RESOLUTE?光柵將射頻天線的定位精度和分辨率提高百倍
2022-3-23 來源：雷尼紹 作者：-
Pacific Antenna Systems (PAS) 公司設計、加工和制造使用1–110 Ghz射頻 (RF) 的先進天線系統。
這些天線系統的應用范圍包括高分辨率雷達、用于視距和衛星 (SATCOM) 通信的高速率數據通信，以及用于對抗無人機 (UAS) 的高功率微波系統。
天線的基本工作原理是將射頻波束精確地定位到靶點上。
PAS根據具體應用場合在天線中采用多種不同的機電設計。每個運動軸（萬向節）上都安裝旋轉位置編碼器，以滿足準確度和精度要求。
機載系統的工作環境非常惡劣，例如溫度低于零度、射頻噪聲大、機械振動強，從而加大了光柵選型難度。
以前，PAS天線系統備受光柵性能問題的干擾，例如精度低、抗射頻干擾性差、抗振動能力弱。
雷尼紹光柵產品成功幫助PAS將其伺服控制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，雷達和射頻通信系統需要做到重量輕、體積小、動力強。此外，還必須采用模塊化結構，并且易于裝配。
PAS副總裁Anthony J. Macri先生介紹了以上要求給設計帶來的挑戰：
“我們看重的是：體積、重量和動力 (Size, Weight and Power - SWAP)。對于機載雷達和通信領域的每個產品來說，SWAP都是極其重要的參數。
我們面對的挑戰是將波束定位到靶點上。我們在射頻系統中使用非常窄的波束，尤其是毫米 (mm) 波段。在95 Ghz的頻帶寬度中，波束寬度可能低至幾百分之一度。將天線安裝到平臺上之后，導航數據會有一個誤差預算。如果萬向節上安裝的光柵的精度和分辨率很差，那么天線系統的RSS指向誤差將會增大，導致無法定位到靶點。”
PAS機載通信系統對于飛行器（例如NASA的WB57實驗研究飛機）的高數據速率通信至關重要。每個萬向節上的光柵都必須在海拔40,000英尺以上、溫度?40 F以下的高空中工作。高旋轉速度和加速度是實現快速波束指向和掃描操作的基礎。
在通信和雷達應用中，光柵是關鍵零部件，必須保證高可靠性，因為任何故障都可能危及生命。
解決方案
PAS針對單站雷達和通信系統采用不同的萬向節設計，但是這些設計中均采用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：“我們獨創性地在雷達、視距和衛星通信天線以及高功率微波系統中使用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于我們的控制循環。我們將這款光柵應用在UH60黑鷹直升機上，作為防碰撞雷達的一部分。UH60上的振動環境極其惡劣，我們發現RESOLUTE光柵的防振動能力極強。如果光柵發生振動而無法計數，這會對控制循環造成不利影響。而RESOLUTE光柵能夠滿足我們的精度和堅固性要求。”
PAS單站雷達系統由許多零部件組成，包括底部的射頻陣列饋源，以及一系列安裝在兩軸萬向節上并由直驅電機驅動的透鏡。每臺電機都與一個配用75 mm D截面RESA圓光柵的RESOLUTE寬溫度范圍 (ETR) 光柵系統機械耦合，對透鏡旋轉進行反饋控制。
Macri先生補充道：“這款光柵偏移安裝并且直接耦合到驅動系統上，因為電機的體積非常小。電機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，同時也相對于位于整個機構外部的光柵讀數頭精確地旋轉圓光柵。這種雷達應用的優點在于，射頻能量通過每個電機的內孔在自由空間傳播。”
射頻通信系統采用相似的設計，但是具有較為傳統的滑環、旋轉接頭和同軸介質。在這種情況下，雷尼紹RESA圓光柵的開放式內孔可提供每個旋轉軸的頂端所需的空間和功能。
結果
雷尼紹的RESOLUTE ETR光柵兼容BiSS-C協議，可支持PAS針對各種應用設計和打造先進的天線系統。
Macri先生強調了在天線系統中選用RESOLUTE光柵的優勢：
“我們欣賞RESOLUTE的多種特性，包括易于使用、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，我們的技術人員可以使用塞尺將光柵讀數頭手動對齊，這個過程很快。而且，RESOLUTE光柵的高級診斷和安裝工具也有助于快速解決任何安裝問題。PAS針對光柵信號輸出使用BiSS-C串行協議，因為該協議具有開放式結構、易于使用、運行速度快。最重要的是，該協議的安全性循環冗余校驗 (CRC) 位數長。一旦出現問題，用戶能夠即刻知曉。在產品生命周期方面，制造速度和
效率以及交付可靠性十分關鍵。RESOLUTE光柵可以幫助我們做到這一點。”
在PAS雷達系統中，透鏡以超過7,000度/秒的速度旋轉，并且具有超過40,000度/秒2的加速度。由于獨特的單碼道設計，RESOLUTE光柵能夠在高運行速度下實現超高的分辨率。這一性能將PAS雷達系統的靶點位置測量精度提升到市場領先水平。
Macri先生總結說：“我們使用32位的光柵，但是只截取大約18位。于我們而言，最大的優點是精度值和分辨率的LSB（最低有效位）極其接近。當光柵被設定為18位BiSS時，精度和分辨率完美嚙合。我們需要重復精度達到千分之一度以內。由于應用場合的重要性，這些組件上的所有零部件都必須經過測試。RESOLUTE遠遠超出了我們的預期。”
PAS公司簡介
Pacific Antenna Systems (PAS) 公司的總部位于加利福尼亞，主營利用先進的電磁建模與仿真工具為通信、衛星通信、雷達和高能微波應用設計美觀且價格合理的天線系統。PAS還擅長為客戶解決復雜的天線系統問題，提供快速設計和原型制造服務。PAS的服務范圍包括咨詢、設計、制造和安全分析。
詳情請訪問www.renishaw.com.cn/encoders
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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