В телекоммуникациях и радиолокации отражающая антенная решетка представляет собой класс направленных антенн , в которых несколько приводных элементов устанавливаются перед плоской поверхностью, предназначенной для отражения радиоволн в желаемом направлении. Они представляют собой тип антенной решетки . Они часто используются в диапазонах частот ОВЧ и УВЧ . УКВ-антенны, как правило, большие и напоминают рекламный щит на шоссе , поэтому их иногда называют антеннами для рекламных щитов . Другие названия — пружинная решетка [1] и решетка-бабочка в зависимости от типа элементов, составляющих антенну. Занавесная решетка представляет собой увеличенную версию, используемую коротковолновыми радиовещательными станциями.
Антенны с отражательной решеткой обычно имеют ряд идентичных возбуждаемых элементов, питаемых синфазно , перед плоской, электрически большой отражающей поверхностью для создания однонаправленного луча радиоволн, увеличения усиления антенны и уменьшения излучения в нежелательных направлениях. Чем больше количество используемых элементов, тем выше выигрыш; чем уже луч и тем меньше боковые лепестки . Отдельные элементы чаще всего представляют собой полуволновые диполи , хотя иногда они содержат паразитные элементы, а также ведомые элементы. Отражатель может представлять собой металлический лист или, чаще, проволочный экран. Металлический экран отражает радиоволны так же, как твердый металлический лист, если 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 проволок или стержней, ориентированных параллельно оси дипольных элементов.
Управляемые элементы питаются от сети линий передачи , которые равномерно распределяют мощность от источника ВЧ между элементами. Это часто имеет геометрию схемы в виде 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 движения по проводнику. Основная цель конструкции антенны — добиться максимального суммирования токов в точке отвода энергии. Для этого размеры антенных элементов подбираются в зависимости от длины волны радиосигнала с целью создания стоячих волн тока, которые максимальны в точке питания.
Это означает, что антенна, предназначенная для приема определенной длины волны, имеет естественный размер. Чтобы улучшить прием, нельзя просто увеличить антенну; это улучшит количество сигнала, перехватываемого антенной, что во многом 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 .
Чтобы сигналы складывались, они должны поступать синфазно . Рассмотрим две дипольные антенны , расположенные в линию встык или коллинеарно . Если результирующий массив направлен непосредственно на источник сигнала, оба диполя будут видеть один и тот же мгновенный сигнал, и, следовательно, их прием будет синфазным. Однако если повернуть антенну так, чтобы она находилась под углом к сигналу, дополнительный путь от сигнала до более удаленного диполя означает, что он принимает сигнал немного не по фазе. Когда два сигнала затем суммируются, они больше не усиливают друг друга строго, и выходной сигнал падает. Это делает решетку более чувствительной по горизонтали, а параллельное расположение диполей сужает диаграмму направленности по вертикали. Это позволяет разработчику адаптировать схему приема и, следовательно, усиление , перемещая элементы.
Если антенна правильно ориентирована на сигнал, в любой момент времени все элементы массива будут получать один и тот же сигнал и находиться в синфазности. Однако выходной сигнал каждого элемента должен быть собран в одной точке питания, и по мере того, как сигналы проходят через антенну к этой точке, их фаза меняется. В массиве из двух элементов это не проблема, поскольку точку подачи можно разместить между ними; любой фазовый сдвиг, имеющий место в линиях передачи, одинаков для обоих элементов. Однако, если распространить это на массив из четырех элементов, этот подход больше не работает, поскольку сигнал от внешней пары должен пройти дальше и, таким образом, будет иметь другую фазу, чем внутренняя пара, когда он достигнет центра. Чтобы гарантировать, что все они приходят с одинаковой фазой, обычно в тракт сигнала вставляют дополнительный провод передачи или линию передачи перекрещивают, чтобы изменить фазу, если разница превышает 1 ⁄ 2 длины волны.
Усиление можно дополнительно улучшить за счет добавления отражателя . Обычно любой проводник в плоском листе будет действовать зеркально для радиосигналов, но это также справедливо и для прерывистых поверхностей, если зазоры между проводниками составляют менее примерно 1/10 целевой длины волны. [2] Это означает, что можно использовать проволочную сетку или даже параллельные проволоки 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 происходит изменение фазы сигнала. Чтобы отражатель добавил к выходному сигналу, он должен достичь элементов синфазно. Обычно для этого потребуется разместить отражатель на расстоянии 1/4 длины волны позади элементов, и это можно увидеть во многих распространенных решетках отражателей, таких как телевизионные антенны . Однако существует ряд факторов, которые могут изменить это расстояние, и фактическое расположение отражателя варьируется.
Преимущество отражателей также заключается в уменьшении сигнала, принимаемого с задней стороны антенны. Сигналы, полученные сзади и ретранслированные от рефлектора, не претерпели изменения фазы и не добавляются к сигналу спереди. Это значительно улучшает соотношение передней и задней части антенны, делая ее более направленной. Это может быть полезно, когда требуется более направленный сигнал или присутствуют нежелательные сигналы. Бывают случаи, когда это нежелательно, и хотя отражатели обычно встречаются в решетчатых антеннах, они не универсальны. Например, в то время как телевизионные антенны УВЧ часто используют решетку антенн с галстуком-бабочкой с отражателем, решетка с галстуком-бабочкой без отражателя является относительно распространенной конструкцией в микроволновом диапазоне. [3]
По мере добавления в массив большего количества элементов ширина луча главного лепестка антенны уменьшается, что приводит к увеличению усиления. Теоретически этому процессу нет предела. Однако по мере увеличения количества элементов возрастает сложность требуемой питающей сети, которая поддерживает синфазность сигналов. В конечном счете, растущие внутренние потери в питающей сети становятся больше, чем дополнительный выигрыш, достигаемый при использовании большего количества элементов, ограничивая максимальный выигрыш, которого можно достичь.
Усиление практических решетчатых антенн ограничено примерно 25–30 дБ. Два полуволновых элемента, разнесенных на расстоянии полуволны и четверти волны от отражающего экрана, использовались в качестве антенны со стандартным усилением с коэффициентом усиления около 9,8 дБи на расчетной частоте. [4] Обычные телевизионные антенны с 4 отсеками имеют коэффициент усиления от 10 до 12 дБ, [5] а конструкции с 8 отсеками могут увеличить этот коэффициент до 12–16 дБ. [6] 32-элементный SCR-270 имел коэффициент усиления около 19,8 дБ. [7] Были построены некоторые очень большие отражающие решетки, в частности, советские радары «Дуга» , которые имеют сотни метров в поперечнике и содержат сотни элементов. Активные антенные решетки, в которых группы элементов управляются отдельными радиочастотными усилителями, могут иметь гораздо более высокий коэффициент усиления, но они непомерно дороги.
С 1980-х годов выпускаются версии для использования на микроволновых частотах с элементами патч-антенны, установленными перед металлической поверхностью. [8]
При синфазном возбуждении диаграмма направленности отражающей решетки представляет собой один главный лепесток, перпендикулярный плоскости антенны, плюс несколько боковых лепестков , расположенных под равными углами в обе стороны. Чем больше элементов используется, тем уже главный лепесток и тем меньше мощности излучается в боковых лепестках.
Главным лепестком антенны можно управлять с помощью электроники в пределах ограниченного угла за счет фазового сдвига сигналов возбуждения, подаваемых на отдельные элементы. Каждый антенный элемент проходит через фазовращатель , которым можно управлять в цифровом виде, задерживая каждый сигнал на определенную величину. Это приводит к тому, что волновые фронты, создаваемые суперпозицией отдельных элементов, располагаются под углом к плоскости антенны. Антенны, использующие этот метод, называются фазированными решетками и часто используются в современных радиолокационных системах.
Другой вариант управления лучом — установка всей конструкции антенны на поворотной платформе и ее механическое вращение.
Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).