为什么这个毫米波天线上的反射器会旋转?

电器工程 射频 沟通 天线
2022-01-03 22:33:24

WIRED YouTube 视频Inside Facebook's Quest to Beam the Internet via Solar Drone和文章Inside Facebook's First Efforts to Rain Internet from the Sky展示了一个碟形天线(从 02:00 开始),它看起来像一个 Cassegrain 二级反射器。视频和文章的上下文表明它用于测试飞机的 E 波段毫米波数据上行/下行链路(根据文章,约为 60 至 90 GHz,或 5 至 3 毫米波长)。

我注意到副镜在旋转。通过观察摆动并检查各个帧,它似乎每秒至少转动 4 转。它可能会更快,而混叠使它看起来很慢。

我想不出为什么会这样。它围绕光轴旋转,因此不会在主要和次要喇叭位置之间切换。

为什么这个毫米波天线上的反射器会旋转?

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上图:从这个WIRED YouTube 视频中提取和裁剪的帧制作的 GIF

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上图:右击查看大图;用于将毫米波数据链接到飞机的地面站,来自WIRED照片来源达蒙卡萨雷斯。

3个回答

据我所知,这是一个锥形扫描天线。根据我有限的理解,它允许使用更宽的光束进行精确定位。

图片来源维基共享资源

感谢@GrantTrebbin 解开谜团的出色答案,以及@Russell McMahon富有洞察力的解释和上下文,我将在此处添加一些补充信息。

现在我已经了解了它的名称和用途,我已经进一步阅读。就 NASA 的深空网络锥形扫描(他们称之为 CONSCAN)而言,它有着悠久的历史,从 1970 年代计划和发射深空探测器开始。

来自深空网络;302、天线定位

2.6.1 康斯扫描

CONSCAN 适用于所有 70 米和 34 米天线。它包括执行圆形扫描(如观察航天器所见),中心位于预测的源位置,半径将接收到的信号电平降低少量,通常为 0.1 dB...

对于 X 波段的 34 米天线,该值为 6 mdeg,而对于 X 波段的 70 米天线,该值为 3 mdeg。

mdeg 代表毫度。

下面是用于与深空航天器对话的 70 米深空网络望远镜之一的照片。这是在戈德斯通综合体中。从图中的相对尺寸来看,次镜直径接近8米。考虑到二级的大小和质量(那些是人类每条腿上的楼梯,盘子中的红线是“步行的安全路径”),其他更先进的电子扫描技术已经开发出来,但概念是相同的。

ASA 深空网络 70 m 碟形天线细节

上图:图片来源 JPmajor,知识共享 CC BY-NC-SA 2.0。

NASA 深空网络 70 m 碟形天线细节

上图:来自commons.wikimedia.org

其他答案有助于说明系统的用途和一般意义上的目标,但都没有解释它是如何工作的。虽然这对某些人来说可能很直观,但对所有人来说可能并不明显。

Keity McClary 引用的Wikipedia Conical Scanning页面中给出了解释- 我将在此进行总结。

在格兰特·特雷宾 (Grant Trebbin) 发布的这张 GIF 图像中,目标是离轴的,旋转的“镜子”用于在其旋转的某个点最大程度地扫过接收信号上的主天线焦点。旋转镜在信号最大值处的旋转角度直接指示了目标的离轴方向。然后通过伺服机构移动主盘以使接收到的信号居中,从而使信号处于连续最大值。

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扫描图像的宽度通常约为 2 弧度,并且由上述过程启用的纠错机制允许通常对齐到 0.1 弧度。

在此处输入图像描述 有趣的是,Facebook 正在使用这种技术,因为它是一种非常古老的技术,在大多数情况下已被电子束转向和波瓣形成系统所取代。

德国WW2 Wurzburg 雷达 使用锥形扫描来极大地提高精度。该系统的工作始于 1935 年,当局对此兴趣不大。1936 年 5 公里处的 50 米的初始射程精度不足以达到目的(火炮铺设),但到 1938 年已提高到 29 公里处的 25 米。轴向对准最初是通过信号强度最大化和手动盘定位(!)使用探照灯和红外光束辅助(!!),然后是一个 2 瓣系统,操作员使用“示波器”显示器(大脑扫描)来确定所需的对准变化然后是 1941 年的真正锥形扫描。

Wirzburg "Quirl" (whisk) 25 Hz 旋转镜子。

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他们说:

  • Würzburg D 于 1941 年推出,并增加了一个锥形扫描系统,使用称为 Quirl(德语为搅拌器)的偏移接收器馈送,以 25Hz 旋转。产生的信号略微偏离盘的中心线,围绕轴旋转并在中心重叠。如果目标飞机位于天线轴的一侧,则信号强度会随着光束扫过它而增强和减弱,从而使系统能够将碟形天线朝最大信号方向移动,从而跟踪目标。可以使角分辨率小于天线的波束宽度,从而大大提高精度,方位角大约为 0.2 度,仰角大约为 0.3 度。早期的例子在现场一般都升级为D模型。

一旦德国人完成了所有的开发工作,英国突击队于 1942 年 2 月 27 日至 28 日发起了著名的“布鲁内瓦突袭”行动,并带走了一个完整的维尔茨堡系统,该系统在布鲁内瓦海岸附近运行(愚蠢但必然)。

锥形扫描也用于高度先进的美国SCR-584 自动跟踪雷达
锥形扫描特征是在 1940 年提出的——远在布鲁内瓦袭击之前。

584 使用锥形扫描系统提供全自动目标跟踪和目标搜索和获取。部署原定于 1942 年,但开发问题意味着它直到 1944 年才可用 - 正好及时用于对抗 V1“Doodlebugs”,它与接近融合的雷达炮弹一起对英格兰 V1 攻击的结果产生了重大影响。

  • 1941 年,海军的 10 厘米火控雷达系统也采用了锥形扫描,3并于 1941 年用于德​​国维尔茨堡雷达。SCR-584 进一步发展了该系统,并增加了自动跟踪模式。 [4 ] 一旦目标被检测到并在范围内,系统就会让雷达自动指向目标,由安装在天线底座上的电机驱动。对于检测,与跟踪相反,该系统还包括一种螺旋扫描模式,可以搜索飞机。该模式有自己的专用 PPI 显示,便于解释。在此模式下使用时,天线以 4 rpm 的速度机械旋转,同时上下轻推以进行垂直扫描。

    该系统可以在 2,700 和 2,800 MHz(10–11 cm 波长)之间的四个频率下运行,发出持续时间为 0.8 微秒的 300 kW 脉冲,脉冲重复频率 (PRF) 为每秒 1,707 个脉冲。它可以在大约 40 英里范围内探测到轰炸机大小的目标,并且通常能够在大约 18 英里范围内自动跟踪它们。此范围内的精度为 25 码,天线方位角为 0.06 度(1 mil)(参见表“SCR-584 技术特性”)。因为电子束宽度为 4 度(至 -3db 或半功率点),目标将被涂抹在圆柱体的一部分上,从而使方位角比射程更宽(即,大约 4度,而不是机械指向精度所暗示的 0.06 度),用于远距离目标。距离信息显示在两个“J 型示波器”上,类似于更常见的 A 线显示器,但以与返回延迟时间同步的放射状排列。一个范围用于粗范围,另一个范围用于精细范围。

与锥形扫描无关但与其最佳应用高度相关的是使用英国发明的空腔磁控管,美国在 584 和其他雷达中广泛部署。这允许使用更高的功率水平和更高的频率。