Nanoverbindungen in Phased Array Strahlformung von Laser- und Antennensystemen
Informationserfassungs- und -übertragungssysteme werden derzeit erheblich aufgerüstet, um dem Bedarf an gezielten höheren Übertragungsgeschwindigkeiten und einer massiven Zunahme digitaler Informationen gerecht zu werden.
Satellitenkonstellationen umkreisen die Erde, um die Position von Geräten zu überwachen und die Bewegung und Geschwindigkeit von Fahrzeugen bis hin zu Überschallraketen zu verfolgen. Bildgebende Überwachung, Kommunikation und Datenanalyse werden häufig in entfernten Bodenkontrollstationen sowie für Flugzeuge und Schiffe auf hoher See benötigt. Diese Anforderungen wurden durch den Einsatz älterer Antennensysteme und modernerer Mehrfachantennengruppen, die von einer zentralen Verarbeitungseinheit gesteuert und koordiniert werden, einigermaßen erfüllt. Diese Stationen sind jedoch nicht immer mobil und es ist schwierig, die Genauigkeit bei der Koordinierung der Positionsbestimmung zu gewährleisten.
Das alte Antennen- und Übertragungssystem kann mit einer einfachen Geschichte dargestellt werden. Wenn jemand einen Stein in einen Teich wirft, breiten sich die Wellen in einem großen Kreis um den Aufprall herum aus. Wenn der Stein auf die Wasseroberfläche trifft, breitet sich eine gleichmäßige Welle nach außen aus. Frühe Radargeräte und Antennen nutzen dieses Prinzip, um elektromagnetische Wellen von einer Antenne auszusenden. Wenn die Wellen auf ein Objekt treffen, kehrt eine Welle zur Antenne zurück und zeigt, wo sich das Objekt auf dem Kreis befindet. Dieses Prinzip funktioniert auch heute noch und wird überall dort eingesetzt, wo die Anwendungen passen. Wenn eine Person mehrere Steine in einem Muster ins Wasser werfen könnte, würde sie eine ganz andere Welle sehen, die sich vom Aufprall wegbewegt.
Beamforming ist vergleichbar mit dem Beschuss eines Teiches mit mehreren Steinen mit dem Ziel, die Wellen zu kontrollieren und in eine stärkere Richtung zu bündeln. Phased-Array-Radar und -Antennen nutzen diese Methode, indem sie mehrere Strahlungsbursts von einer Antenne in einer kontrollierten Abfolge von einer Reihe von Sendern mit jeweils leicht unterschiedlicher elektrischer Phasenverschiebung und Zeitverzögerung aussenden. Dadurch entsteht ein konzentrierterer Strahl, sowohl was die Richtung als auch die Kontrolle des vom System ausgesandten Signals betrifft. Diese Methode wird oft als "konstruktive Strahleninterferenz" bezeichnet. Auf diese Weise kann eine Antenne, die so gebaut ist, dass sie mehrere Strahlungsbursts mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen verarbeiten kann, ihren Strahl auf ein Ziel oder eine Richtung ausrichten, ohne dass die Antenne selbst bewegt werden muss. Die Elektronik sorgt für die Ausrichtung und bei Bedarf für die Verfolgung des Ziels.
Ein Schlüsselelement bei der Entwicklung von Phased-Array-Systemen ist die Leiterplatte und das elektronische Muster-Layout, das erforderlich ist, um die Aneinanderreihung und Überlagerung der Emissionsauslöser zu gewährleisten, die beim Abfeuern der Strahlung aus der Antenne verwendet werden. Die heutigen Hochgeschwindigkeits- und HF-Chipmaterialien, die direkt auf Leiterplatten mit niedriger Dielektrizität montiert werden, haben erhebliche Vorteile gegenüber langsameren Strahlformungssystemen. Die Planung einer speziellen Positionierung auf den Platinen ist erforderlich, da Zeitverzögerungen Teil der Konstruktionsformel für die Konzentration der Strahlungswellenform sowie für die Bewegung von einem Winkel zum anderen sind. Miniatur-Bandpassfilter können zur Kontrolle des Übersprechens benachbarter Schaltungen und zur Beseitigung höherer harmonischer Störungen eingesetzt werden. Jedes Zündelement profitiert von miniaturisierten Phasenverschiebungsschaltungen, die digital gesteuert werden, unabhängig davon, ob sie für die Zeitverzögerung oder den Winkel verwendet werden. Die Position und der Abstand zu den einzelnen Zündelementen ist von entscheidender Bedeutung, da die Elektronik in die Schaltkreis-Steuerplatine ein- und ausgeht. Spezialisierte Steckverbinder und Kabel müssen den hohen Anforderungen an die Anzahl der Pins gerecht werden, die in exakt demselben Abstand angeordnet sind und mit einem passenden hochohmigen Kabel verbunden werden. Nano-D-Steckverbinder mit hoher Pinzahl lösen diese Aufgabe sehr erfolgreich. Es ist wichtig, dass die Steckverbinder die militärische Robustheit übertreffen und eine hohe Signalintegrität bei Stößen und Vibrationen sowie bei Umweltveränderungen beibehalten. Omnetics verwendet ein spezielles Stift-Sockel-Kontaktsystem, das die Anforderungen der Mil-Spezifikation übertrifft, einschließlich der Stoß- und Vibrationsfestigkeit, auf die Phased-Array-Schaltungen mit hoher Pin-Anzahl angewiesen sind. Dieses Kontaktsystem erfordert eine der geringsten Einsteckkräfte in der Branche und gewährleistet ein einfaches Stecken und Trennen von Steckverbindern mit hoher Pinanzahl. Die modernen Phased-Array-Systeme von heute können je nach Anwendung mit einer Vielzahl von Stiften bestückt werden. Das beigefügte Foto zeigt ein häufig verwendetes Nano-D-Steckverbindersystem mit 85 Positionen. Die Designs erfordern sehr spezifische Standards für Abstände und Leitfähigkeit. Für die Verdrahtung fortschrittlicher Systeme werden oft Sätze von 3-Draht-Einheiten verwendet, ähnlich wie bei digitaler Standardelektronik: Seite A, Seite B und Rückleitung. Diese können mit Standard- und oder 90- bzw. 100-Ohm-Impedanz-Verdrahtung spezifiziert werden, und jeder Satz ist mit Folie umwickelt, um jeden Signalsatz von seiner benachbarten Leitung zu isolieren. Auf der Platine montierte Steckverbinder haben geriffelte Abstandsnormen, die das Phasenverschiebungskontrollsystem von Zündelement zu Zündelement ergänzen. Metallgehäuse an der Rückseite der Steckverbinder bieten robuste Sicherheit und sind mit der äußeren Kabelabschirmung versiegelt, um das Eindringen von EMI und Cyber zu verhindern.
Moderne Verteidigungssysteme, wie z. B. Waffen-Feuer-Kontrollgeräte, profitieren von präzisen Hochgeschwindigkeits-Zielerfassungs- und -Verfolgungsdaten. Zusätzliche Elektronik kann dann Richtung und Geschwindigkeit vorhersagen, um die Verzögerungszeit zu berechnen, die für Prozesse wie das Abfeuern von Raketen und die Reisezeit benötigt wird, um wenige Augenblicke später einen Treffer zu gewährleisten.
Antennensysteme an Bord von Schiffen wurden durch den Einsatz von Phased-Array-Elektronik vereinfacht, die von einem zentralen Feuerelement aus phasengesteuerte Impulse auf eine Hauptantenne abgibt. Satelliten nutzen phasengesteuerte Array-Elektronik, um laserbasierte Kommunikation aus dem Weltraum direkt in die Kommandozentralen auf dem Schlachtfeld zu leiten. Darüber hinaus werden Phased Arrays für die Übertragung über mehrere Pfade eingesetzt, um Gebäude und geophysikalische Strukturen, die die Überwachung blockieren könnten, zu erkennen und zu umgehen. Das als MIMO bezeichnete System für Techniken mit mehreren Ausgängen wird für kommerzielle Phased-Array-Systeme in Betracht gezogen, die W-LAN bis tief in belebte Städte hinein übertragen.
Antennengestützte Übertragungs- und Beobachtungssysteme verändern sich rasch, um viele neue Technologien zu bedienen und die Kontrolle über unsere Radar- und Überwachungstechnologien zu ermöglichen. Wie diese Systeme, so ändern sich auch die Steckverbinder- und Verdrahtungstechnologien und sind bereit, die Nachfrage zu erfüllen. Mehrere Designs sind ohne weiteres verfügbar, und kundenspezifische oder spezielle Designs mit neuen Materialien können schnell entworfen werden und stehen dem Schaltungsdesigner heute zur Verfügung.
