اصول سیستمهای آرایه فازی

مباحث ویژه در الکترونیک 25220

الف- مقدمه:

سیستم های آرایه فازی یکی از پیشرفته ترین سیستمهای الکترونیکی و مخابراتی محسوب می شوند که هفتاد سال پیش برای کاربردهای نظامی (رادار) پدید آمدند.  توانایی جابجایی پرتو آنتن بدون نیاز به چرخش مکانیکی سازه آنتن، امکان انجام چند عملیات مختلف با یک سیستم، یا انجام بسیار سریع یک عمل را فراهم می کند. اخیرا با پیشرفت تکنولوژی نیمه هادی سیستمهای آرایه  فازی مجتمع در فرکانسهای موج میلی متری و تراهرتز طراحی و ساخته شده اند که کاربردهای جدیدی را در سالهای آینده عرضه خواهند کرد. درک نحوه عملکرد سیستم آرایه فازی نیازمند مجموعه ای از دانشهای گوناگون است، از الکترونیک گرفته تا مخابرات سیستم.

هدف از این درس آشنایی با اصول، اجزا، مدارات و تکنولوژی ساخت سیستم آرایه فازی است. تمرکزاین درس بر رعایت نکات عملی در طراحی است و حجم بالایی از مطالب کاربردی و تازه را در بر می گیرد. این درس برای دانشجویان تحصیلات تکمیلی در رشته های الکترونیک، مخابرات میدان و مخابرات سیستم طراحی شده است. مباحث پایه به زبانی ساده تر ارایه خواهد شد تا دانشجویان گرایش های مختلف به درک واحدی از مفاهیم مورد نیاز دست یابند.

در نیمسال دوم 94-95 دو جلسه کارگاه نرم افزار Matlab برای آشنایی با روشهای طراحی سیستمی و پرتوسازی آرایه فازی برگزار خواهد شد و برای هر دانشجو پروژه ای متناسب با زمینه تحقیقاتی و گرایش او تعریف خواهد شد.

 

سیستم آرایه فازی Pave Paws  با ارتفاع 32 متر 

تراشه آرایه فازی موج میلی متری با 8 عنصر و ابعاد 2.5 در 3.5 میلی متر

اسلایدهای درس:

جلسه نخست

جلسه دوم

 

ب- پیش نیاز: مدارهای مخابراتی

ج- ارزشیابی: میان ترم، پایان ترم و پروژه

 

د- سرفصل ها

1-      مقدمه

1-1.       تاریخچه و کاربرد سیستمهای آرایه فازی

1-2.      سیستمهای آرایه فازی موج میلی متری

                                                              i.      استاندارد IEEE 802.11ad برای WiFi و سیستم های 60 گیگاهرتز

                                                            ii.      رادارهای خودرو و سیستمهای 77 گیگاهرتز

                                                          iii.      تصویربرداری و سیستمهای 94 گیگاهرتز و بالاتر

 

2-       تئوری و شبیه سازی آنتن آرایه فازی

2-1 آرایه آنتن ها و اصل ضرب الگوها

2-2 محاسبات پرتو آنتن آرایه ای

2-3 شبیه سازی آرایه در MATLAB

 

3-      طراحی سیستمی آنتن آرایه فازی

3-1      رابطه فریس و معادله لینک،

3-2 معادله توان،

3-3       معادله نویز،

3-4     حساسیت گیرنده

3-5       تعیین تعداد آنتن ها

3-6      بهینه سازی ابعاد آنتن

3-7 حل یک مثال عملی (طراحی آنتن آرایه فازی برای رادار خودرو)

 

4-      معماری سیستمهای آرایه فازی

4-1.      تغییر فاز RF

4-2.      تغییر فاز اسیلاتور

4-3.       تغییر فاز IF        

4-4.      آرایه های فازی دیجیتال

4-5.      عناصر اساسی سیستم آرایه فازی

                                                              i.      آنتن  و انواع آن

                                                            ii.      تغییر دهنده فاز

                                                          iii.      ترکیب کننده توان

                                                           iv.      واحد پرتوسازی

                                                             v.      مدارات دیجیتال

                                                           vi.      مدارات کالبیراسیون

 

5-      مدارات تغییر دهنده فاز

5-1.      تغییر دهنده های فاز فعال و غیر فعال

5-2.      تغییر دهنده های فاز پیوسته و گسسته

5-3.       مدار تغییر دهنده های فاز انعکاسی

5-4.      مدار تغییر دهنده های فاز خط انتقالی

5-5.      مدار تغییر دهنده های فاز جمع برداری

5-6.        مدار تغییر دهنده های فاز خط تاخیر

 

6-      سیستمهای آرایه فازی مجتمع

6-1.      مزایا و چالش ها

6-2.      تکنولوژیهای نیمه هادی

                                                              i.      CMOS

                                                            ii.      SiGe

                                                          iii.      GaAs

6-3.       ساختارهای گیرنده و فرستنده مجتمع

                                                              i.      یک تراشه واحد برای گیرنده و فرستنده

                                                            ii.      دو تراشه مستقل  برای گیرنده و فرستنده

 

7-      الگوریتم های پرتوسازی

7-1.      روش های جدولی

7-2.      روش های وفقی

7-3.       روشهای کور

7-4.      تشخیص زاویه ورود

7-5.      روش های نوری

7-6.        الگوریتم های ردگیری

 

8-      پکجینگ تراشه و آنتن آرایه فازی

8-1.      آنتن های بر تراشه

8-2.      پکج های ارگانیک

8-3.       پکج های سرامیکی

 

9 -  آینده سیستمهای آرایه فازی و جمع بندی درس

 

ه - منابع:

[1] RC Hansen, Phased array antennas, 2009, 2nd Ed, Academic press.

[2] R. J. Mailloux, Phased array antenna handbook, 2nd Ed. Artech House, 2005.

[3] M. Fakharzadeh, Optical and Microwave Beamforming for Phased Array Systems, PhD thesis, University of Waterloo, Nov 2008.

[4]  H. L. Van Trees, Optimum Array Processing, Wiley, 2002.

[5]- Eli Brookner, Practical Phased Array Antenna Systems, Artech House, 1991.