以色列鐵穹防空系統是如何攔截飛彈的呢？ 一個視頻帶你瞭解，原理其實很簡單 #科普 #科普知識

最近以色列的鐵穹防空系統出盡了風頭 它是如何攔截各種來襲導彈的呢? 鐵穹系統包括三個核心部分 戰鬥單元和武器控制系統 導彈發射單元 以及探測和跟蹤雷達 一個標準的鐵穹防空系統 包含3到4個發射器 每個發射器最多能容納20枚攔截導彈 戰鬥單元和武器控制系統是鐵穹的控制中心 負責管理系統操作和協調對來襲目標的攔截 該系統能快速評估來襲導彈的軌道 探測和跟蹤雷達主要用於監測來襲導彈 在防空作戰任務中 它可以探測高達100公里的導彈位置 而在空中監視模式下 它可以一次評估多達1100個目標 接下來我們瞭解一下鐵穹的攔截導彈 導彈的前面是天線罩 用於保護敏感部件 往後是導彈的多導引頭 擁有控制後部轉向器的光電傳感器 這些傳感器能增強導彈的精度和瞄準能力 在導引頭後面是近乍引信 用於攔截短程威脅 這種激光控制引信 在導彈接近目標10米以內時 會被激火並引爆 接著是導彈的戰鬥部 能夠有效地摧毀敵方導彈 所有的這些組成部分 都是通過後方的固體燃料進行推進的 能使導彈以大約2馬赫的速度飛行 反應非常的靈敏 這種小型攔截導彈真正吸引人的地方 在於它的射程 覆蓋範圍大約在4到70公里 這使得導彈能夠在不同距離上攔截炮彈 現在我們詳細看看 鐵穹防禦系統是如何一步一步地攔截導彈的 第一步 雷達探測並追蹤方圓100公里內的威脅 第二步 數據從雷達傳送到戰鬥單元控制系統 然後控制系統評估後 將數據傳送到發射裝置 系統會評估來襲導彈的飛行軌道 並選擇只攔截那些即將落在保護區域內的目標 不在保護區域的導彈不攔截 從而節省成本 第三步 只有當威脅被確定時 攔截導彈才會發射 以便在預期的撞擊區域之內將其摧毀 第四步 導彈發射後 將使用光電傳感器來跟蹤和瞄準來襲目標 並盡可能地接近目標 接近目標有三種方式 一種是導彈從正面打擊目標 當它到達指定目標時 先進的傳感器和激光系統會被激火 從而觸發近乍引信 在距離目標大約10米範圍時 攔截導彈爆炸 以造成最大範圍的傷害 第二種是在運動中導彈 以60度角攔截來襲目標 機載傳感器觸發破片彈頭 使其能夠有效攔截中心外的威脅 還有一種是以90度角攔截目標 但是失敗率會更高 這是因為彈頭的碎片會從來襲導彈上方散開 從而影響攔截效果 鐵穹防空系統攔截率非常高 經過多年的改進升級 攔截率能達到90%以上 能夠在150平方公里的範圍內 保護重要的目標 但是鐵穹的攔截成本比較高 一枚攔截導彈高達5萬美元 而哈馬斯和伊朗的一枚炮彈 成本分別為80和1000美元 導彈是怎麼進行制導 並精準打擊目標的 我們先說第一種制導方式 慣性制導 慣性制導是利用自身的慣性計算自己的位置 當靜止的物體突然加速時 就會產生一個相反方向的作用力 導彈也一樣 我們可以測量這個作用力 再求出導彈的加速度 並利用陀螺儀測量角速度 然後制導裝置根據這些數據 形成制導指令 從而將導彈自動引導到目標區 由於慣性制導不與外界發生聯繫 因此不受幹擾電波的影響 慣性制導也一直沿用至今 但是慣性制導有個很大的問題 就是精確度 通過不斷改進 科學家找到了解決辦法 就是使用輔助制導 輔助制導有兩種 衛星導航制導和地形參考制導 衛星導航制導 是利用從衛星發來的電波信號 來決定現在位置的方法 但是衛星導航會受到電波幹擾 地形參考制導 是利用電波高度計 每個一段距離測量地形的高度 然後與預先輸入的值進行比較 從而修正誤差 還有一種是利用導彈底部的攝像頭 拍攝下方的地形 然後與導彈上預先存儲的圖像進行比較 從而修正誤差 但是地形參考制導也有一個很大的弊端 在落差很小的沙漠或海洋中很難使用 還會受到天氣或時間變化的影響 所以慣性制導與輔助制導相輔相成 從而形成強大的制導系統 現在我們再看第二種制導系統 指令制導 指令制導不自行判斷飛行的方向 而是依賴地面的雷達指令來移動 有跟蹤導彈的雷達 還有跟蹤目標的雷達 計算機根據雷達獲取到的數據 分析這些信息 並給出指令 告訴導彈應該如何飛行 還有一種方法是使用雷達或者發射激光束 來引導導彈進行飛行 但是都屬於指令制導這一類的 指令制導缺點也很明顯 如果目標在很遠的距離或視線看不見的地方 就很難使用 最後一種制導方式是巡地制導 它能夠自主地搜索和跟蹤目標 這也是最主要的現代制導體制 在導彈的頭部有一個紅外探測器 它可以探測目標的熱量從而進行攻擊 但早期的紅外探測器 只用於探測戰鬥機發動機產生的短波紅外輻射 由於戰鬥機可以發射干擾彈進行幹擾 從而躲避攻擊 所以探測器又被改造成了中波長紅外探測器 它可以探測整個機身的熱量 另外導彈的頭部還可以安裝高清攝像機 攝像機先拍攝目標的樣子 導彈根據拍攝的照片進行對比 從而追蹤到目標進行攻擊 受天氣或季節時間的影響 導彈還有一個紅外攝像頭 可以同時探測紅外輻射並拍攝圖像 但是這些制導都是目標先暴露 然後導彈獲取到信息後才能進行攻擊 稱為被動巡地制導 還有一種是主動巡地制導 主動巡地制導 實用的雷達作為導引頭 雷達主動發射電波 並通過反射的電波來探測目標 無線電波的波長比紅外線長 傳播效果更好 因此可以探測遠距離的目標 還有半主動制導 介於被動制導和主動制導之間 導彈不直接發射電波 直接受雷達發射的電波 然後跟蹤目標 騎士導彈發展到現在 採用的都是多種制導方式結合 初期利用慣性制導和衛星導航進行飛行 中期利用指令制導來修正導彈軌跡 在末端飛行時 採用巡地制導主動跟蹤目標 從而將目標一舉殲滅 獨子導彈是一種紅外製導地對空導彈 操作簡單 威力強大 那麼這款單兵標準防空武器的性能到底如何呢 我們一起來看看 獨子導彈發射筒長1.52米 直徑為70毫米 導彈長1米 重10.1公斤 加上底部發射器和IFF敵我識別器 總重量為15.2公斤 讓我們看看它是如何工作的 導彈由制導 推進器 尾翼 和彈頭組成 尾翼包含4個可折疊的旗 在飛行時提供作用和穩定性 制導則是由追蹤組件 導引頭組件 控制組件 導彈電池和提供飛行敏捷性的4個機翼組成 彈頭裝有0.4公斤的彈藥 推進部分包括發射電機和飛行電機 手柄中有一個電池冷卻機 該裝置由熱電池和高壓壓氣組成 熱電池可以為導彈提供重力 而高壓壓氣可以為導引頭降溫 當發射武器時 通過瞄準鏡鎖定目標 導引頭在鎖定目標時會產生明顯的響聲 一旦扣動扳機 火箭將從導彈發射管中發射出去 發射引擎脫落 主物體火箭引擎點火 火箭推動獨自導彈移兩碼和飛行 然後自動飛向目標並爆炸 獨自導彈的射程約為8公里 並且可以攻擊飛行高度為3500米的目標 獨自導彈使用IR或UV傳感器來跟蹤目標 IR可以尋找目標飛機引擎發出的紅外光和熱量並跟蹤 UV能識別目標的紫外線陰影 並利用該信息將其與其他產生熱量的物體區分開來 在導彈飛行過程中 其試圖打擊的飛機的圖像 可能會偏離圖像傳感器中心 這時傳感器將通知導彈偏離了航向 導彈中的制導系統必須將其拉回正軌 這時比利導航就有了用武之地 導彈觀察圖像偏離中心的角度 並按比利更改自己的飛行角度 也就是說 如果制導系統認為導彈偏航10度 它將改變飛行方向20度 十分之一秒後 它將再次檢查角度 並再次改變飛行方向 通過這種不斷校正方式 可使得導彈按照人預測的路線來追蹤飛機的路線 好了 獨子導彈原理就講解到這裡 謝謝大家的點贊和關注 電腦的CPU芯片是如何製造出來的 芯片製造首先是從製造晶圓開始的 製造晶圓的主要材料為石英石或者石英砂 將石英石搗碎後 放入石英幹鍋中 通過高溫提煉後 就能生長出純度極高的單晶硅 然後單晶硅會被切成一塊塊的晶圓 一塊直徑300毫米的晶圓 厚度只有0.75毫米 但是價格卻比同等重量的黃金貴10倍 晶圓非常脆弱 一旦摔碎 就會破成幾百塊 有了晶圓 我們就能在晶圓上面蓋房子了 首先需要做的就是在晶圓上 鍍一層絕緣的二氧化硅材料 晶圓每25片為一疊 會被裝入到一個前胎式晶圓傳送盒 然後晶圓傳送盒會沿著工廠的自動導軌進行運輸 並來到金屬氧化設備 氧化設備內部有機械臂 會將晶圓放入相應的位置 然後氧化設備開始工作 首先氧化設備內部會被注入氧氣 周圍的線圈會釋放熱量 在一定條件下 氧原子就會和晶圓表面進行反應 從而形成一層二氧化硅 氧化之後的晶圓 接著表面會被塗上一層光刻膠 塗光刻膠的設備叫做光刻膠塗布機 塗布機通過旋轉 能將光刻膠均勻地塗附在晶圓表面 然後對晶圓進行軟烘焙 軟烘焙可以蒸發掉光刻膠中一部分溶劑 從而為後面的光刻做準備 塗附完光刻膠的晶圓 接著來到芯片製造最為困難的一個步驟 那就是光刻 光刻工藝需要使用到光刻機 光刻機的內部主要由EUV光源 聚焦光線的透鏡 刻有線路圖的光眼模 以及一個晶圓載體組成 這是一個6×6英寸的光眼模 光眼模上雕刻有電路圖 光刻的過程其實就是將光眼模上的電路圖 複製粘貼到單個晶圓上的幾百個相同的芯片上 那光刻機是如何使用光來雕刻芯片的呢? 當需要光刻時 光刻機的光源會發射集紫外光 紫外光會穿過多層透鏡 然後穿過光眼模 再次通過多層透鏡 最終會將光眼模上的電路圖 雕刻到晶圓的光刻膠上 晶圓會不停地移動 以便在一個晶圓上雕刻多個芯片 直到整個晶圓被雕刻完 整個過程其實就類似模板噴漆 透過眼模向底板進行噴漆 拿開眼模後 留下的就是眼模上的圖案 一塊完整的CPU芯片 需要使用80個不同的光眼模進行雕刻 每個光眼模的成本為30萬美元 需要注意的是 光刻這一步 只是將光眼模的圖案雕刻到晶圓的光刻膠上 被光線照射的光刻膠 會變得可溶解 像圖中紫色的地方就是可溶解的光刻膠 接下來要做的就是顯影 雕刻完的晶圓接著會被送入顯影機內 在這裡晶圓會被放入顯影容器中 從而將前面說到的可溶解的光刻膠溶解掉 然後使用硬烘焙來硬化剩餘的光刻膠 處理完後 晶圓上就留下了跟光眼模上一樣的光刻膠圖案 接著需要進行的工藝就是石刻 我們看一下具體過程 這是一臺石刻機 首先將晶圓放入石刻機內部 接著將石刻機內部通入伺服化碳和氧氣 伺服化碳被電離後 會形成高能等離子體 高能等離子體會與晶圓表面發生反應 在沒有光刻膠的地方 晶圓會被慢慢向下進行石刻 有光刻膠的地方則不被石刻 從而在晶圓上形成電路圖案 到這一步 電路圖才真正被雕刻到晶圓上 石刻完成後 為了增加矽晶圓的導電性 還需要進行離子注入 也就是摻雜 使用鋰元素、銅元素或者其他元素 烘機未被光刻膠覆蓋的晶圓表面 以形成晶體管所需要的P型半導體和N型半導體 離子注入也非常麻煩 每1萬個鮭原子中 僅需要添加一個鱗原子或鵬原子 離子注入機可以將鱗和鵬原子直接進行投擲 但是這個過程通常會損壞鮭晶格 因此接下來還需要進行退火處理 從而修復鮭晶格 接下來要做的就是 將晶圓上剩餘的光刻膠也去除掉 需要用到的機器為光刻膠玻璃器 該玻璃器可以直接使用溶劑 溶解掉晶圓上剩餘的光刻膠 去掉光刻膠的晶圓 上面的晶體管並沒有連通起來 所以接著會使用氣象沉積來進行金屬化 氣象沉積通常使用銅來填充暴露出來的電路圖案 從而在芯片表面形成一條條的金屬線 你現在看到的就是使用化學氣象沉積設備 在進行氣象沉積操作 操作完後的晶圓 就會被無數條金屬絲連通起來 從而搭建起芯片內部的高速公路 金屬化後的晶圓並不平整 所以下一步還需要進行化學機械拋光 將晶圓放入機械設備內 然後進行研磨 最終晶圓表面就會變得異常平整 最終留下的就是與研磨板上圖案相匹配的電路圖了 當然一塊芯片會有非常多的層組成 所以前面說到的步驟會循環往復地執行 直到將一塊完整的晶圓製造好 接下來製造好的晶圓會被送往測試部門 進行極其嚴格的測試 以確保晶圓上的每一塊CPU芯片都能正常工作 但是如果檢測到部分集成電路損壞或者有缺陷 工程師會根據有效電路來對這些芯片進行分類 從而組成不同的芯片型號進行出售 測試完可以用的晶圓後 接著會使用激光 將晶圓切割成一個個的小芯片 再連接上一個中間層 然後將芯片放入到CPU的印刷電路板上 同時在背面再加上一個散熱保護蓋 印刷電路板的另外一面是連接主板的針腳 最後將一個大的集成散熱器安裝在頂部 然後再進行最後一次測試 測試通過後 整個CPU就能進行打包出售了 用戶只需要將CPU安裝到主板的CPU插槽內 就能正常使用了 需要注意的是 CPU芯片製造極其複雜 整個流程需要近千個工藝相互配合 本視頻只是講解了芯片製造中的幾個關鍵步驟 這是我們經常使用的傳統計算機 這是正在飛速發展的量子計算機 那量子計算機究竟是如何工作的呢 為了弄清這個問題 我們先看一下傳統計算機是怎麼運行的 傳統計算機由非常多的硬件組合而成 其中最重要的就是計算機的芯片 像CPU芯片 內存存儲芯片 以及固態硬盤芯片 這些芯片包含不同的模塊 每個模塊又由複雜的邏輯門電路組成 而邏輯門電路又有幾十一個晶體管構造 晶體管相當於一個開關 通過控制晶體管的關閉和打開 就能輸出零和一 很多零和一組合在一起 就能表示不同的數據 多個晶體管組合在一起 就能構成複雜的邏輯門電路 這些邏輯門電路 歸根到底其實計算的都是簡單的二進制運算 那量子計算機又是怎麼工作的呢 在傳統的計算機中 是使用比特來作為信息的最小單位的 而量子計算機使用的是量子比特 它跟傳統計算機的比特類似 傳統計算機比特只能存儲二進制的零或一 量子比特不僅可以存儲零和一 還能存儲零和一的疊加態 疊加態是什麼意思呢 最簡單的理解就是光的玻璃二向性 在沒有觀測時 光處於粒子合佈的疊加態 但是一旦你觀測它 它就會彈縮成粒子這種狀態 量子計算機可以使用光子作為量子比特的載體 通過光子的橫向和縱向的偏振 來代表零和一的疊加態 一旦你觀測它 光子就必須決定自己到底是橫向偏振 還是縱向偏振 那麼它就會彈縮成一個確定的狀態 也就是要麼是零 要麼是一 在傳統計算機中 4個比特能組合的數據一共有2的四次方 共16個數據 但是在同一時刻 4個比特只能表示其中的一個數據 但是量子比特由於可以處於疊加態 可以同時代表16個數據 也就是相當於16臺傳統計算機並行工作 每增加一個量子比特 能表示的數據都呈指數級增長 20個量子比特 已經達到上百萬臺傳統計算機並行的計算水平 我國的九張量子計算機 使用了76個量子比特進行邏輯運算 求解數學算法 玻色取樣時 九張只需200秒 而超級計算機需要6億年 快了足足100萬億倍 量子還有另外一個非常重要的特性 就是量子糾纏 無論它們相距多遠 每個量子比特 都會立即對另一個量子狀態的變化做出反應 這意味著 當測量一個糾纏的量子比特 可以直接推斷出另一個量子的狀態變化 在傳統計算機中 我們是通過邏輯門電路 來得到一個確定輸出結果的 而量子計算機使用的是量子門 比如這個是哈達馬門 它可以將量子從七臺變為疊加態 量子計算機設置一些量子比特 然後應用量子門來糾纏它們 並操縱概率 最後通過測量結果 讓結果探索到唯一狀態 要麼0要麼1 這就意味著 你可以將多種可能性同時並行計算 比如這個老鼠走迷宮的遊戲 怎麼最快找到出口呢 傳統計算機 是通過嘗試每一條路徑進行尋找 而量子計算機只用計算一次 就能將所有路徑計算出來 然後找出最優的路線 量子計算機發展到現在 依舊面臨很多問題 其中一個就是很容易受到外界的幹擾 量子計算機的本質其實運用的就是量子的疊加態 但是量子一旦受到外界干涉 就很容易導致疊加態坍塌 對計算結果產生幹擾 因此想要持續保持量子的疊加態 外界環境非常關鍵 所以量子計算機一般都放在一個大冰箱裡面 冰箱的溫度只比絕對零度高一點點 另外由於量子疊加的存在 對量子比特進行測量時 結果是概率性的 這就需要不斷地進行量子糾錯 以提高計算的準確度 這也限制了量子計算機 只能在特定的領域才能發揮作用 比如在商業領域 用於預測市場趨勢 優化投資組合 或者在機器學習領域 用於海量數據的分析和計算 計算機的發明其實起源於一個燈泡 愛迪生在研究燈泡時發現一個問題 用過的燈泡的一側總是會發黃 為什麼會這樣呢 愛迪生通過實驗發現 被加熱的燈絲不僅會發光和發熱 還會發出電子 這種現象被稱為熱離子發射 由於燈泡內部是真空環境 這些漂浮的電子會自由移動 但是由於導線之間的電位差 導致燈絲上的電子被吸引到正極的導線上 電子加速向正極移動 隨著時間的推移 大量的電子撞到燈泡的玻璃上 就導致燈泡一側變色了 但是愛迪生當時並不太清楚它的原理 所以沒有更深入地去研究它 1904年 英國科學家弗萊明在類似的燈泡上 重新添加了一塊金屬片 他發現如果金屬片帶正電 那麼電子就可以加速來到金屬片 形成一個完整的電路 但是如果金屬片帶負電 那麼它就會排斥電子 就不會有電子流過 這種裝置也被稱為熱離子二極管 熱離子二極管最初用於 將交流電轉換為直流電 通過將多個二極管相連接 就能產生相當穩定的直流電 但是這種二極管有個問題 它不能放大信號 1906年 美國科學家德福雷斯特 在弗萊明的真空二極管中 加入了一個金屬網狀結構 充當第三個電極 也稱為山極 當電流快速流動時 山極只需施加很小的負電壓 流動的電子就會被排斥 導致電子無法到達正極 但是如果山極施加少量的正電壓 電子又會重新流向正極 所以只需要改變山極電壓的微小變化 就可以控制正極上的巨大電壓 並且這種響應速度非常快 從而達到信號放大的功能 但是這些發明是如何跟計算機聯繫上的呢 回答這個問題前 如果你對這種科普動畫感興趣 可以通過左下角的抖音精選APP進行學習 裡面都是大數據整理歸納好的優質合集 趕緊下載試試吧 真空管能跟計算機關聯 這就不得不提到一個人 那就是喬治·布爾 布爾用數學方法研究邏輯問題 成功地建立了第一個邏輯演算 在他的理論中 一個真值可以表示為1 而假值可以表示為0 並且布爾還開發了一些運算 用來輸出不同的結果 1937年 科學家克勞德·香農意識到 喬治·布爾的運算可以用電子電路來表示 數學表述和電路之間是等價的 並發表了論文 同年1937年 美國科學家喬治·斯蒂比茨 在這些理論上製造了第一臺數字計算器 它可以將兩個一位的二進制數進行相加 計算器內部的電路圖是這樣的 左邊的A和B分別為數端 而右邊的兩根導線分別為輸出端和進位輸出 電路圖的這個位置還有一個繼電器 在繼電器中有一個電磁體 當電流流過這個電磁體時 會吸引開關 開啟電路 但是當通過電磁鐵的電流停止時 開關釋放 電路被關閉 現在如果需要計算1加0 只需要將A閉合 電流就會通過繼電器 產生一個磁場 將開關吸引過來閉合 所以輸出端燈泡點亮 進位輸出的燈泡未點亮 所以答案是二進制的01 轉成實進制為1 一樣的道理 閉開關閉合 而按開關打開 也會發生同樣的事情 如果要計算1加1 兩個開關都閉合 只有進位開關點亮 所以結果為二進制的10 10對應的實進制剛好為2 通過這些開關還可以組成不同的電路 比如雨門 貨門以及飛門等等 這種電路也被稱為半加器 兩個半加器組合在一起就是全加器 然後將幾百個全加器相連 就能計算出更複雜的數學問題 在此基礎上 科學家又製造出了Model-1計算機 內部有400多個繼電器 它可以在十分之一秒內 將兩個八位數相加 也可以做八位數的乘法 只不過乘法計算 每次大約需要一分鐘 但是這種基於繼電器的計算器 有個很大的問題 它嚴重依賴於繼電器的機械特性 也就是繼電器的物理開啟和關閉 這種開關不僅速度非常慢 噪音也非常大 所以前面說到的真空三極管就派上用場 直接使用三極管替代繼電器 而且只需要控制三極管的三極 就能控制三極管電流的導通與關閉 最重要的是 兩者之間的切換非常快 而且沒有噪音 真空三極管的發明 將計算機帶到了一個全新的高度 並由此誕生了世界上第一臺 真正意義上的電子計算機 稱為埃尼阿克 它於1945年首次上線 埃尼阿克不僅能進行數學計算 最重要的是它還可以編程 而且速度很快 每秒可以完成500次操作 但真空管也存在重大缺陷 它的燈絲一直需要加熱 即使在空閒的時候也要消耗大量的能量 並且真空管也不可靠 每隔幾天就會出現故障 另外真空管太大了 這導致埃尼阿克計算機的尺寸非常大 埃尼阿克只使用了18000個真空管 但是佔地面積卻達到170平方米 重達30噸 而且耗電功率達到150千瓦 如何替代真空管呢 經過科學家的不懈努力 最終誕生了革命性的電子元件 那就是晶體管 其中就包含計算機使用的MOS晶體管 1971年 Intel第一次將MOS晶體管 集成到了Intel 4004 CPU上 成為一款劃時代的產品 MOS晶體管主要由 N型半導體和P型半導體組成 N型和P型半導體之間是晶體管的山脊 山脊下面是一層絕緣層 當山脊通電壓 電子就能流動 山脊不通電壓 電子就停止流動 可以看到 這跟前面說到的真空三級管非常類似 但是有一點不一樣 晶體管可以做到非常小 並且效率極高 這也使得計算機的尺寸越做越小 並最終走進了千家萬戶 從一個燈泡 到一臺高性能的個人計算機 從重達30噸 到只剩下幾公斤 人類在計算機發展上幾乎花費了上百年 而這一切的背後 都是科學家在默默地負重前行 只需要這麼一口大鍋蓋 就能進行上網 這就是大名鼎鼎的星鏈系統 我們打開一個衛星天線 看一下它究竟是如何連接互聯網服務的 這是一塊鋁製結構的背板 背板上面就是天線最重要的核心 一個巨大的PCB電路板 電路板上面安裝了640顆小型微芯片 以及20顆較大芯片 在PCB的邊緣位置上還有主CPU芯片和GPS芯片 PCB的背面是1400個環形銅圈 PCB電路板與其他三層板材一起 構成了1280根蜂窩射頻天線模塊 每個天線模塊都非常複雜 這些天線組成一個巨大的相控陣天線 我們現在看看天線是如何向衛星發射電磁波的 射頻天線一共由6層組合而成 為了方便理解 我們將天線簡化為兩層 天線最下面是一個微芯片 芯片連接著一條彎曲的饋電線 上面是一個天線貼片 饋電線能接收微芯片產生的12千兆赫的高頻信號 信號每83匹秒一個週期 從而產生電荷正負的變化 當高頻信號來到饋電線時 有趣的事情發生了 信號曲線處於波谷時 電子會被推送到饋電線的末端形成負電荷區 與此同時 上面的天線貼片形成正電荷區 從而在連接線和天線貼片之間形成一個磁場 當信號曲線處於波峯時 正負電荷區發生交換 磁場方向也會發生相應的變化 由於信號會在波峯波谷不斷變化 磁場也會不斷來回震盪 通過不斷地產生這種震盪磁場 最終會產生一個沿著電場和磁場垂直傳輸的電磁波 產生的電磁波會向外進行擴散 這只是一個天線 如果想要衛星能接收到地面發射的電磁波 我們需要更多的天線組合在一起 從而產生一個聚焦的強大的電磁波波束 我們看一下波束的產生過程 這是兩個簡化後相鄰的天線 其中一個天線產生電磁波後 會向某個方向散開進行傳播 當第二個天線發射電磁波後 電磁波會與第一個電磁波發生疊加 這樣我們就得到兩個相互疊加的增強信號 我們再加入幾個天線 可以看到電磁波的相長干涉進一步聚焦 而接收天線有1280個這樣的天線 這些天線聚集在一起 就能形成一個非常強大的電磁波波束 如果你對這種3D科普動畫感興趣 可以下載左下角抖音最新推出的APP進行學習 裡面有非常專業的優質內容 感興趣的可以下載瞭解一下 但是現在有個問題 衛星運行速度非常快 每小時達到2.7萬公里 另外波束的指向是有一定範圍的 每隔4分鐘左右 天線就會在不同的衛星之間切換 但是想在如此高速下瞄準衛星並不簡單 那怎麼辦呢 只能通過改變向位來解決 也就是將信號向左或者向右移動 比如我們將信號進行一個180度的向移 波形會是這樣 如果進行315度的向移 波形又會是這樣 現在我們還是以這兩個天線為例 將天線2的信號進行45度向移 由於兩個天線信號的波峯波谷不一致 那麼產生的兩個電磁波的 相長干涉的位置偏向左邊 如果我們向左不斷改變信號2的向位 相長干涉的位置會慢慢地向右移動 通過不斷地改變信號的向位 就能創造出一個相長干涉的掃描區域 我們現在再加入幾個天線 這些天線的電磁波匯聚在一起 通過信號的變化 電磁波的掃描範圍也會不斷變化 我們具體到整個相控陣天線 那麼天線產生的電磁波 就會在100度的範圍內進行不斷掃描 有個疑問 信號向位是如何不斷改變的呢 這就要用PCB電路板上的微芯片了 電路板上的GPS模塊 會測量出衛星的位置信息 CPU根據這些信息 計算出每一個天線所需要的向移 然後將相應信息 發送給20個波束控制芯片 每個波束控制芯片 在與32個射頻模塊進行協調 每個射頻模塊控制兩個天線 CPU每隔幾微秒 就會重新計算一次天線數據 以便調整波束的位置 並不斷地對準星鏈衛星 問題是這些波束是如何收發數據的呢 其實數據是通過二進制進行發送的 我們只需要改變信號的 幅值和向位就可以了 不同的幅值和向位 代表不同的6位二進制數據 6位二進制只可以表示64個不同的值 我們可以將這64個二進制值 分佈在不同的向線 比如我們現在要傳輸 011101這個數據 在原點和011101之間進行連線 這條線段的長度就是幅值 線段與X軸的夾角就是向位 然後電磁波的幅值 就會按照向線的幅值 以及向線的向位進行波動 如果要傳101000這個數據 也是一樣的 先計算出幅值 再計算出向位 從而再次改變幅值和向位 這些不同幅值和向位的 電磁波組合在一起 就能在衛星和天線之間 進行數據傳輸了