Fotonik Gerçek Zamanlı Gecikmeli (TTD) Işın Yönlendirme Nedir?
TTD ışın yönlendirme, aktif bir ESA'nın anlık bant genişliğini büyük ölçüde genişletmek için kullanılan bir tekniktir. Anten ışınını faz değiştiricilerle yönlendiren geleneksel ESA'larda, anlık bant genişlikleri doğal olarak sınırlıdır. Taşıyıcı frekansın doğrusal bir işlevi olan faz kaymaları için, geniş bir frekans bandı üzerinde eşzamanlı olarak sağlanamaz. Yalnızca her ışın konumu için değil, aynı zamanda her taşıyıcı frekansı için farklı faz kaymaları sağlanmalıdır.
Bu sınırlama, her bir T / R modülü için beslemede kontrol edilebilir bir "gerçek" zaman gecikmesi olan TTD'nin eklenmesiyle faz kaymalarını elde ederek önlenebilir. Göreceğimiz gibi, gecikmelerin fiber optik ve opto-elektronik elemanlarla (fotonik) uygulanmasıyla, bunlar, istenildiği gibi, beslemelerden geçen RF sinyallerinin frekansları ile doğrusal olarak değişecektir. Sonuç olarak, oldukça geniş anlık bant genişlikleri elde edilebilir.
Fotonik Uygulama
En basit şekliyle, bir T / R modülü için bir fotonik besleme, bir uca bağlı bir lazer diyotu ve diğerinde bir foto detektörü olan tek bir optik fiberden (sağ üstteki panele bakın) oluşur.
Fiberin içinden geçerken, sinyal, fiberin uzunluğuna eşit bir timeT süresi kadar geciktirilir, bu da sinyalin fiber boyunca yayılma hızına (v) bölünür.
Foto detektör, zaman gecikmeli sinyali radyo frekanslarına geri dönüştürür. Fiberin uçları, giriş ve çıkışa anahtarlar eklenerek yan yana yerleştirilebildiğinden, aynı fiber hem iletim hem de alım için kullanılabilir.
Fiberden beslenecek radyo frekansı sinyali, lazer diyotuna uygulanan ön gerilim voltajını değiştirir, böylece sinyalin radyo frekansında diyot tarafından yayılan ışığın genliğini orantılı olarak modüle eder.
Radyo dalgalarına kıyasla son derece yüksek ışık frekansı nedeniyle, besleme, olağanüstü geniş anlık bant genişliklerine (18 GHz veya daha fazlasına kadar) sahip sinyalleri barındırabilir.
Karşılanabilirlik Sorunu
TTD konsepti basit olsa da, şu anda uygun fiyatlı değildir. Bunun üç temel nedeni vardır. Birincisi, fiber optik besleme ile çok az güç aktarılabildiğinden, anten kendi başına pahalı olan aktif bir ESA olmalıdır. İkincisi, lifler haricinde, gerekli fotonik bileşenler şu anda oldukça pahalıdır. Üçüncüsü, çok sayıda bileşen gereklidir.
Bir "kaba kuvvet" yaklaşımında, ESA’nın T / R modüllerinin her biri, her potansiyel bakış açısı için gereken gecikmeleri sağlamak üzere doğru uzunluklarda kesilmiş ayrı fiber optik beslemelerle sağlanacaktır, θ. İstenilen bakış açısı değiştikçe, radar bu beslemelerin birinden diğerine geçecektir.
Söylemeye gerek yok, bu yaklaşım özellikle pratik değil. Çok küçük iki boyutlu bir ESA bile 400 kadar radyatöre sahip olabilir. 3 ° ışın genişliği, yarım ışın genişliğinde istenen açısal çözünürlük ve hem azimut hem de yükseklik açısından ± 60 ° görüş alanı varsayıldığında, toplam 32.000 optik fiber, artı lazer diyotları ve foto dedektörleri gerekli olacaktır. anahtarlar ve birleştiricilerden bahsedin. Bazı ESA'ların iki bin veya daha fazla radyatör içerebileceği düşünüldüğünde, TTD'nin karmaşıklığı ve maliyeti, az önce açıklandığı gibi uygulanırsa şaşırtıcı olabilir.
Neyse ki, gerekli bileşen sayısı önemli ölçüde azaltılabilir. Bunun bir yolu, her bir T / R modülü için hassas bir şekilde kesilmiş fiber segmentlerini beslemeye veya beslemeden çıkarmaktır. Bir diğeri, dalga boyu bölmeli çoğullama yoluyla aynı gecikme hattına sahip birkaç modülün her biri için gerekli gecikmenin bir kısmını sağlamaktır. Yine sadece belirli uygulamalar için uygun olan başka bir yaklaşım, elektronik devre ile daha küçük gecikme artışları sağlamaktır. Bu yaklaşımların her biri aşağıdaki paragraflarda kısaca açıklanmıştır.
Değiştirilebilir Fiber Optik Gecikme Hatları
Bu türden popüler bir gecikme çizgisi, iki (2, 4, 8, ...) kat temel bir artış olan AT'ye eşit gecikme artışları sağlayan bir dizi ardışık fiber segmentinden oluşur. Dijital olarak kontrol edilen tek kutuplu, çift yönlü anahtarlar ile uygun fiber segmentlerinin hattın içine veya dışına anahtarlanmasıyla istenen toplam gecikme elde edilir.
Hat, T / R modülünü veya beslemenin istenen hüzme yönlendirme çözünürlüğünü elde etmek için gereken farklı gecikmeler (R) sayısı ile hizmet ettiği modülleri sağlamak için gerektiği kadar yapılabilir. Gerekli fiber segment sayısı (N), dolayısıyla devre karmaşıklığı, yalnızca R'nin 2 tabanına logaritma olarak artar.
Dalgaboyu Bölmeli Çoğullama
Optik frekanslarda mevcut olan son derece geniş bant genişliği nedeniyle, lazer diyotların çıkışlarını ve girişleri foto detektörlere optik olarak filtreleyerek çok sayıda farklı optik taşıyıcı frekansı aynı gecikme hattından eşzamanlı olarak geçirmek mümkündür.
Çoğullamaya bir yaklaşım, tek boyutlu bir ESA ile aktarım için basit bir şekilde gösterilmiştir. Bu yaklaşım, herhangi bir bakış açısı için, θ, ardışık beslemelerin sağlaması gereken gecikmelerdeki farkın aynı olması gerçeğinden yararlanır. T / R modülleri dizisinin bir ucunu diğerine. Diğer bir deyişle, besleme (n + 1) için gerekli gecikme, AT ile besleme
için olandan farklıdır; besleme (n + 2) için gerekli gecikme, besleme için olandan 2 ∆T kadar farklıdır; besleme (n + 3) için 3 3T kadar gerekli gecikme; ve benzeri.
Dalgaboyu çoğullamaya bir yaklaşım. Üç farklı gecikmenin her biri, üç sapma gecikmesinin her biri gibi ayrı bir BIFODEL tarafından üretilir. Her öngerilim gecikme hattına sabit bir uzunluk eklenerek, donanımın büyük kısmı uzaktan monte edilebilir.
Bu örnekte, farklı gecikmeleri sağlamak için beslemeler, her biri dört beslemeden oluşan dört alt dizi halinde gruplandırılmıştır. Giriş sinyali, dört optik dalga boyuna sahip taşıyıcılar üzerinde modüle edilir: λ1, λ2, λ3 ve λ4 ve sırasıyla 0, 1ELT, 2∆T ve 3∆T geciktiren dört BIFODEL'e paralel olarak uygulanır.
Bu BIFODELS'in çıktıları, tek bir dalga boyunda çoğullamalı sinyalde birleştirilir. Beslemelerin her bir alt dizisi için gereken gecikmenin dengesini sağlayan dört sözde "önyargı" BIFODEL'e paralel olarak uygulanır.
Her BIFODEL önyargısı tarafından çıkarılan sinyaller, dalga boyu çoklaması çözülür, saptanır ve T / R modüllerinin karşılık gelen alt dizisine verilir: taşıyıcı X1 üzerindeki sinyal, alt dizideki ilk modüle; taşıyıcı X2 üzerindeki sinyal alt dizideki ikinci modüle; ve benzeri.
Beslemeler tamamen optik bileşenlerle uygulanırsa, aynı donanım hem iletim hem de alım için kullanılabilir. Ancak, almak için her T / R modülünde bir lazer sağlanmalıdır - elbette maliyetine ve karmaşıklığına katkıda bulunur ve performansı etkiler.
Öyle olsa bile, donanım karmaşıklığındaki ve maliyetteki net azalma önemli düzeydedir. Çok daha fazla frekansın çoklanmasıyla dramatik olabilir. Dalgaboyu çoğullamanın bir başka avantajı, öngerilim geciktirme hatlarının her birinin uzunluğuna sabit bir artış (uzatma) ekleyerek, optik bileşenlerin çoğunun antenden uzağa monte edilebilmesi ve böylece kurulumu basitleştirmesidir.
Ayrıca, uzaktan kumanda ile, daha düşük güçte doğrudan modüle edilmiş lazer diyotlarının her biri için, bir CW lazer kaynağından gelen ışıkla beslenen harici bir modülatörün ikame edilmesi yoluyla daha yüksek optik güç uygun şekilde sağlanabilir. Harici bir modülatörle, çok daha yüksek rf modülasyon frekansları kullanılabilir — 100 GHz'e kadar veya benzeri. Ve daha yüksek optik güç ile rf giriş-çıkış kaybı azaltılabilir ve daha geniş dinamik aralık ve daha düşük gürültü rakamları elde edilebilir.
Hibrit Uygulama
Uygulamaya bağlı olarak, ikili elektronik gecikme hatları ile daha kısa gecikmeler sağlanarak maliyetteki azalma daha da artırılabilir. Örneğin L ve S bantlarında, şerit hatlı veya mikro şeritli devre kartları ve galyum arsenit anahtarları ile uygulanan gecikme hatları, fiber optik gecikme hatları kadar kısa gecikmeler için uygundur. Tersine çevrilebilirler, çok küçükler ve kabaca iki kat daha ucuzdurlar. Elektronik gecikme hatlarının çıkışları optik frekanslara dönüştürülür ve az önce anlatıldığı gibi, elektronik devrelerin uygun olmadığı daha uzun gecikmeleri sağlayan fiber optik sistemlere uygulanır.
Potansiyel uygulamalar
Az önce anlatılanlar ve diğerler gibi gelişmiş teknikler sayesinde, TTD'nin karmaşıklığı ve maliyeti kademeli olarak azaltılır. Uygun anahtarların ve diğer önemli optik bileşenlerin yüksek maliyetleri düştükçe, aktif ESA'nın neredeyse tüm gelişmiş özelliklerinin fotonik uygulaması - farklı frekanslarda bağımsız olarak yönlendirilen ışınlar dahil olmak üzere pratik hale gelebilir.
Bu yetenekler, artı fotonik uygulama ile elde edilebilen geniş anlık bant genişliği, son derece geniş bir durum farkındalığını mümkün kılmanın yanı sıra, iletişim ve elektronik savaş için radar anteninin eşzamanlı olarak ortak kullanımına kapıyı açmayı vaat ediyor.
Bu durumda sınırlayıcı faktör, T / R modüllerinin maliyeti ve TTD aracılığıyla sağlanan geniş rf bant genişliklerini destekleme kabiliyetleri olacaktır.
Gözden kaçırılmaması gereken başka bir potansiyel uygulama, yaklaşık 30 ° 'den daha büyük bakış açılarında dar darbeler iletmek için gerekli olabilecek uzun dizilerdir (10 ft veya daha fazla). TTD daha sonra, tüm nabız enerjisinin nabzın ön fazına aynı anda ulaşmasını sağlayarak, ışının faz kaydırıcılarla yönlendirilmesi durumunda ortaya çıkan ışın şaşı veya ışın yayılması sorunlarını önler.
TTD ışın yönlendirme, aktif bir ESA'nın anlık bant genişliğini büyük ölçüde genişletmek için kullanılan bir tekniktir. Anten ışınını faz değiştiricilerle yönlendiren geleneksel ESA'larda, anlık bant genişlikleri doğal olarak sınırlıdır. Taşıyıcı frekansın doğrusal bir işlevi olan faz kaymaları için, geniş bir frekans bandı üzerinde eşzamanlı olarak sağlanamaz. Yalnızca her ışın konumu için değil, aynı zamanda her taşıyıcı frekansı için farklı faz kaymaları sağlanmalıdır.
Bu sınırlama, her bir T / R modülü için beslemede kontrol edilebilir bir "gerçek" zaman gecikmesi olan TTD'nin eklenmesiyle faz kaymalarını elde ederek önlenebilir. Göreceğimiz gibi, gecikmelerin fiber optik ve opto-elektronik elemanlarla (fotonik) uygulanmasıyla, bunlar, istenildiği gibi, beslemelerden geçen RF sinyallerinin frekansları ile doğrusal olarak değişecektir. Sonuç olarak, oldukça geniş anlık bant genişlikleri elde edilebilir.
Fotonik Uygulama
En basit şekliyle, bir T / R modülü için bir fotonik besleme, bir uca bağlı bir lazer diyotu ve diğerinde bir foto detektörü olan tek bir optik fiberden (sağ üstteki panele bakın) oluşur.
Fiberin içinden geçerken, sinyal, fiberin uzunluğuna eşit bir timeT süresi kadar geciktirilir, bu da sinyalin fiber boyunca yayılma hızına (v) bölünür.
Foto detektör, zaman gecikmeli sinyali radyo frekanslarına geri dönüştürür. Fiberin uçları, giriş ve çıkışa anahtarlar eklenerek yan yana yerleştirilebildiğinden, aynı fiber hem iletim hem de alım için kullanılabilir.
Fiberden beslenecek radyo frekansı sinyali, lazer diyotuna uygulanan ön gerilim voltajını değiştirir, böylece sinyalin radyo frekansında diyot tarafından yayılan ışığın genliğini orantılı olarak modüle eder.
Radyo dalgalarına kıyasla son derece yüksek ışık frekansı nedeniyle, besleme, olağanüstü geniş anlık bant genişliklerine (18 GHz veya daha fazlasına kadar) sahip sinyalleri barındırabilir.
Karşılanabilirlik Sorunu
TTD konsepti basit olsa da, şu anda uygun fiyatlı değildir. Bunun üç temel nedeni vardır. Birincisi, fiber optik besleme ile çok az güç aktarılabildiğinden, anten kendi başına pahalı olan aktif bir ESA olmalıdır. İkincisi, lifler haricinde, gerekli fotonik bileşenler şu anda oldukça pahalıdır. Üçüncüsü, çok sayıda bileşen gereklidir.
Bir "kaba kuvvet" yaklaşımında, ESA’nın T / R modüllerinin her biri, her potansiyel bakış açısı için gereken gecikmeleri sağlamak üzere doğru uzunluklarda kesilmiş ayrı fiber optik beslemelerle sağlanacaktır, θ. İstenilen bakış açısı değiştikçe, radar bu beslemelerin birinden diğerine geçecektir.
Söylemeye gerek yok, bu yaklaşım özellikle pratik değil. Çok küçük iki boyutlu bir ESA bile 400 kadar radyatöre sahip olabilir. 3 ° ışın genişliği, yarım ışın genişliğinde istenen açısal çözünürlük ve hem azimut hem de yükseklik açısından ± 60 ° görüş alanı varsayıldığında, toplam 32.000 optik fiber, artı lazer diyotları ve foto dedektörleri gerekli olacaktır. anahtarlar ve birleştiricilerden bahsedin. Bazı ESA'ların iki bin veya daha fazla radyatör içerebileceği düşünüldüğünde, TTD'nin karmaşıklığı ve maliyeti, az önce açıklandığı gibi uygulanırsa şaşırtıcı olabilir.
Neyse ki, gerekli bileşen sayısı önemli ölçüde azaltılabilir. Bunun bir yolu, her bir T / R modülü için hassas bir şekilde kesilmiş fiber segmentlerini beslemeye veya beslemeden çıkarmaktır. Bir diğeri, dalga boyu bölmeli çoğullama yoluyla aynı gecikme hattına sahip birkaç modülün her biri için gerekli gecikmenin bir kısmını sağlamaktır. Yine sadece belirli uygulamalar için uygun olan başka bir yaklaşım, elektronik devre ile daha küçük gecikme artışları sağlamaktır. Bu yaklaşımların her biri aşağıdaki paragraflarda kısaca açıklanmıştır.
Değiştirilebilir Fiber Optik Gecikme Hatları
Bu türden popüler bir gecikme çizgisi, iki (2, 4, 8, ...) kat temel bir artış olan AT'ye eşit gecikme artışları sağlayan bir dizi ardışık fiber segmentinden oluşur. Dijital olarak kontrol edilen tek kutuplu, çift yönlü anahtarlar ile uygun fiber segmentlerinin hattın içine veya dışına anahtarlanmasıyla istenen toplam gecikme elde edilir.
Hat, T / R modülünü veya beslemenin istenen hüzme yönlendirme çözünürlüğünü elde etmek için gereken farklı gecikmeler (R) sayısı ile hizmet ettiği modülleri sağlamak için gerektiği kadar yapılabilir. Gerekli fiber segment sayısı (N), dolayısıyla devre karmaşıklığı, yalnızca R'nin 2 tabanına logaritma olarak artar.
Dalgaboyu Bölmeli Çoğullama
Optik frekanslarda mevcut olan son derece geniş bant genişliği nedeniyle, lazer diyotların çıkışlarını ve girişleri foto detektörlere optik olarak filtreleyerek çok sayıda farklı optik taşıyıcı frekansı aynı gecikme hattından eşzamanlı olarak geçirmek mümkündür.
Çoğullamaya bir yaklaşım, tek boyutlu bir ESA ile aktarım için basit bir şekilde gösterilmiştir. Bu yaklaşım, herhangi bir bakış açısı için, θ, ardışık beslemelerin sağlaması gereken gecikmelerdeki farkın aynı olması gerçeğinden yararlanır. T / R modülleri dizisinin bir ucunu diğerine. Diğer bir deyişle, besleme (n + 1) için gerekli gecikme, AT ile besleme
için olandan farklıdır; besleme (n + 2) için gerekli gecikme, besleme için olandan 2 ∆T kadar farklıdır; besleme (n + 3) için 3 3T kadar gerekli gecikme; ve benzeri.Dalgaboyu çoğullamaya bir yaklaşım. Üç farklı gecikmenin her biri, üç sapma gecikmesinin her biri gibi ayrı bir BIFODEL tarafından üretilir. Her öngerilim gecikme hattına sabit bir uzunluk eklenerek, donanımın büyük kısmı uzaktan monte edilebilir.
Bu örnekte, farklı gecikmeleri sağlamak için beslemeler, her biri dört beslemeden oluşan dört alt dizi halinde gruplandırılmıştır. Giriş sinyali, dört optik dalga boyuna sahip taşıyıcılar üzerinde modüle edilir: λ1, λ2, λ3 ve λ4 ve sırasıyla 0, 1ELT, 2∆T ve 3∆T geciktiren dört BIFODEL'e paralel olarak uygulanır.
Bu BIFODELS'in çıktıları, tek bir dalga boyunda çoğullamalı sinyalde birleştirilir. Beslemelerin her bir alt dizisi için gereken gecikmenin dengesini sağlayan dört sözde "önyargı" BIFODEL'e paralel olarak uygulanır.
Her BIFODEL önyargısı tarafından çıkarılan sinyaller, dalga boyu çoklaması çözülür, saptanır ve T / R modüllerinin karşılık gelen alt dizisine verilir: taşıyıcı X1 üzerindeki sinyal, alt dizideki ilk modüle; taşıyıcı X2 üzerindeki sinyal alt dizideki ikinci modüle; ve benzeri.
Beslemeler tamamen optik bileşenlerle uygulanırsa, aynı donanım hem iletim hem de alım için kullanılabilir. Ancak, almak için her T / R modülünde bir lazer sağlanmalıdır - elbette maliyetine ve karmaşıklığına katkıda bulunur ve performansı etkiler.
Öyle olsa bile, donanım karmaşıklığındaki ve maliyetteki net azalma önemli düzeydedir. Çok daha fazla frekansın çoklanmasıyla dramatik olabilir. Dalgaboyu çoğullamanın bir başka avantajı, öngerilim geciktirme hatlarının her birinin uzunluğuna sabit bir artış (uzatma) ekleyerek, optik bileşenlerin çoğunun antenden uzağa monte edilebilmesi ve böylece kurulumu basitleştirmesidir.
Ayrıca, uzaktan kumanda ile, daha düşük güçte doğrudan modüle edilmiş lazer diyotlarının her biri için, bir CW lazer kaynağından gelen ışıkla beslenen harici bir modülatörün ikame edilmesi yoluyla daha yüksek optik güç uygun şekilde sağlanabilir. Harici bir modülatörle, çok daha yüksek rf modülasyon frekansları kullanılabilir — 100 GHz'e kadar veya benzeri. Ve daha yüksek optik güç ile rf giriş-çıkış kaybı azaltılabilir ve daha geniş dinamik aralık ve daha düşük gürültü rakamları elde edilebilir.
Hibrit Uygulama
Uygulamaya bağlı olarak, ikili elektronik gecikme hatları ile daha kısa gecikmeler sağlanarak maliyetteki azalma daha da artırılabilir. Örneğin L ve S bantlarında, şerit hatlı veya mikro şeritli devre kartları ve galyum arsenit anahtarları ile uygulanan gecikme hatları, fiber optik gecikme hatları kadar kısa gecikmeler için uygundur. Tersine çevrilebilirler, çok küçükler ve kabaca iki kat daha ucuzdurlar. Elektronik gecikme hatlarının çıkışları optik frekanslara dönüştürülür ve az önce anlatıldığı gibi, elektronik devrelerin uygun olmadığı daha uzun gecikmeleri sağlayan fiber optik sistemlere uygulanır.
Potansiyel uygulamalar
Az önce anlatılanlar ve diğerler gibi gelişmiş teknikler sayesinde, TTD'nin karmaşıklığı ve maliyeti kademeli olarak azaltılır. Uygun anahtarların ve diğer önemli optik bileşenlerin yüksek maliyetleri düştükçe, aktif ESA'nın neredeyse tüm gelişmiş özelliklerinin fotonik uygulaması - farklı frekanslarda bağımsız olarak yönlendirilen ışınlar dahil olmak üzere pratik hale gelebilir.
Bu yetenekler, artı fotonik uygulama ile elde edilebilen geniş anlık bant genişliği, son derece geniş bir durum farkındalığını mümkün kılmanın yanı sıra, iletişim ve elektronik savaş için radar anteninin eşzamanlı olarak ortak kullanımına kapıyı açmayı vaat ediyor.
Bu durumda sınırlayıcı faktör, T / R modüllerinin maliyeti ve TTD aracılığıyla sağlanan geniş rf bant genişliklerini destekleme kabiliyetleri olacaktır.
Gözden kaçırılmaması gereken başka bir potansiyel uygulama, yaklaşık 30 ° 'den daha büyük bakış açılarında dar darbeler iletmek için gerekli olabilecek uzun dizilerdir (10 ft veya daha fazla). TTD daha sonra, tüm nabız enerjisinin nabzın ön fazına aynı anda ulaşmasını sağlayarak, ışının faz kaydırıcılarla yönlendirilmesi durumunda ortaya çıkan ışın şaşı veya ışın yayılması sorunlarını önler.
