フェーズドアレイ

ビームフォーマーには主に2種類あります。時間領域ビームフォーマー^{[ 12 ]}と周波数領域ビームフォーマー^{[ 13 ] [ 14 ]}です。理論的な観点から言えば、どちらも原理的には同じ動作であり、フーリエ変換によって一方から他方への変換が可能になります。

位相シフトに加えて、サイドローブ抑制性能を向上させるために、アレイの表面全体に段階的な減衰ウィンドウが適用される場合がある。

時間領域ビームフォーマー^{[ 15 ]}は、時間遅延を導入することによって動作します。基本的な動作は「遅延加算」と呼ばれます。各アレイ素子からの入力信号を一定時間遅延させてから、それらを加算します。バトラー行列を使用すると、複数のビームを同時に形成したり、1つのビームを円弧に沿って走査したりできます。最も一般的な時間領域ビームフォーマーは、蛇行導波管です。アクティブフェーズドアレイ設計では、オン/オフを切り替える個別の遅延線を使用します。イットリウム鉄ガーネット位相シフターは、磁場の強度を使用して位相遅延を変化させます。

周波数領域ビームフォーマーには、2つの異なる種類がある。

最初の方式では、受信信号に含まれる様々な周波数成分を複数の周波数ビンに分離します（離散フーリエ変換（DFT）またはフィルタバンクを使用）。各周波数ビンに異なる遅延ビームフォーマーと加算ビームフォーマーを適用すると、結果として、各周波数において主ローブが同時に複数の異なる方向を向くことになります。これは通信リンクにとって有利であり、SPS-48レーダーで使用されています。

もう1つの周波数領域ビームフォーマーは、空間周波数を利用します。各アレイ素子から離散的なサンプルが取得され、これらのサンプルは離散フーリエ変換（DFT）を用いて処理されます。DFTは処理中に複数の異なる離散位相シフトを導入します。DFTの出力は、等間隔に配置されたビームが同時に形成される個々のチャネルです。1次元DFTは扇状に広がるビームを生成し、2次元DFTはパイナップル状のビームを生成します。

これらの技術は、2種類のフェーズドアレイを作成するために使用されます。

• 動的–可変位相シフターのアレイを使用してビームを移動します^{[ 16 ]} 

• 固定–ビームの位置はアレイ面に対して静止しており、アンテナ全体が移動する^{[ 17 ]} 

さらに、動的配列または固定配列の種類を変更する2つのサブカテゴリがあります。

• アクティブ-各位相シフター要素にアンプまたはプロセッサがあります^{[ 18 ]} 

• パッシブ-減衰位相シフターを備えた大型中央増幅器^{[ 19 ]} 

各アレイ素子には調整可能な位相シフターが組み込まれています。これらを組み合わせることで、アレイ面に対するビームの位置を調整することができます。

動的フェーズドアレイでは、ビームの方向を定めるために物理的な動きは必要ありません。ビームは電子的に移動します。これにより、アンテナの動きを高速化できるため、小型のペンシルビームを使用して複数のターゲットを同時に追跡しながら、1つのレーダー装置だけで新しいターゲットを探索することが可能になります。これは「追跡しながら探索」と呼ばれる機能です。

例えば、ビーム角が2度でパルスレートが1kHzのアンテナの場合、 8,000個の指向位置からなる半球全体をカバーするのに約8秒かかります。この構成では、100km （62マイル）の範囲で1,000m /s（2,200mph 、3,600km /h）の車両を12回検出することができ、軍事用途に適しています。     

機械的に操舵されるアンテナの位置は予測可能であり、これを利用してレーダーの動作を妨害する電子妨害装置を開発することができる。フェーズドアレイ方式の柔軟性により、ビームを任意の方向に向けることが可能となり、この脆弱性を解消できる。これは軍事用途においても望ましい特性である。

固定フェーズドアレイアンテナは、従来型の放物面反射鏡やカセグレン反射鏡よりも望ましい形状のアンテナを作成するために一般的に使用されます。固定フェーズドアレイには、固定位相シフターが組み込まれています。例えば、ほとんどの商用FMラジオおよびテレビアンテナタワーは、ダイポール素子の固定フェーズドアレイであるコリニアアンテナアレイを使用しています。

レーダー用途では、この種のフェーズドアレイは、追跡および走査プロ​​セス中に物理的に移動されます。構成は2種類あります。

• 遅延線を用いた複数の周波数
• 複数の隣接する梁

SPS -48レーダーは、アレイの左側に沿って蛇行状の遅延線を配置し、複数の送信周波数を用いて垂直方向に放射されるビーム群を生成します。各周波数は、蛇行状の遅延線を伝搬する際に異なる位相シフトを受け、それぞれ異なるビームを形成します。フィルタバンクを用いて、個々の受信ビームを分離します。アンテナは機械的に回転します。

セミアクティブレーダーホーミングは、固定されたフェーズドアレイを用いて複数の隣接ビームを生成し、角度誤差を測定するモノパルスレーダーを使用する。この形状は、ミサイルシーカーのジンバルマウントに適している。

アクティブ電子走査アレイ（AESA）素子は、各アンテナ素子（または素子群）に位相シフト付き送信増幅機構を組み込んでいます。各素子には受信前増幅機構も含まれています。位相シフターの設定は送信と受信で同じです。^{[ 20 ]}

アクティブフェーズドアレイは、送信パルスの終了後に位相リセットを必要としないため、ドップラーレーダーやパルスドップラーレーダーと互換性があります。

パッシブフェーズドアレイでは、通常、アンテナ用のマイクロ波送信信号をすべて生成する大型アンプが使用されます。位相シフターは通常、磁場、電圧勾配、または同等の技術によって制御される導波管素子で構成されています。^{[ 21 ] [ 22 ]}

パッシブフェーズドアレイで使用される位相シフト処理では、通常、受信ビームと送信ビームが対角線上の反対側の象限に配置されます。受信ビームを送信ビームと同じ位置に配置するには、送信パルスが終了した後、受信期間が始まる前に位相シフトの符号を反転させる必要があります。そのためには、ドップラーレーダーやパルスドップラーレーダーのサブクラッタ可視性能を低下させる位相インパルスが必要です。例えば、イットリウム鉄ガーネット位相シフターは、送信ビームと受信ビームを一致させるために、送信パルスの停止後、受信処理が始まる前に変更する必要があります。このインパルスによってFMノイズが発生し、クラッタ性能が低下します。

パッシブフェーズドアレイ設計は、イージス戦闘システム^{[ 23 ]}において到来方向推定に使用されている。

フェーズドアレイの全指向性は、個々のアレイ素子の利得と、アレイ内での配置による指向性によって決まります。この後者の要素はアレイ係数と密接に関連していますが、等しくはありません。^{[ 15 ] [ 35 ] [ 15 ]}（長方形の）平面フェーズドアレイでは、寸法は${\displaystyle M\times N}$要素間隔$d_x$そして$d_y$それぞれ、配列係数はそれに応じて計算できる^{[ 2 ] [ 35 ]}：

$${\displaystyle AF=\sum _{n=1}^{N}I_{n1}\left[\sum _{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm {e} ^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}\right)}\right]\mathrm {e} ^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}\right)}}$$

ここ、${\displaystyle \theta }$そして${\displaystyle \phi }$これらは、右図に示す座標系において、配列因子を移動させる方向です。$\displaystyle \beta _{x}}$そして$\displaystyle \beta _{y}}$ビームを電子的に操縦するために使用される漸進的な位相シフトです。${\displaystyle I_{n1}}$そして${\displaystyle I_{m1}}$これらは各要素の励起係数である。

ビームステアリングは同じ座標系で示されますが、ステアリングの方向は$\displaystyle \theta _{0}}$そして$\displaystyle \phi _{0}}$これは進行期の計算に使用されます。

${\displaystyle \beta _{x}=-kd_{x}\sin \theta _{0}\cos \phi _{0}}$

${\displaystyle \beta _{y}=-kd_{y}\sin \theta _{0}\sin \phi _{0}}$

上記のすべての式において、値は${\displaystyle k}$送信に使用される周波数の波数を表します。

これらの式を解くことで、アレイのヌル、主ローブ、およびグレーティングローブを予測できます。アレイ係数式の指数を参照すると、主ローブとグレーティングローブは整数値で発生することがわかります。${\displaystyle m,n=0,1,2,\dots }$ 以下の方程式の解: ^{[ 2 ] [ 35 ]}

${\displaystyle kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}=\pm 2m\pi }$

${\displaystyle kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}=\pm 2n\pi }$

エンジニアリングではフェーズドアレイを提供するのが一般的です${\displaystyle AF}$デシベル単位の値${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}AF}$上記の配列係数の式における複素指数関数を思い出すと、配列係数とは、配列係数の計算の最後に得られる合計フェーザの大きさを指すことが多い。これを用いて、次の式を導き出すことができる。$${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}\left\|\sum _{n=1}^{N}I_{1n}\left[\sum _{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm {e} ^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}\right)}\right]\mathrm {e} ^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}\right)}\right\|}$$視覚化を容易にするため、入力方位角と仰角が与えられた場合のアレイ係数を分析し、それをアレイフレームにマッピングします。${\displaystyle \theta }$そして${\displaystyle \phi }$以下の変換を通じて：

${\displaystyle \theta =\arccos \left(\cos \left(\theta _{az}\right)\sin \left(\theta _{el}\right)\right)}$

${\displaystyle \phi =\arctan 2\left(\sin \left(\theta _{el}\right),\sin \left(\theta _{az}\cos \left(\theta _{el}\right)\right)\right)}$

これは、${\displaystyle \mathbf {x} }$軸は配列と整列しています${\displaystyle \mathbf {z} }$軸、そしてその${\displaystyle \mathbf {y} }$軸は配列と整列しています${\displaystyle \mathbf {x} }$軸。

を考慮に入れると${\displaystyle 16\times 16}$フェーズドアレイの場合、このプロセスでは次の値が得られます。$AF_{dB}}$、ボアサイトへステアリングするとき（$\displaystyle \theta _{0}=0^{\circ }}$、${\displaystyle \phi _{0}=0^{\circ }}$):

これらの値は最小値になるように切り捨てられています${\displaystyle AF}$ただし、実際には、アレイファクターパターンのヌルポイントの値はこれよりもかなり小さくなります。

フェーズドアレイは弾道ミサイルのレーダー追跡のために発明され、その高速追跡能力からフェーズドアレイレーダーは軍事用途で広く使用されています。たとえば、ビームを素早く操舵できるため、フェーズドアレイレーダーを使用すると、軍艦は1つのレーダーシステムで水上探知および追跡（船舶の発見）、空中探知および追跡（航空機とミサイルの発見）、ミサイルアップリンク機能を使用できます。これらのシステムを使用する前は、飛行中の各地対空ミサイルに専用の射撃管制レーダーが必要だったため、レーダー誘導兵器は少数の同時目標しか攻撃できませんでした。フェーズドアレイシステムは、ミサイルの飛行の中間段階でミサイルを制御するために使用できます。飛行の終末段階では、連続波射撃管制装置が目標への最終誘導を提供します。アンテナパターンは電子的に操舵されるため、フェーズドアレイシステムは、飛行中の複数のミサイルを制御しながら、多数の目標に対して射撃管制品質の追跡を維持するのに十分な速さでレーダービームを指向できます。

現代の米国の巡洋艦や駆逐艦に配備されているイージス戦闘システムの一部であるAN/SPY-1フェーズドアレイレーダーは、「100を超える目標を同時に探知、追跡、ミサイル誘導できる」^{[ 36 ]} 。同様に、フランスとシンガポールで使用されているタレス・ヘラクレス・フェーズドアレイ多機能レーダーは、 200の目標を追跡する能力を持ち、1回のスキャンで目標の自動検出、確認、追跡開始を実現できると同時に、艦から発射されるMBDAアスターミサイルに中間誘導更新を提供することができる^{[ 37 ]} 。ドイツ海軍とオランダ海軍は、アクティブフェーズドアレイレーダーシステム（APAR）を開発した。MIM -104パトリオットやその他の地上配備型対空システムは、同様の利点のためにフェーズドアレイレーダーを使用している。

フェーズドアレイは、海軍ソナーにおいて、アクティブ（送受信）およびパッシブ（受信のみ）ソナー、船体搭載型および曳航型アレイソナーに使用されます。

初期の音響フェーズドアレイの一つは、ドイツのGruppenhorchgerät装置であった。

音響学においては、マイクロホンアレイやスピーカーのラインアレイも使用される。

MESSENGER宇宙船は、水星探査ミッション（2011～2015年^{[ 38 ]} ）でした。これは、通信にフェーズドアレイアンテナを使用した最初の深宇宙ミッションでした。放射素子は円偏波スロット導波管です。Xバンドを使用するこのアンテナは、26個の放射素子を使用し、段階的に劣化することができます。^{[ 39 ]}

国立激甚気象研究所は、 2003年4月23日からオクラホマ州ノーマンの施設で、米国海軍から提供されたSPY-1Aフェーズドアレイアンテナを気象研究に使用しています。この研究により、雷雨や竜巻の理解が深まり、最終的には警報時間の延長や竜巻の予測精度の向上につながることが期待されています。現在のプロジェクト参加者には、国立激甚気象研究所、国立気象局レーダー運用センター、ロッキード・マーティン、米国海軍、オクラホマ大学気象学部、電気・コンピュータ工学部、大気レーダー研究センター、オクラホマ州高等教育委員会、連邦航空局、基礎商工会議所が含まれます。このプロジェクトには、研究開発、将来の技術移転、および米国全土へのシステムの展開の可能性が含まれます。完了までには10年から15年かかると予想されており、初期建設費は約2500万ドルでした。^{[ 40 ]}日本の理化学研究所計算科学研究センター（AICS）のチームが、フェーズドアレイレーダーと新しいアルゴリズムを用いた即時天気予報の実験を開始した。^{[ 41 ]}

電磁波の可視光および赤外線スペクトル内では、機械的に可動する部品なしで動的なビーム形成とビームステアリングを可能にする光フェーズドアレイ（OPA）を構築することが可能です。 ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}これらは、通信用の波長多重器やフィルタ^{[ 42 ]} 、 Lidar ^{[ 43 ]}、自由空間光通信[ ^{45 ] [ 46 ]} 、ホログラフィー などに使用されています。OPAは、レンズレスプロジェクター^{[ 47 ]} 、レンズレスカメラ^{[ 48 ] [ 49 ]}、チップスケール光ピンセット^{[ 50 ]も}実現できることが示されています。

波長が短いため、OPAは通常、シリコン・オン・インシュレーター^{[ 42 ]}、ゲルマニウム・オン・シリコン^{[ 51} ] 、シリコン・ナイトライド[ ^{52 ] 、ポリマー[ 53 ]}などの材料を利用したナノ加工フォトニック集積回路プラットフォームで^実現されます。

合成アレイヘテロダイン検出は、フェーズドアレイ全体を単一素子光検出器に多重化するための効率的な方法である。

スターリンクは、100カ国以上で利用可能な低軌道衛星コンステレーションです。消費者にブロードバンドインターネット接続を提供し、システムのユーザー端末はフェーズドアレイアンテナを使用します。^{[ 54 ]}

2014年までに、フェーズドアレイアンテナがRFIDシステムに統合され、従来の受動型UHFタグを使用しながら、単一システムのカバー範囲を100%拡大して76,200^平方メートル（820,000平方フィート）に拡大した。^{[ 55 ]}   

音響トランスデューサのフェーズドアレイである空中超音波触覚ディスプレイ（AUTD）は、触覚フィードバックを誘発するために、2008年に東京大学の篠田研究室で開発されました。^{[ 56 ]}このシステムは、ユーザーが仮想ホログラフィックオブジェクトをインタラクティブに操作できることを実証しました。^{[ 57 ]}

フェーズドアレイフィード（PAF）^{[ 58 ]}は、近年、電波望遠鏡の焦点で多数のビームを提供するために使用され、電波望遠鏡に非常に広い視野を与えています。3つの例としては、オーストラリアのASKAP望遠鏡、オランダのウェスターボルク合成電波望遠鏡のApertifアップグレード、および米国のフロリダ宇宙研究所が挙げられます。

放送技術において、「フェーズドアレイ」という用語は、通常の意味とは異なり、指向性放射パターンを放射するように設計された複数のマスト放射器のアレイである、一般的なアレイアンテナを指します。これは、無指向性放射パターンを放射する単一のマストとは対照的です。放送用フェーズドアレイは放射パターンが固定されており、他のフェーズドアレイのように動作中に「方向制御」されることはありません。

フェーズドアレイは、多くのAM放送ラジオ局で、免許都市内の信号強度とカバレッジを向上させ、他の地域への干渉を最小限に抑えるために使用されています。中波周波数では、昼間と夜間の電離層伝搬に違いがあるため、AM放送局では、日の出と日没時に個々のアンテナ素子（マスト放射器）に供給される位相と電力レベルを切り替えることで、昼間（地表波）と夜間（電離層波）の放射パターンを切り替えるのが一般的です。短波放送では、多くの局が水平ダイポールアレイを使用しています。一般的な構成では、4×4アレイで16個のダイポールを使用します。通常、これはワイヤーグリッド反射板の前に配置されます。位相は、方位角方向、場合によっては仰角方向のビームステアリングを可能にするために切り替えられることがよくあります。