی که پلاریزاسیون دایروی را به کار گرفت، انتشار امواج در گرداگرد موجبر، یا به عبارتی شیفت دهنده فاز Fox بوده. شیفت دهنده فاز موجبر چرخان در جنگ جهانی دوم و توسط آزمایشگاههای تلفن بل و در رادارهای مروری FH MUSA یا MK8 مورد استفاده قرار می گرفت. این اولین رادار US برای استفاده دد آنتن آرایه فازی با شیفت دهنده فاز و به منظور هدایت بیم بود. این آرایه S-band که دارای 42 المان بود 9  درجه را در عرض 10 ثانیه مرور کرد. وسایل منسوبی که تغییر فاز را توسط چرخش نسبی از دیپلهای متقاطع به دست می آوردند، در یک هدایت دایروی یا کویتی توسط کومر توصیف شده‌اند. یک شکل متفاوت از هدایت مکانیکی بیم در یک ارایه با المانهای آنتن مارپیچی استفاده میشود.
بیم پلاریزه خطی توسط یک صفحه آرایه دو بعدی تشعشع میشود. یک درجه چرخش مکانیکی متناظر است با تغییر فاز یک درجه الکتریکی. وسایل شیفت فاز اضافی، مورد نیاز نیستند. یک ارایه از المانهای مارپیچ یک آنتن مروری ساده را می سازد. این آنتن عمدتاً در کاربردهایی که المان باند عریض مورد نیاز است و قدرت هم زیاد بالا نیست، مفید می باشد. تمامی مجموعه ها شامل سردکنهای مارپیچی و شبکه های تغذیه، و نه اتصال چرخان می توانند توسط تکنیک های مدار چاپی تولید شود. المانهای سردکن مارپیچی برای شیفتهای فاز در آرایه مورد استفاده واقع می شوند. تغییر در فاز در موجبر فرستنده ممکن است توسط تغییر مکانیکی ابعاد موجبر حاصل شود. یک وسیله مشابه که برای رادارهای عملی مورد استفاده قرار گرفته بود، مرورگر Eagle یا delta-a بود. عبارت اخیر توصیفی است از این واقعیت که سرعت انتشار و درنتیجه سرعت فاز، از یک سیگنال که در موجبر منتشر می شود، وابسته به پهنای موجبر یا بعد a موجبر می باشد. این تکنیک شیفت فاز برای رادار :GCA ground control approach) شیوه کنترل زمینی) با مرور مکانیکی بیم ها در زوایای سمت و ارتفاع مورد استفاده قرار می گرفت.
شیفت دهنده های فاز مکانیکی، البته مانند وسایل الکترونیکی سریع نیستند و قادر به انتخاب یک مقدار تصادفی از فاز هم نیستند. بنابراین، این موضوع امکان پذیر است که با چندین وسیله الکترومکانیکی مرور بیم را روی سطح پوشش خود بیم با آهنگ ده بار در ثانیه (زمان سوئیچ 1/0 ثانیه) که به اندازه کافی برای بسیاری از کاربردها سریع می باشد، انجام دهیم.
4-3- آرایه های مرور فرکانس FREQUENCY - SCAN ARRAYS
تغییر در فرکانس سیگنال الکترومغناطیس و در امتداد خط انتقال تغییری را در فاز ایجاد می کنند. همانند مطلبی که در رابطه (15-3) ارائه شد. این موضوع یک وسیله نسبتاً ساده برای ایجاد شیفت فاز الکترونیکی، فراهم می کند. گرچه تغذیه موازی برای یک آرایه مرور فرکانس، امکان پذیر است، ولی معمولاً استفاده از آرایه تغذیه سری ساده تر می بباشد. شکل (7-3). زمانی که خط اتصال انتقال دهنده المان های مجاور، در مقایسه با شیفت دهنده های فاز معمولی، باریک باشد، آرایش تغذیه سری می تواند در آرایه های مرور فرکانس و بدون افت اضافی به کار رود.

شکل 7-3- آرایه خطی مرور فرکانس با تغذیه سری
اختلاف فاز بین دو المان مجاور در آرایه تغذیه سری شکل 7-3 به قرار زیر است:
(16-3)       
که در آن:
F: فرکانس سیگنال الکترومغناطیسی
L: طول اتصال دهنده المان های مجاور (کلاً بزرگتر از فاصله بین المانهاست)
V: سرعت انتشار در خط انتقال
 : طول موج
به خاطر سهولت در مسئله، سرعت انتشار برابر سرعت نور (c) درنظر گرفته می شود. این موضوع به خطوط کواکسیال یا ترکیبات مشابه با آن که مد TEM را منتشر می کنند، مربوط می شود.
اگر بیم اصلی در جهت   باشد، اختلاف بین المانها باید   باشد. در یک آرایه مرور فرکانس، جمع شدن مضروب صحیح از   رادیان با اختلاف فاز مربوطه، معمولاً ضروری است. این موضوع باعث می شود که یک زاویه مروری، توسط یک تغییر فرکانس کوچکتر نیز حاصل شود. این به آن معنی است که عدد صحیح m در   رادیان ضرب می شود. با معادل شمردن این اختلاف فاز و شیفت فاز حوصله از خط به طول l معادله 16-4 ایجاد می شود، اکنون داریم:
(a17-3)    
(b17-3)        یا
زمانی که بیم در موقعیت بروساید باشد   معادله (b17-4) نتیجه می دهد که   که در آن  طول موج متناظر با بیم در موقعیت بروساید می باشد. فرکانس متناظر نیز   است و موقعیت بین به قرار زیر می باشد:
(18-3)     
اگر بیم تا حدود زوایای   بچرخد، انحراف طول موج   توسط رابطه زیر ارائه می شود:
(19-3)       

بنابراین بین انحراف طول موج و طول موج واقعی در خط اتصال دهنده المانها، یک مبادله وجود دارد.
یک رادار مرور فرکانس به یک بخش مهم از باند موجود در رادار، به منظور اختصاص دادن به حساسیت بیم، احتیاج دارد. گرچه این روش، روش ساده ای برای هدایت الکترونیکی بیم است، ولی معمولاُ از باند فرکانسی برای مقاصد دیگر استفاده نمی شود. اگر پالس خیلی کوتاه (سیگنالهای با پهنای خیلی وسیع) در آرایه مرور فرکانس به کار رود، شکل پترن کج و کوله خواهد شد. دو روش مشابه برای بررسی این محدودیت وجود دارد. در بررسی ویژگی حوزه فرکانسی، هر جزء وابسته به طیفی از فرکانس متناظر با یک جهت مختلف می باشد. اگر سیگنال، شامل اجزاء فرکانس گسترده ای باشد، بیم برای ناحیه ای ناموزون و بزرگتر از پهنای بیم خودش گسترده خواهد شد. متناوباً از شروع زمان تأخیر مورد بررسی پالس فشرده تأثیرگذار برای ورودی آرایه، تغذیه شری (شکل 17-3) یک زمان محدود برای حرکت در انتهای خط انتقال لازم دارد.
در رابطه (18-3) سرعت انتشار در خط انتقال برابر سرعت نور بود. با این وجود، برای خطوط انتقال در یک ارایه مرو فرکانس، سرعت انتشار با فرکانس تغییر می کند، به عبارت دیگر آنها پراکنده کننده می باشند.
یک موجبر نمونه ای از خط پراکنده کننده می باشد. سرعت در مقایسه با مشخصات فرکانسی در خطوط انتقال می تواند یک مزیت به شمار رود و حساسیت فرکانسی بیشتری ایجاد کند. به عبارت دیگر، یک ضریب پایانی کوچکتر می تواند برای زاویه مرور و انحراف فرکانسی، حاصل شود. یک طرح اولیه از یک موجبر تا شده برای تحریک، ارایه ای که شامل موجبرهای شیارشیار شده است. در شکل 8-3 نشان داده شده است. این نوع از تغذیه، به عنوان تغذیه مارپیچ، پیچاپیچ یا پیچ اندر پیچ، شناخته می شود.
سایر خطوط انتقال موج آهسته ای که می تواند برای این نوع تغذیه به کار روند عبارتند از: موجبر استوانه ای و موجبر شیار داده شده. پیکربندی شکل 8-3 می تواند برای مرور بیم مدادی شکل در زاویه ارتفاع استفاده شود، البته با چرخش مکانیکی که مرور بیم مداری شکل در زاویه ارتفاع استفاده شود، البته با چرخش مکانیکی که مرور زاویه سمت را انجام می دهد. AN/SPS-48 شکل 9-3، یک نمونه عملی می باشد. این رادار، یک رادار مرور فرکانس است که در بسیاری از ناوهای ایالات متحده آمریکا مورد استفاده قرار می گیرد. این رادتر برای اندازه گیری زوایای سمت و ارتفاع هدفهای هوایی به کار می رود.
شکل 8-3- آنتن فرکانس «آرایه صفحه ای» شامل یک موجبر تا شده، تغذیه خط تأخیر، یک دستگاه از موجبر که همگی با تشعشع شیارها در جداره نازک موجبر تطبیق داده شده اند.
این رادار گاهی اوقات رادار D3 نامیده یم شود، با وجود سومین، محور مختصات علاوه بر آن دو محور. رادار AN/SPS-48 چندین فرکانس را تشعشع می کند، به خاطر این که به طور همزمان چندین بیم را تولید کند و این عمل را به این دلیل انجام می دهد که آهنگ مرور بیشتری نسبت به حالت تک بیم داشته باشیم.
وقتی که محدوده هدف کمتر از زاویه ارتفاع افزایش می یابد. همان طور که قدرت انتقالی کاهش می یابد، زاویه ارتفاع افزایش می یابد (این موضوع، گاهی اوقات، برنامه ریزی توان نامیده می شود).
در یک کاربرد مربوط به کشتی، کنترل مرور زاویه ارتفاع می تواند برای ثبات الکترونیکی موقعیت بیم و جبران حرکت کششی مورد استفاده قرار گیرد.
شکل 9-3- آنتن رادار مرور فرکانسی AN/SPS-48
در یک رادار مرور فرکانس معمولی، بیم در هر تجزیه باطری (پهنای بیم) برای یک وقفه یا چندین وقفه تکرار پالس، جای می گیرد. روش دیگر برای به کارگیری حوزه فرکانس به منظور مرور ناحیه ناموزون، تشعشع یک پالس تنظیم فرکانس منفرد با یک باند مدولاسیون عریض می باشد. با انجام این عمل، بیم روی تمامی سطح ناخیه ناموزون مرور می شود. بنابراین، با تداوم تحریک پالس منفرد، بیم آنتن، تمامی زوایا را مرو می کند. این عمل گاهی اوقات، نرور فرکانس در محدوده پالس (within pulse) نامیده می شود.
شکل موج انتقالی شبیه شکل موج متراکم پالس تنظیم فرکانس می باشد. فرکانسهای حاصل از هر پالس پژواک برگشتی به رادار و توسط زاویه ارتفاع هدفها، مشخص خواهند شد. گیرنده مجموعه ای از فیلترها را به کار می گیرد، هر تنظیمی برای یک فرکانس حامل متفاوت، به ترتیب متناظر با یک زاویه متفاوت می باشد. این مطلب متناظر با خروجی ماتریس شکل بیم است. مانند بخش 7-3 شماره فیلترها به پهنای بیم آنتن و تمامی پوشش ناموزون بستگی دارد. پهنای باند   از این فیلترها توسط تغییر فرکانس مورد نیاز نسبت به مرور بیم آنتن در یک پهنای بیم، مشخص می شود. پهنای باند برابر است با:
(22-3)      
که در آن:
  = پهنای بیم و D = قطر دهانه
با جایگذاری معادله (18-3) در معادله فوق خواهیم داشت:
(23-3)      
زمان   لازم برای عبور سیگنال از داخل تغذیه مارپیچی برابر است با:  . بنابراین در حوال بروساید   پهنای باند موجود برای پالس فشرده برابر است با 
سیگنال مدوله فرکانسی، پهنای باندی معادل   را اشغال می کند، که این سیگنال می تواند به منظور تولید یک پالس باریک در خارج فیلتر فشرده ساز، متراکم شود. این روش، روشی برای ترکیب فرکانس مرور با پالس فشرده می باشد. تکنیک مرور فرکانس، برای مرور یک بیم یا چندین بیم در مختصات زاویه ای منفرد، بسیار مناسب می باشد. یکی از ایرادهای آرایه مرور فرکانس دو بعدی، نیاز داشتن آن به یک باند عریض و محدود بودن آن در پهنای باند سیگنال می باشد.
6-3- انواع تغذیه برای آرایه ها
اگر تنها یک فرستنده و یک گیرنده در آرایه فازی به کار رود، باید برخی از قسمتهای شبکه برای اتصال تنها پورت گیرنده و یا پورت فرستنده به هر کدام از عناصر آنتن مورد استفاده قرار گیرند. مقسم قدرتی که برای اتصال عناصر آرایه به پورت مربوطه استفاده می شود تغذیه آرایه نامیده می شود.
یک آرایه صفحه ای، مسئله دارای پیچیدگی بیشتری می باشد. شکل ترکیب شدن خروجی های N پورت، یا برعکس با کمترین افت صورت می پذیرد. افت تغذیه آرایه که معادل با افت بهره قدرت آنتن می باشد، همیشه مورد بحث قرار نمی گیرد.
حداقل سه مفهوم پایه برای تغذیه یک آرایه وجود دارد. تغذیه اجباری (constrained feed)، موجبرها یا سایر خطوط انتقال ماکروویو را به موازات کوپلرها، اتصال دهنده ها، یا سایر وسایل توزیع قدرت به کار می گیرد. مکان تغذیه، انرژی را بین یک ارایه لنزی یا یک آرایه انعکاسی توزیع می کند. البته در روشی مشابه با یک آنتن انعکاسی یا لنزی با (تغذیه نقطه ای) تغذیه صفحه ای موازی، ساختارهای اصلی مایکروویو را به منظور ایجاد تقسیم قدرتی عالی بکار می گیرد.
تغذیه اجباری شکل 10-3 یک ارایه مرورگر دو بعدی را که گاهی اوقات تغذیه سری – موازی نامیده میشود، نشان می دهد. هر المانی شیفت دهنده فاز مربوط به خودش را داراست. هر فرمان جداگانه ای باید توسط کامپیوتر هدایت بیم آنالیز شود و به شیفت دهنده فاز مربوط ارسال شود.
توزیع قدرت بین ستونها توسط تغذیه موازی صورت کی گیرد اگر توزیع قدرت شده باشد، قدرت در هر ستونی یک تغذیه سری با المانهای عمودی نشان داده می شود. اگر این تغذیه، یک تغذیه موازی بود، شاید نام آن تغذیه موازی – موازی گذاشته می شد. (در اینجا تغذیه های سری نشان داده شده اند به خاطر اینکه شکل آنها زیاد پیچیده نیست. آرایشهای موازی – سری یا سری – سری نیز امکان پذیر می باشد) تمامی المانهایی که در یک ستون قرار دارند، شیفت فاز یکسانی را برای هدایت بیم در زاویه سمت به کار می گیرند. همچنین: تمامی المانهایی که در یک ردیف قرار دارند، شیفت فاز یکسانی را برای هدایت بیم در زاویه ارتفاع به کار می گیرند. در نتیجه شیفت فاز المانی با مختصات mn، مجموع فازهای مورد نیاز در mاُمین ستون برای هدایت بیم در زاویه سمت و nاُمین ردیف برای هدایت بیم در زاویه ارتفاع می باشد. این مجموع می تواند در کامپیوتر محاسبه شود و به هر المانی با مختصات mn در آرایه ارسال شود. متناوباً اگر یک جمع کننده در هر شیفت دهنده فازی به منظور ترکیب فازهای زوایای سمت و ارتفاع، وجود داشته باشد. M+N سیگنال می تواند ارسال شود.ند.