RESOLUTE™光柵將（jiāng）射頻天線的定位精度和分辨率提高百倍
2022-3-23 來源：雷（léi）尼紹 作者（zhě）：-
Pacific Antenna Systems (PAS) 公司設計、加工和製造使用（yòng）1–110 Ghz射頻 (RF) 的先進天線係統。
這些天線係統的應用範（fàn）圍包括高分辨率雷達、用於視距和衛星 (SATCOM) 通信的高速率數據通信，以及（jí）用於對抗無人機 (UAS) 的高功率微波係統。
天線的基本工作原理是將射頻波束（shù）精確地（dì）定（dìng）位到靶點上。
PAS根據具體應用場合在天線中采用多種不同的機電設計。每（měi）個運動軸（萬向節）上都安裝旋轉位置編碼器（qì），以（yǐ）滿足準確度和（hé）精（jīng）度要（yào）求。
機載係統（tǒng）的工（gōng）作環境非（fēi）常惡劣，例如溫度低於零度、射頻噪聲大、機械振動強，從而加大了光柵選型難度。
以前，PAS天線係統備受光柵（shān）性能問題的幹擾，例（lì）如精度低（dī）、抗射頻（pín）幹擾性差、抗振（zhèn）動能力弱。
雷尼紹光柵產品成功幫（bāng）助PAS將其伺服（fú）控（kòng）製（zhì）循環的定位精度和分辨率提高了兩個數量級以上。
挑戰
在機載應用中，雷達和射頻通信係統需要做到重量輕、體積小、動力強。此外，還必須采用模塊化結構，並且易於（yú）裝配。
PAS副總裁Anthony J. Macri先生介紹了以上要求給設計帶（dài）來的挑戰：
“我們看重的是：體積、重量和動力 (Size, Weight and Power - SWAP)。對於機載雷（léi）達和通信領域的每（měi）個產品來說，SWAP都是極其重（chóng）要的參數。
我們麵對的挑戰是將波束定（dìng）位到靶點上。我們在射頻係（xì）統中使用（yòng）非常窄的波束，尤其是毫米 (mm) 波段。在95 Ghz的頻（pín）帶寬度中，波束寬度可能低至（zhì）幾百分（fèn）之一度。將天線安裝到平台上之（zhī）後（hòu），導航數據會有一（yī）個誤差預算。如果萬向節上安裝的（de）光柵的精度和分辨率很（hěn）差，那麽天線係統的RSS指向誤差（chà）將會增（zēng）大（dà），導致無法定位到（dào）靶點。”
PAS機載（zǎi）通信係（xì）統對於飛行器（例如NASA的WB57實驗研究飛機）的高（gāo）數據速率通信至（zhì）關重要。每個萬向節上的光柵（shān）都（dōu）必須在（zài）海拔40,000英尺以上、溫（wēn）度‑40 F以下的高空中工作。高（gāo）旋轉速度和加速度是實現（xiàn）快速波（bō）束指（zhǐ）向和掃描（miáo）操（cāo）作的基（jī）礎。
在通信和雷達應用中，光柵（shān）是關鍵零（líng）部件，必須保證高可靠性，因為任何故障都（dōu）可能危及生命。
解決方案
PAS針對單站雷達和通信係統采用不同的（de）萬向節設計，但是這些設計中均（jun1）采用RESOLUTE絕對式光柵，該光柵兼容BiSS-C串行協議且具有26位或32位分辨率選項。
Macri先生說：“我們獨（dú）創性地在雷達、視距和衛星通信（xìn）天線（xiàn）以（yǐ）及高功率微（wēi）波係統中使用RESOLUTE光柵。我們選擇這款光柵是因為它的高精度和高分辨率適用於我（wǒ）們的控製循環。我們將（jiāng）這款（kuǎn）光（guāng）柵應（yīng）用在UH60黑（hēi）鷹直升機上，作為防碰撞（zhuàng）雷達的一部分。UH60上的振（zhèn）動環境極其惡劣，我們發現RESOLUTE光柵的（de）防振動能力極強。如果光柵發生振動而無法計數，這會對控製循環造成（chéng）不利（lì）影響。而RESOLUTE光（guāng）柵能夠滿足我們的精度和（hé）堅固性要求。”
PAS單站雷達（dá）係統由許多零部件組成，包括底部的射頻陣列饋源，以及一係列安裝（zhuāng）在兩軸萬向節上並由直驅電機驅動的透鏡（jìng）。每台電機都與（yǔ）一個配用75 mm D截麵RESA圓光柵的RESOLUTE寬溫度範圍 (ETR) 光柵係統（tǒng）機械耦合，對透鏡旋轉進行反（fǎn）饋控製。
Macri先生補充道：“這款光柵偏移安裝並且直接耦合到驅動係統上，因為電機的（de）體（tǐ）積非常小。電機（jī）由轉子組件和定子組件組成，我們將圓光柵耦合到轉子組件上。當電機旋轉時，同（tóng）時也相對於位於（yú）整（zhěng）個機構外部的光（guāng）柵讀數頭精確地旋轉圓光柵。這種雷達應用的優點在於，射頻能（néng）量通過每個電機的（de）內孔在自由空間（jiān）傳播。”
射頻通信（xìn）係統采用（yòng）相似的設計，但是具有較為傳統的滑環、旋（xuán）轉接頭和同軸介質。在這種情況下，雷尼紹RESA圓光（guāng）柵的開放式內孔可提供每個（gè）旋轉軸的頂端（duān）所（suǒ）需的空間和（hé）功能。
結果
雷尼紹的RESOLUTE ETR光（guāng）柵兼容BiSS-C協議，可支持PAS針對各種應用設計和打造先（xiān）進的天線係統。
Macri先生強調了在天線係統中選用RESOLUTE光柵的優勢：
“我們欣賞RESOLUTE的多種特性（xìng），包括易於使用、高精度和高分辨率，以及在惡劣環境中的可靠性和適用性。
在裝配過程中，我（wǒ）們的技術人員可（kě）以使用塞尺將光柵讀（dú）數頭手動對齊，這個過程很快。而且（qiě），RESOLUTE光柵的高級診斷和安（ān）裝工具也（yě）有助（zhù）於快速解決任何安裝問（wèn）題（tí）。PAS針對光柵信號輸出使用BiSS-C串行協（xié）議，因為該協議（yì）具有（yǒu）開放式結構、易於使用、運行速度快。最重（chóng）要的是，該協議的安全性循環（huán）冗餘校驗 (CRC) 位（wèi）數長。一旦出現問題，用（yòng）戶（hù）能夠即刻知曉（xiǎo）。在產品生命周期方麵，製造速度和
效率以及交付可靠性十分關鍵。RESOLUTE光（guāng）柵（shān）可以幫助我們做到這一（yī）點。”
在PAS雷達（dá）係統中，透鏡以超過（guò）7,000度/秒的速（sù）度旋轉，並且具（jù）有超過40,000度/秒2的加（jiā）速度。由於獨特的單碼道設計，RESOLUTE光柵能夠在高運行速度下實現超（chāo）高的分辨率。這（zhè）一性能將PAS雷達係統（tǒng）的靶點位置測量精（jīng）度提升（shēng）到市場（chǎng）領先水平。
Macri先生總結說：“我們使用（yòng）32位的光柵（shān），但是隻截取大（dà）約18位。於我們而言，最大的優點是精度（dù）值和分辨率的LSB（最低有效位）極其（qí）接近。當光柵被設定為18位BiSS時，精度和分辨率完美齧（niè）合。我們需要重複精度達到千分之一度以內。由於應用場合的重（chóng）要性，這些組（zǔ）件上的所有零部件都必須經（jīng）過（guò）測（cè）試。RESOLUTE遠遠超出了我們的預期。”
PAS公司簡介（jiè）
Pacific Antenna Systems (PAS) 公司（sī）的總（zǒng）部位於加利福尼亞，主營利用先（xiān）進的電磁建模與仿真工具為通信（xìn）、衛星（xīng）通信、雷達和高能（néng）微波應用設計美觀且價格合理的天線係統。PAS還擅長為客戶解決複雜的天線（xiàn）係統問題，提供快速（sù）設計和原型製（zhì）造服務。PAS的（de）服務範圍包括谘詢、設計（jì）、製造和安全分析。
詳情請訪問www.renishaw.com.cn/encoders
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