В телекоммуникациях и радиолокации отражательная антенная решетка — это класс направленных антенн , в которых несколько приводных элементов установлены перед плоской поверхностью, предназначенной для отражения радиоволн в желаемом направлении. Они являются типом антенной решетки . Они часто используются в диапазонах частот VHF и UHF . Примеры VHF, как правило, большие и напоминают рекламный щит на шоссе , поэтому их иногда называют антеннами на рекламных щитах . Другие названия — массив «пружина» [1] и массив «бабочка» в зависимости от типа элементов, составляющих антенну. Массив «занавес» — это более крупная версия, используемая станциями коротковолнового радиовещания.
Антенны с отражательной решеткой обычно имеют ряд идентичных управляемых элементов, подаваемых в фазе , перед плоской, электрически большой отражающей поверхностью для создания однонаправленного луча радиоволн, увеличивая усиление антенны и уменьшая излучение в нежелательных направлениях. Чем больше число используемых элементов, тем выше усиление; тем уже луч и тем меньше боковые лепестки . Отдельные элементы чаще всего представляют собой полуволновые диполи , хотя иногда они содержат паразитные элементы, а также управляемые элементы. Отражатель может быть металлическим листом или, что более распространено, проволочным экраном. Металлический экран отражает радиоволны так же хорошо, как и сплошной металлический лист, при условии, что отверстия в экране меньше примерно одной десятой длины волны, поэтому экраны часто используются для уменьшения веса и ветровых нагрузок на антенну. Обычно они состоят из решетки из параллельных проводов или стержней, ориентированных параллельно оси дипольных элементов.
Управляемые элементы питаются сетью линий передачи , которые делят мощность от источника ВЧ поровну между элементами. Это часто имеет геометрию схемы древовидной структуры.
Когда радиосигнал проходит через проводник, он индуцирует в нем электрический ток . Поскольку радиосигнал заполняет пространство, а проводник имеет конечный размер, индуцированные токи складываются или уравновешиваются по мере их движения по проводнику. Основная цель проектирования антенны — сделать так, чтобы токи складывались до максимума в точке, где отводится энергия. Для этого элементы антенны подбираются по размеру в зависимости от длины волны радиосигнала с целью создания стоячих волн тока, которые максимальны в точке подачи.
Это означает, что антенна, предназначенная для приема определенной длины волны, имеет естественный размер. Чтобы улучшить прием, нельзя просто сделать антенну больше; это увеличит количество сигнала, перехваченного антенной, что в значительной степени зависит от площади, но снизит эффективность приема (на данной длине волны). Таким образом, чтобы улучшить прием, разработчики антенн часто используют несколько элементов, объединяя их вместе, чтобы их сигналы складывались. Они известны как антенные решетки .
Для того чтобы сигналы складывались, они должны прибывать в фазе . Рассмотрим две дипольные антенны, размещенные в линию конец к концу или коллинеарно . Если полученная решетка направлена прямо на исходный сигнал, оба диполя увидят один и тот же мгновенный сигнал, и, таким образом, их прием будет синфазным. Однако, если бы кто-то повернул антенну так, чтобы она находилась под углом к сигналу, дополнительный путь от сигнала к более удаленному диполю означает, что он принимает сигнал немного не в фазе. Когда два сигнала затем складываются, они больше не усиливают друг друга строго, и выходной сигнал падает. Это делает решетку более чувствительной по горизонтали, в то время как параллельное расположение диполей сужает диаграмму направленности по вертикали. Это позволяет разработчику подгонять диаграмму направленности приема и, следовательно, усиление , перемещая элементы.
Если антенна правильно выровнена с сигналом, в любой заданный момент времени все элементы в решетке будут получать один и тот же сигнал и будут синфазны. Однако выход каждого элемента должен быть собран в одной точке подачи, и по мере того, как сигналы проходят через антенну к этой точке, их фаза меняется. В двухэлементной решетке это не проблема, поскольку точка подачи может быть размещена между ними; любой сдвиг фазы, происходящий в линиях передачи, одинаков для обоих элементов. Однако, если расширить это до четырехэлементной решетки, этот подход больше не работает, поскольку сигнал от внешней пары должен пройти большее расстояние и, таким образом, будет иметь другую фазу, чем сигнал внутренней пары, когда он достигнет центра. Чтобы гарантировать, что все они прибудут с одинаковой фазой, обычно вставляют дополнительный провод передачи в путь сигнала или пересекают линию передачи, чтобы инвертировать фазу, если разница больше 1 ⁄ длины волны.
Усиление может быть дополнительно улучшено путем добавления отражателя . Обычно любой проводник в плоском листе будет действовать подобно зеркалу для радиосигналов, но это также справедливо для прерывистых поверхностей, пока зазоры между проводниками составляют менее 1 ⁄ 10 целевой длины волны. [2] Это означает, что можно использовать проволочную сетку или даже параллельные провода или металлические стержни, что особенно полезно как для уменьшения общего количества материала, так и для снижения ветровых нагрузок.
Из-за изменения направления распространения сигнала при отражении сигнал претерпевает инверсию фазы. Для того чтобы рефлектор мог добавиться к выходному сигналу, он должен достичь элементов синфазно. Обычно для этого требуется, чтобы рефлектор был размещен на расстоянии 1 ⁄ длины волны позади элементов, и это можно увидеть во многих распространенных решетках рефлекторов, таких как телевизионные антенны . Однако существует ряд факторов, которые могут изменить это расстояние, и фактическое расположение рефлектора варьируется.
Рефлекторы также имеют преимущество в уменьшении сигнала, полученного с задней стороны антенны. Сигналы, полученные с задней стороны и ретранслированные с рефлектора, не претерпели изменения фазы и не добавляются к сигналу с передней стороны. Это значительно улучшает переднее-заднее отношение антенны, делая ее более направленной. Это может быть полезно, когда желателен более направленный сигнал или присутствуют нежелательные сигналы. Существуют случаи, когда это нежелательно, и хотя рефлекторы обычно встречаются в антенных решетках, они не универсальны. Например, в то время как телевизионные антенны УВЧ часто используют решетку антенн-бабочек с рефлектором, решетка-бабочка без рефлектора является относительно распространенной конструкцией в микроволновой области. [3]
По мере добавления большего количества элементов в решетку ширина луча главного лепестка антенны уменьшается, что приводит к увеличению усиления. Теоретически этот процесс не имеет предела. Однако по мере увеличения количества элементов увеличивается сложность требуемой сети питания, которая поддерживает синфазность сигналов. В конечном итоге растущие собственные потери в сети питания становятся больше, чем дополнительное усиление, достигаемое с большим количеством элементов, что ограничивает максимальное усиление, которого можно достичь.
Коэффициент усиления практических антенных решеток ограничен примерно 25–30 дБ. Два полуволновых элемента, разнесенных на полволны друг от друга и на четверть волны от отражающего экрана, использовались в качестве стандартной антенны с коэффициентом усиления около 9,8 дБи на ее расчетной частоте. [4] Обычные 4-секционные телевизионные антенны имеют коэффициент усиления около 10–12 дБ, [5] а 8-секционные конструкции могут увеличить его до 12–16 дБ. [6] 32-элементная SCR-270 имела коэффициент усиления около 19,8 дБ. [7] Были построены некоторые очень большие отражательные решетки, в частности советские радары «Дуга» , которые имеют сотни метров в поперечнике и содержат сотни элементов. Активные антенные решетки, в которых группы элементов приводятся в действие отдельными усилителями ВЧ, могут иметь гораздо более высокий коэффициент усиления, но они непомерно дороги.
С 1980-х годов выпускались версии для использования на микроволновых частотах с элементами патч-антенны, установленными перед металлической поверхностью. [8]
При синфазном возбуждении диаграмма направленности отражательной решетки представляет собой один главный лепесток , перпендикулярный плоскости антенны, плюс несколько боковых лепестков под равными углами к каждой стороне. Чем больше элементов используется, тем уже главный лепесток и тем меньше мощности излучается в боковых лепестках.
Главный лепесток антенны может управляться электронно в пределах ограниченного угла путем фазового сдвига сигналов возбуждения, подаваемых на отдельные элементы. Каждый элемент антенны подается через фазовращатель , который может управляться цифровым способом, задерживая каждый сигнал на последовательную величину. Это приводит к тому, что волновые фронты, созданные суперпозицией отдельных элементов, располагаются под углом к плоскости антенны. Антенны, использующие эту технику, называются фазированными решетками и часто используются в современных радиолокационных системах.
Другим вариантом управления лучом является установка всей конструкции антенны на поворотной платформе и ее механическое вращение.
В этой статье использованы материалы из Федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22. (в поддержку MIL-STD-188 ).