Антенная решетка

Набор из нескольких антенн, которые работают вместе

Распространенный тип решетчатой ​​антенны — телевизионная антенна УВЧ с отражательной решеткой . Этот пример состоит из восьми дипольных элементов , установленных перед проволочным отражателем. X-образные диполи обеспечивают широкую полосу пропускания для покрытия как ОВЧ (174–216 МГц), так и УВЧ (470–700 МГц) телевизионных диапазонов. Он имеет усиление 5 дБ в ОВЧ и 12 дБ в УВЧ, а также соотношение передней и задней части 18 дБ.

Большая плоская антенная решетка российского мобильного УКВ- радара ПВО «Небо-М». Он состоит из 175 сложенных дипольных антенн. Ранняя фазированная антенная решетка , антенна излучала вертикальный веерообразный луч, который можно было перемещать горизонтально через воздушное пространство перед антенной.

Антенная решетка (или антенная решетка ) представляет собой набор нескольких соединенных антенн , которые работают вместе как одна антенна для передачи или приема радиоволн . Отдельные антенны (называемые элементами ) обычно подключаются к одному приемнику или передатчику с помощью линий питания , которые подают мощность на элементы в определенном фазовом соотношении. Радиоволны, излучаемые каждой отдельной антенной, объединяются и накладываются друг на друга , суммируясь ( конструктивно интерферируя ) для увеличения мощности, излучаемой в нужных направлениях, и нейтрализуясь ( деструктивно интерферируя ) для уменьшения мощности, излучаемой в других направлениях. Аналогичным образом, при использовании для приема отдельные радиочастотные токи от отдельных антенн объединяются в приемнике с правильным фазовым соотношением для усиления сигналов, принимаемых с нужных направлений, и подавления сигналов с нежелательных направлений. Более сложные антенные решетки могут иметь несколько модулей передатчика или приемника, каждый из которых подключен к отдельному антенному элементу или группе элементов.

Антенная решетка может обеспечить более высокий коэффициент усиления ( направленность ), то есть более узкий луч радиоволн, чем можно было бы достичь с помощью одного элемента. В общем, чем больше количество используемых отдельных антенных элементов, тем выше усиление и уже луч. Некоторые антенные решетки (например, военные радары с фазированной решеткой ) состоят из тысяч отдельных антенн. Массивы можно использовать для достижения более высокого усиления, для обеспечения разнесения путей (также называемого MIMO ) ^[1] , что повышает надежность связи, для подавления помех с определенных направлений, для электронного управления радиолучом в разных направлениях, а также для радиопеленгации. (РДФ). ^[2]

Термин «антенная решетка» чаще всего означает управляемую решетку , состоящую из нескольких идентичных возбуждаемых элементов , подключенных к приемнику или передатчику. Паразитный массив состоит из одного приводного элемента, подключенного к линии питания, и других элементов, которые не подключены к линии питания, и называются паразитными элементами . Обычно это другое название антенны Яги-Уда .

Фазированная решетка обычно означает решетку с электронным сканированием ; управляемая антенная решетка, в которой каждый отдельный элемент подключен к передатчику или приемнику через фазовращатель, управляемый компьютером. Луч радиоволн можно направить с помощью электроники, чтобы мгновенно направить его в любом направлении под широким углом, не перемещая антенны. Однако термин «фазированная решетка» иногда используется для обозначения обычной антенной решетки. ^[2]

Принцип

Согласно критерию Рэлея , направленность антенны, угловая ширина излучаемого ею луча радиоволн, пропорциональна длине волны радиоволн, деленной на ширину антенны. Небольшие антенны размером около одной длины волны, такие как четвертьволновые монополи и полуволновые диполи , не имеют большой направленности ( усиления ); это всенаправленные антенны , излучающие радиоволны под широким углом. Чтобы создать направленную антенну ( антенну с высоким коэффициентом усиления ), излучающую радиоволны узким лучом, можно использовать два общих метода:

Один из методов заключается в использовании отражения от больших металлических поверхностей, таких как параболические отражатели или рупоры , или преломления диэлектрическими линзами для изменения направления радиоволн и фокусировки радиоволн от одной антенны с низким коэффициентом усиления в луч. Этот тип называется апертурной антенной . Параболическая антенна является примером антенны этого типа.

Второй метод заключается в использовании нескольких антенн, которые питаются от одного и того же передатчика или приемника; это называется антенной решеткой или антенной решеткой. Если токи подаются на антенны с правильной фазой , из-за явления интерференции сферические волны от отдельных антенн объединяются (накладываются) перед решеткой, создавая плоские волны , луч радиоволн, движущийся в определенном направлении. . В направлениях, в которых волны от отдельных антенн приходят в фазе , волны складываются ( конструктивная интерференция ), увеличивая излучаемую мощность. В направлениях, в которых отдельные волны приходят не по фазе , при этом пик одной волны совпадает с впадиной другой, волны гасятся ( деструктивная интерференция ), уменьшая мощность, излучаемую в этом направлении. Аналогично, при приеме колебательные токи, принимаемые отдельными антеннами от радиоволн, принятых с нужных направлений, находятся в фазе и при объединении в приемнике усиливают друг друга, тогда как токи от радиоволн, принятых с других направлений, противофазны и при объединении в получатель аннулирует друг друга.

Диаграмма направленности такой антенны состоит из сильного луча в одном направлении, главного лепестка , плюс серии более слабых лучей под разными углами, называемых боковыми лепестками , обычно представляющих остаточное излучение в нежелательных направлениях. Чем больше ширина антенны и чем больше количество компонентных антенных элементов, тем уже главный лепесток и тем выше коэффициент усиления, которого можно достичь, и тем меньше будут боковые лепестки.

Решетки, в которых элементы антенны запитаны синфазно, представляют собой широкополосные решетки; основной лепесток излучается перпендикулярно плоскости элементов.

Самые большие антенные решетки — это радиоинтерферометры, используемые в области радиоастрономии , в которых несколько радиотелескопов , состоящих из больших параболических антенн , соединены вместе в антенную решетку для достижения более высокого разрешения. Используя метод, называемый синтезом апертуры, такая решетка может иметь разрешение антенны с диаметром, равным расстоянию между антеннами. С помощью метода, называемого интерферометрией со сверхдлинной базой (VLBI), антенны на разных континентах были связаны, образуя «решетчатые антенны» размером в тысячи миль.

• 
  Коллинеарная решетка ОВЧ из свернутых диполей
• 
  Секторные антенны (белые полосы) на вышке сотовой связи . Коллинеарные дипольные решетки, излучающие плоский веерообразный луч.
• 
  Отражательная решётка антенны радара SCR-270, использовавшаяся во время Второй мировой войны, с частотой 108 МГц состоит из 32 полуволновых дипольных антенн перед отражающим экраном.
• 
  Радиолокационная антенна с фазированной решеткой 420–450 МГц ВВС США PAVE PAWS для обнаружения баллистических ракет, Аляска. Каждая из двух круглых решеток состоит из 2677 скрещенных дипольных антенн.
• 
  Некоторые из элементов скрещенного диполя в фазированной антенной решетке PAVE PAWS, слева.
• 
  Антенна телевизионного вещания УКВ типа Batwing
• 
  Антенна FM-радиовещания со скрещенным диполем
• 
  Коротковолновая передающая антенна с занавесочной решеткой , Австрия. Проволочные диполи, подвешенные между башнями
• 
  Антенная решетка турникета , используемая для спутниковой связи
• 
  Плоская микрополосковая антенна для приема спутникового телевидения .
• 
  The Very Large Array , радиотелескоп , состоящий из Y-образной решетки из 27 параболических антенн в Сокорро, Нью-Мексико.
• 
  HAARP , фазированная решетка из 180 скрещенных диполей на Аляске, которая может передавать луч радиоволн мощностью 3,6 МВт и частотой 3–10 МГц в ионосферу для исследовательских целей.
• 
  Решетка из четырех спиральных антенн , используемых в качестве антенны слежения за спутниками, Племер-Боду , Франция.

Типы

Большинство антенных решеток можно разделить на два класса в зависимости от того, как ось компонентных антенн связана с направлением излучения.

• Широкая решетка — это одно- или двумерная решетка, в которой направление излучения ( основной лепесток ) радиоволн перпендикулярно плоскости антенн. Чтобы излучать перпендикулярно, антенны должны питаться синфазно.
• Решетка Endfire представляет собой линейную решетку, в которой направление излучения совпадает с линией антенн. Антенны должны быть запитаны с разностью фаз, равной разносу соседних антенн.

Существуют также решетки (например, фазированные решетки ), которые не принадлежат ни к одной из этих категорий, в которых направление излучения находится под другим углом к ​​оси антенны.

Решеточные антенны также можно разделить на категории по расположению элементных антенн:

• Управляемая решетка – это массив, в котором все отдельные компонентные антенны являются «управляемыми» – подключены к передатчику или приемнику. Отдельные антенны, которые обычно идентичны, часто состоят из отдельных возбуждаемых элементов , таких как полуволновые диполи , но также могут быть составными антеннами, такими как антенны Яги или турникетные антенны .
  • Коллинеарная решетка - широкая решетка, состоящая из нескольких одинаковых дипольных антенн, ориентированных вертикально в линию. Это всенаправленная антенна с высоким коэффициентом усиления , часто используемая в диапазоне УКВ в качестве радиовещательных антенн для телевизионных станций и антенн базовых станций для наземных мобильных радиостанций двусторонней связи .
    • Супертурникет или решетка Batwing - специализированная вертикальная антенна, используемая для телевизионного вещания, состоящая из нескольких скрещенных дипольных антенн, установленных коллинеарно на мачте. Всенаправленная диаграмма направленности с высоким коэффициентом усиления и широкой полосой пропускания.
  • Планарный массив– плоская двумерная решетка антенн. Поскольку массив всенаправленных антенн излучает два луча, разнесенных на 180°, по обеим сторонам антенны, он обычно либо устанавливается перед плоским отражателем, либо состоит из направленных антенн, таких как антенны Яги или спиральные антенны, для получения однонаправленного луча. .
  • Отражательная решетка - плоская решетка антенн, часто полуволновые диполи, питаемые синфазно, перед плоским отражателем, например металлической пластиной или проволочным экраном. Он излучает один луч радиоволн перпендикулярно (широкой стороне) решетке. Используются в качестве телевизионных антенн УВЧ и радиолокационных антенн.
    • Занавесная решетка - наружная проводная коротковолновая передающая антенна, состоящая из плоской решетки проволочных диполей, подвешенной перед вертикальным отражателем, выполненным из «завесы» из параллельных проводов. Используется в КВ-диапазоне в качестве передающей антенны на большие расстояния для коротковолновых радиовещательных станций. Может управляться как фазированная решетка.
    • Микрополосковая антенна – массив патч-антенн , изготовленных на печатной плате с медной фольгой на обратной стороне, выполняющей функцию отражателя. Питание элементов осуществляется через полосковые линии из медной фольги. Используются в качестве приемных антенн УВЧ и спутникового телевидения.

  • 

    Анимация, показывающая, как работает фазированная решетка.

    Фазированная решетка или решетка с электронным сканированием - плоская решетка, в которой луч можно направлять электронным способом так, чтобы он был направлен в любом направлении под широким углом перед решеткой, без физического перемещения антенны. Ток от передатчика подается на каждую компонентную антенну через фазовращатель , управляемый компьютером. Изменяя относительную фазу питающих токов, луч можно мгновенно направить в разные стороны. Этот метод, широко используемый в военных радарах, быстро распространяется и в гражданских целях.
    • Пассивная решетка с электронным сканированием (PESA) – описанная выше фазированная решетка, в которой элементы антенны питаются от одного передатчика или приемника через фазовращатели.
    • Активная решетка с электронным сканированием (AESA) – фазированная решетка, в которой каждый антенный элемент имеет свой собственный модуль передатчика и/или приемника, управляемый центральным компьютером. Эта технология фазированных решеток второго поколения может излучать несколько лучей на нескольких частотах одновременно и в основном используется в сложных военных радарах.
  • Конформная решетка – двумерная фазированная решетка, которая не является плоской, а соответствует некоторой искривленной поверхности. Отдельные элементы приводятся в движение фазовращателями , которые компенсируют изменяющуюся длину пути, позволяя антенне излучать плоский волновой луч. Конформные антенны часто интегрируются в изогнутую обшивку самолетов и ракет для уменьшения аэродинамического сопротивления.
  • Интеллектуальная антенна , реконфигурируемая антенна или адаптивная решетка — приемная решетка, которая оценивает направление прихода радиоволн и электронно оптимизирует диаграмму направленности для ее приема, синтезируя основной лепесток в этом направлении. ^[3] Подобно фазированной решетке, она состоит из множества одинаковых элементов с фазовращателями в линиях питания, управляемых компьютером.
• Логопериодическая дипольная решетка (LPDA) - решетка с концевым лучом, состоящая из множества элементов с дипольным приводом в линии с постепенно увеличивающейся длиной. Она действует как широкополосная антенна с высоким коэффициентом усиления. Используются в качестве приемных телевизионных антенн и для коротковолновой связи.

• 

  Телевизионная антенна на крыше , паразитная решетка торцевого огня, состоящая из комбинации антенны Яги и логопериодической антенны.

  Паразитная решетка . Это решетка, состоящая из нескольких антенных элементов, в линии из которых только один, управляемый элемент , подключен к передатчику или приемнику, а другие элементы, называемые паразитными элементами , - нет. Паразитные элементы действуют как резонаторы , поглощая радиоволны от ведомого элемента и переизлучая их с другой фазой, чтобы изменить диаграмму направленности антенны, увеличивая мощность, излучаемую в нужном направлении. Поскольку они имеют только один управляемый элемент, их часто называют «антеннами», а не «решетками».
  • Антенна Яги-Уда или антенна Яги - эта решетка торцевого огня состоит из нескольких полуволновых дипольных элементов в линии. Он состоит из одного ведомого элемента с множеством паразитных элементов «директора» в направлении излучения и обычно одного паразитного элемента «отражателя» позади него. Они широко используются в диапазонах HF , VHF и UHF в качестве телевизионных антенн, коротковолновых антенн связи и в радиолокационных решетках.
  • Счетверенная антенна . Состоит из нескольких рамочных антенн в линии, одна из которых является управляемой, а остальные паразитными. Функционирует аналогично антенне Яги.

Периодические массивы

Рассмотрим линейный массив, элементы которого расположены вдоль оси x ортогональной декартовой системы отсчета. Предполагается, что излучатели имеют одинаковую ориентацию и одинаковую поляризацию электрического поля. Исходя из этого, коэффициент массива можно записать следующим образом ^[4]

${\displaystyle F(u)=\sum _{n=1}^{N}I_{n}\,e^{jk\,x_{n}u}}$

где – количество антенных элементов, – волновое число, ( в метрах) – комплексный коэффициент возбуждения и положение n-го излучателя соответственно, где и – зенитный угол и азимутальный угол соответственно. Если расстояние между соседними элементами постоянно, то можно написать , что и массив называется периодическим. Массив периодичен как в пространстве (физически), так и по переменной . Например, если , где длина волны, то величина коэффициента массива имеет период в области , равный . Стоит подчеркнуть, что это вспомогательная переменная. Фактически с физической точки зрения значения, представляющие интерес для радиационных целей, попадают в интервал , который связан со значениями и . В этом случае интервал [-1,1] называется видимым пространством . Как будет показано далее, если определение переменной изменится, соответственно изменится и размер видимого пространства. ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle I_{n}}$ ${\displaystyle x_{n}}$ ${\displaystyle u=\sin \theta \cos \phi }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle x_{n+1}-x_{n}=d}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle d=\lambda /2}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle [-1,1]}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle u}$

Теперь предположим, что коэффициенты возбуждения являются положительными действительными переменными. В этом случае, всегда в области , величина коэффициента массива имеет главный лепесток с максимальным значением при , называемый главным лепестком , несколько вторичных лепестков ниже основного лепестка, называемых боковыми лепестками , и копии основного лепестка, называемые решетчатыми лепестками . Решетчатые лепестки являются источником недостатков как при передаче, так и при приеме. Фактически при передаче они могут приводить к излучению в нежелательных направлениях, тогда как при приеме они могут быть источником неоднозначности, поскольку полезный сигнал, попадающий в область главного лепестка, может быть сильно нарушен другими сигналами (нежелательными мешающими сигналами), попадающими в области различных лепестков решетки. Поэтому в периодических решетках расстояние между соседними излучателями не должно превышать определенного значения, чтобы предотвратить появление лепестков решетки (в видимом пространстве) расстояние между соседними излучателями не должно превышать определенного значения. Например, как было замечено ранее, первые лепестки решетки встречаются в . Итак, в этом случае проблем нет, поскольку таким образом лепестки решетки оказываются вне интервала [-1,1]. ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle u=0}$ ${\displaystyle d=\lambda /2}$ ${\displaystyle u=\pm 2}$

Апериодические массивы

Как видно выше, при постоянном расстоянии между соседними излучателями коэффициент решетки характеризуется наличием лепестков решетки. В литературе было подробно продемонстрировано, что для устранения периодичности фактора решетки необходимо сделать геометрию той же решетки апериодической. ^[5] На положения излучателей можно воздействовать так, чтобы эти положения были несоизмеримы друг с другом. Было разработано несколько методов синтеза массивов, в которых позиции также представляют дополнительные степени свободы (неизвестные). Существуют как детерминистические ^[6] , так и вероятностные ^{[7] [8]} методологии. Поскольку вероятностная теория апериодических решеток является достаточно систематизированной теорией, имеющей прочную общую методологическую основу, остановимся сначала на описании ее особенностей.

Предположим, что позиции излучателей являются независимыми и одинаково распределенными случайными величинами, носитель которых совпадает со всей апертурой решетки. Следовательно, фактор массива представляет собой случайный процесс, среднее значение которого имеет следующий вид ^[7] ${\displaystyle \{x_{n}\}_{n=1}^{N}}$

${\displaystyle E\left[F(u)\right]=\textstyle \int \limits _{-L/2}^{L/2}f(x)\,e^{jkxu}\,dx}$

Проектирование антенных решеток

В антенной решетке, обеспечивающей фиксированную диаграмму направленности, можно считать, что питающая сеть является частью антенной решетки. Таким образом, антенная решетка имеет один порт. Можно формировать узкие лучи при условии соответствующей фазировки каждого элемента решетки. Если, кроме того, правильно выбрана амплитуда возбуждения, принимаемого каждым элементом (во время излучения), можно синтезировать однопортовую решетку, диаграмму направленности которой близко приближает к заданной диаграмме направленности. ^[4] Для синтеза шаблонов массивов было разработано множество методов. Дополнительные вопросы, которые необходимо учитывать, - это согласование, эффективность излучения и полоса пропускания.

Конструкция антенной решетки с электронным управлением отличается, поскольку можно изменять фазировку каждого элемента и, возможно, также относительную амплитуду для каждого элемента. Здесь антенная решетка имеет несколько портов, поэтому вопросы согласования и эффективности более сложны, чем в случае с одним портом. Более того, согласование и эффективность зависят от возбуждения, за исключением случаев, когда взаимодействием между антеннами можно пренебречь.

Антенная решетка, используемая для пространственного разнесения и/или пространственного мультиплексирования (которые представляют собой разные типы радиосвязи MIMO), всегда имеет несколько портов. ^[9] Он предназначен для приема независимых возбуждений во время излучения и доставки более или менее независимых сигналов во время приема. Здесь также затрагиваются вопросы согласования и эффективности, особенно в случае антенной решетки мобильного устройства (см. главу 10 работы ^[9] ), поскольку в этом случае окружение антенной решетки влияет на ее поведение. , и меняются с течением времени. Подходящие метрики согласования и метрики эффективности учитывают наихудшие возможные возбуждения. ^[10]

Смотрите также

• Общий коэффициент активного отражения

Рекомендации

1. Пул, Ян (2016). «Что такое MIMO? Учебное пособие по множественному вводу и множественному выводу». Антенны и распространение . Radio-electronics.com (Adrio Communications . Проверено 23 февраля 2017 г. ).
2. Бевелаква, Питер (2016). «Решётчатые антенны». Antenna-theory.com . Проверено 23 февраля 2017 г.
3. Пул, Ян (2016). «Учебное пособие по умным антеннам». Антенны и распространение . Radio-electronics.com (Adrio Communications) . Проверено 23 февраля 2017 г.
4. Коллин, Роберт Э. (1985). Антенны и распространение радиоволн . МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-011808-6.
5. Стейнберг, Б. (1972). «Пик бокового лепестка фазированной решетки, имеющей случайно расположенные элементы». Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 20 (2): 129–136. Бибкод : 1972ITAP...20..129S. дои : 10.1109/TAP.1972.1140162. ISSN  0096-1973.
6. Ишимару, А. (1962). «Теория неравномерно расположенных массивов». IRE Транзакции по антеннам и распространению радиоволн . 10 (6): 691–702. Бибкод : 1962ITAP...10..691I. дои : 10.1109/TAP.1962.1137952. ISSN  0096-1973.
7. Ло, Ю. (1964). «Математическая теория антенных решеток со случайно расположенными элементами». Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 12 (3): 257–268. Бибкод : 1964ITAP...12..257L. дои : 10.1109/TAP.1964.1138220. ISSN  0096-1973.
8. Скольник, М.; Шерман, Дж.; Огг, Ф. (1964). «Статистически разработанные массивы с конической плотностью». Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 12 (4): 408–417. Бибкод : 1964ITAP...12..408S. дои : 10.1109/TAP.1964.1138239. ISSN  0096-1973.
9. Сибилле, Ален; Эстгес, Клод; Занелла, Альберто (2011). MIMO: от теории к реализации . Эльзевир. ISBN 978-0-12-382194-2.
10. Бройде, Ф.; Клавелье, Э. (январь 2022 г.). «Эффективность излучения и преобразователя многопортовой антенной решетки». Исследовательские работы Excem в области электроники и электромагнетизма (4). дои : 10.5281/zenodo.5816837.