Антенная решетка

Набор из нескольких антенн, работающих вместе

Распространенный тип антенной решетки, телевизионная антенна с отражательной решеткой UHF . Этот пример состоит из восьми управляемых дипольных элементов , установленных перед проволочным экранным отражателем. X-образные диполи обеспечивают ему широкую полосу пропускания для покрытия как VHF (174–216 МГц), так и UHF (470–700 МГц) телевизионных диапазонов. Он имеет усиление 5 дБ VHF и 12 дБ UHF и отношение вперед-назад 18 дБ.

Большая плоская антенная решетка российского мобильного радара ПВО VHF «Небо-М». Она состоит из 175 сложенных дипольных антенн. Ранняя фазированная решетка , антенна излучала вертикальный веерообразный луч, который мог горизонтально перемещаться по воздушному пространству перед антенной.

Антенная решетка (или антенная решетка ) представляет собой набор из нескольких соединенных антенн , которые работают вместе как одна антенна для передачи или приема радиоволн . ^{[1] : стр.149  [2]} Отдельные антенны (называемые элементами ) обычно подключаются к одному приемнику или передатчику с помощью фидерных линий , которые подают мощность на элементы в определенном фазовом соотношении. Радиоволны, излучаемые каждой отдельной антенной, объединяются и накладываются , складываясь ( конструктивно интерферируя ) для усиления мощности, излучаемой в желаемых направлениях, и отменяя ( деструктивно интерферируя ) для уменьшения мощности, излучаемой в других направлениях. Аналогично, при использовании для приема отдельные радиочастотные токи от отдельных антенн объединяются в приемнике с правильным фазовым соотношением для усиления сигналов, полученных с желаемых направлений, и отменяя сигналы с нежелательных направлений. Более сложные антенные решетки могут иметь несколько модулей передатчика или приемника, каждый из которых подключен к отдельному элементу антенны или группе элементов.

Антенная решетка может достигать более высокого усиления ( направленности ), то есть более узкого луча радиоволн, чем может быть достигнуто одним элементом. В общем, чем больше количество отдельных используемых элементов антенны, тем выше усиление и уже луч. Некоторые антенные решетки (например, военные фазированные радары) состоят из тысяч отдельных антенн. Решетки могут использоваться для достижения более высокого усиления, для обеспечения разнесения путей (также называемого MIMO ) ^[3] , что повышает надежность связи, для устранения помех с определенных направлений, для электронного управления радиолучом в разных направлениях и для радиопеленгации (RDF). ^[4]

Термин антенная решетка чаще всего означает управляемую решетку, состоящую из нескольких идентичных управляемых элементов, все из которых подключены к приемнику или передатчику. Паразитная решетка состоит из одного управляемого элемента, подключенного к фидерной линии, и других элементов, которые не подключены, называемых паразитными элементами . Обычно это другое название антенны Yagi–Uda .

Фазированная решетка обычно означает электронно-сканируемую решетку ; управляемую антенную решетку, в которой каждый отдельный элемент подключен к передатчику или приемнику через фазовращатель, управляемый компьютером. Луч радиоволн может быть направлен электроникой, чтобы мгновенно указывать в любом направлении на широкий угол, без перемещения антенн. Однако термин «фазированная решетка» иногда используется для обозначения обычной антенной решетки. ^[4]

Принцип

Из критерия Рэлея , направленность антенны, угловая ширина пучка радиоволн, излучаемых ею, пропорциональна длине волны радиоволн, деленной на ширину антенны. Небольшие антенны размером около одной длины волны, такие как четвертьволновые монополи и полуволновые диполи , не обладают большой направленностью ( усилением ); это всенаправленные антенны , которые излучают радиоволны под большим углом. Чтобы создать направленную антенну ( антенну с высоким усилением ), которая излучает радиоволны узким лучом, можно использовать два общих метода:

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

Второй метод заключается в использовании нескольких антенн, которые питаются от одного и того же передатчика или приемника; это называется антенной решеткой или антенной решеткой. Для передающей антенны электромагнитная волна, принимаемая в любой точке, является векторной суммой электромагнитных волн от каждого из элементов антенны. Если токи подаются на антенны с правильной фазой , из-за явления интерференции сферические волны от отдельных антенн объединяются (накладываются) перед решеткой, создавая плоские волны , пучок радиоволн, распространяющийся в определенном направлении. В направлениях, в которых волны от отдельных антенн приходят в фазе , волны складываются ( конструктивная интерференция ) для увеличения излучаемой мощности. В направлениях, в которых отдельные волны приходят в противофазе , при этом пик одной волны совпадает с впадиной другой, волны гасятся ( деструктивная интерференция ), уменьшая излучаемую мощность в этом направлении. Аналогично, при приеме колебательные токи, принимаемые отдельными антеннами от радиоволн, полученных с желаемых направлений, находятся в фазе и при объединении в приемнике усиливают друг друга, в то время как токи от радиоволн, полученных с других направлений, находятся в противофазе и при объединении в приемнике гасят друг друга.

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

Решетки, в которых антенные элементы питаются синфазно, называются решетками поперечной диаграммы направленности; главный лепесток излучается перпендикулярно плоскости элементов.

Самые большие антенные решетки — это радиоинтерферометры, используемые в области радиоастрономии , в которых несколько радиотелескопов, состоящих из больших параболических антенн, связаны вместе в антенную решетку, чтобы достичь более высокого разрешения. Используя технику, называемую синтезом апертуры, такая решетка может иметь разрешение антенны с диаметром, равным расстоянию между антеннами. В технике, называемой интерферометрией со сверхдлинной базой (VLBI), тарелки на разных континентах были связаны, создавая «решетчатые антенны» размером в тысячи миль.

• 
  УКВ- коллинеарная решетка сложенных диполей
• 
  Секторные антенны (белые полосы) на вышке сотовой связи . Коллинеарные дипольные решетки, излучающие плоский веерообразный луч.
• 
  Отражательная антенная решетка 108 МГц радара SCR-270 , использовавшегося во время Второй мировой войны, состоит из 32 полуволновых дипольных антенн перед отражающим экраном.
• 
  Фазированная антенна 420–450 МГц ВВС США PAVE PAWS для обнаружения баллистических ракет, Аляска. Две кольцевые решетки состоят из 2677 скрещенных дипольных антенн.
• 
  Некоторые элементы скрещенных диполей в фазированной антенной решетке PAVE PAWS, слева
• 
  Антенна телевизионного вещания VHF Batwing
• 
  Антенна FM-радиовещания с перекрещенными диполями
• 
  Антенна-занавеска коротковолнового диапазона , Австрия. Проволочные диполи подвешены между башнями
• 
  Турникетная антенная решетка, используемая для спутниковой связи
• 
  Плоская микрополосковая антенная решетка для приема спутникового телевидения .
• 
  Very Large Array , радиотелескоп, состоящий из Y-образной решетки из 27 антенн-тарелок в Сокорро, Нью-Мексико.
• 
  HAARP — фазированная антенная решетка из 180 скрещенных диполей на Аляске, которая может передавать в ионосферу луч радиоволн мощностью 3,6 МВт с частотой 3–10 МГц для исследовательских целей.
• 
  Решетка из четырех спиральных антенн, используемых в качестве антенны слежения за спутниками, Плёмёр-Боду , Франция

Типы

Большинство антенных решеток можно разделить на два класса в зависимости от того, как ось компонентной антенны соотносится с направлением излучения.

• Широкополосная антенная решетка — это одно- или двумерная антенная решетка, в которой направление излучения ( главный лепесток ) радиоволн перпендикулярно плоскости антенн. Для перпендикулярного излучения антенны должны быть запитаны в фазе.
• Концевая антенная решетка — это линейная решетка, в которой направление излучения совпадает с направлением антенн. Антенны должны питаться с разностью фаз, равной разносу соседних антенн.

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

Решетчатые антенны также можно классифицировать по способу расположения элементов антенны:

• Управляемая решетка – Это решетка, в которой все отдельные компонентные антенны «управляемы» – подключены к передатчику или приемнику. Отдельные антенны, которые обычно идентичны, часто состоят из отдельных управляемых элементов , таких как полуволновые диполи , но также могут быть составными антеннами, такими как антенны Yagi или турникетные антенны .
  • Коллинеарная решетка – решетка, состоящая из нескольких одинаковых дипольных антенн, ориентированных вертикально в линию. Это всенаправленная антенна с высоким коэффициентом усиления , часто используемая в диапазоне VHF в качестве вещательных 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.
  • Плоский массив– плоская двумерная решетка антенн. Поскольку решетка всенаправленных антенн излучает два луча на 180° в поперечном направлении с обеих сторон антенны, ее обычно устанавливают перед плоским отражателем или составляют из направленных антенн, таких как антенны типа «волновой канал» или спиральные антенны, чтобы получить однонаправленный луч.
  • Отражательная решетка – плоская решетка антенн, часто полуволновых диполей, питаемых в фазе, перед плоским отражателем, таким как металлическая пластина или проволочный экран. Она излучает одиночный луч радиоволн, перпендикулярный (поперечный) решетке. Используется в качестве телевизионных антенн УВЧ и радиолокационных антенн.
    • Curtain array – наружная проволочная коротковолновая передающая антенна, состоящая из плоской решетки проволочных диполей, подвешенных перед вертикальным рефлектором, выполненным из «занавеса» из параллельных проводов. Используется в диапазоне КВ как передающая антенна дальнего действия для коротковолновых вещательных станций. Может управляться как фазированная решетка.
    • Микрополосковая антенна – решетка патч-антенн, изготовленная на печатной плате с медной фольгой на обратной стороне, выполняющей функцию отражателя. Элементы питаются через полосковые линии из медной фольги. Используется в качестве приемных антенн для УВЧ и спутникового телевидения.

  • 

    Анимация, демонстрирующая работу фазированной решетки.

    Фазированная решетка или электронно-сканируемая решетка — плоская решетка, в которой луч может быть направлен электронным способом в любом направлении в широком угле перед решеткой, без физического перемещения антенны. Ток от передатчика подается на каждую компонентную антенну через фазовращатель , управляемый компьютером. Изменяя относительную фазу токов питания, луч может быть мгновенно направлен в разных направлениях. Широко используемый в военных радарах, этот метод быстро распространяется на гражданские приложения.
    • Пассивная электронно-сканирующая решетка (PESA) — фазированная решетка, описанная выше, в которой элементы антенны питаются от одного передатчика или приемника через фазовращатели.
    • Активная электронно-сканирующая решетка (АЭСА) – фазированная решетка, в которой каждый элемент антенны имеет свой собственный модуль передатчика и/или приемника, управляемый центральным компьютером. Эта технология фазированной решетки 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 плоская, а соответствует некоторой изогнутой поверхности. Отдельные элементы приводятся в действие фазовращателями, которые компенсируют изменяющуюся длину пути, позволяя антенне излучать плоский волновой луч. Конформные антенны часто интегрируются в изогнутую обшивку самолетов и ракет, чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление.
  • Интеллектуальная антенна , реконфигурируемая антенна или адаптивная решетка — приемная решетка, которая оценивает направление прибытия радиоволн и электронным способом оптимизирует диаграмму направленности для ее адаптивного приема, синтезируя главный лепесток в этом направлении. ^[5] Как и фазированная решетка, она состоит из нескольких идентичных элементов с фазовращателями в линиях подачи, управляемых компьютером.
• Лог-периодическая дипольная решетка (LPDA) – торцевая решетка, состоящая из множества дипольных управляемых элементов в линии с постепенно увеличивающейся длиной. Она действует как широкополосная антенна с высоким коэффициентом усиления. Используется в качестве телевизионных приемных антенн и для коротковолновой связи.

• 

  Телевизионная антенна на крыше , паразитная решетка с продольным излучением, состоящая из комбинации антенн типа «волновой канал» и логопериодической антенны.

  Паразитарная решетка – это торцевая решетка, состоящая из нескольких антенных элементов в линию, из которых только один, ведомый элемент , подключен к передатчику или приемнику, в то время как другие элементы, называемые паразитными элементами , не подключены. Паразитные элементы функционируют как резонаторы , поглощая радиоволны от ведомого элемента и переизлучая их с другой фазой, чтобы изменить диаграмму направленности антенны, увеличивая мощность, излучаемую в желаемом направлении. Поскольку они имеют только один ведомый элемент, их часто называют «антеннами» вместо «решеток».
  • Антенна Yagi–Uda или антенна Yagi – эта решетка с торцевым расположением состоит из нескольких полуволновых дипольных элементов в линии. Она состоит из одного ведомого элемента с несколькими паразитными элементами «директора» в направлении излучения и обычно одного паразитного элемента «рефлектора» за ним. Они широко используются в диапазонах HF , VHF и UHF в качестве телевизионных антенн, антенн коротковолновой связи и в радарных решетках.
  • Квадратная антенна – состоит из нескольких рамочных антенн в линию, одна из которых ведомая, а остальные – паразитные. Функционирует аналогично антенне Yagi.

Периодические Массивы

Рассмотрим линейную решетку, элементы которой расположены вдоль оси x ортогональной декартовой системы отсчета. Предполагается, что излучатели имеют одинаковую ориентацию и одинаковую поляризацию электрического поля. Исходя из этого, коэффициент решетки можно записать следующим образом ^[6]

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

где — число элементов антенны, — волновое число, а (в метрах) — комплексный коэффициент возбуждения и положение n-го излучателя, соответственно, , причем и — зенитный угол и азимутальный угол соответственно. Если расстояние между соседними элементами постоянно, то можно записать, что , и говорят, что решетка является периодической. Решетка является периодической как пространственно (физически), так и по переменной . Например, если , причем — длина волны, то величина фактора решетки имеет период в области , равный . Стоит подчеркнуть, что — 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 показано далее, если определение переменной изменяется, соответственно изменяется и протяженность 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 фактора решетки имеет главный лепесток с максимальным значением при , называемый главным лепестком , несколько вторичных лепестков ниже главного лепестка, называемых боковыми лепестками и репликами главного лепестка, называемыми 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, в то время как при приеме они могут быть источником неоднозначности, поскольку полезный сигнал, поступающий в область главного лепестка, может быть сильно искажен другими сигналами (нежелательными помехами), поступающими в области различных лепестков решетки. Следовательно, в периодических решетках расстояние между соседними излучателями не должно превышать определенного значения, чтобы предотвратить появление лепестков решетки (в видимом пространстве) в видимом пространстве ), расстояние между соседними излучателями не должно превышать определенного значения. Например, как было показано ранее, первые лепестки решетки для возникают в . Итак, в данном случае проблем не возникает, 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 из вышеизложенного, когда расстояние между соседними излучателями постоянно, фактор решетки характеризуется наличием лепестков решетки. В литературе было достаточно продемонстрировано, что для разрушения периодичности фактора решетки, та же геометрия решетки должна быть также сделана апериодической. ^[7] Можно воздействовать на позиции излучателей так, чтобы эти позиции не были соизмеримы друг с другом. Было разработано несколько методов синтеза решеток, в которых позиции также представляют дополнительные степени свободы (неизвестные). Существуют как детерминированные ^[8] , так и вероятностные ^{[9] [10]} методологии. Поскольку вероятностная теория апериодических решеток является достаточно систематизированной теорией с сильной общей методологической основой, давайте сначала сосредоточимся на описании ее особенностей.

Предположим, что положения излучателей, , являются независимыми и одинаково распределенными случайными величинами, носитель которых совпадает со всей апертурой решетки. Следовательно, фактор решетки является стохастическим процессом, среднее значение которого равно ^[9] ${\displaystyle \{x_{n}\}_{n=1}^{N}}$

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

Проектирование антенных решеток

В антенной решетке, обеспечивающей фиксированную диаграмму направленности, мы можем считать, что питающая сеть является частью антенной решетки. Таким образом, антенная решетка имеет один порт. Узкие лучи могут быть сформированы при условии, что фазировка каждого элемента решетки является подходящей. Если, кроме того, амплитуда возбуждения, принимаемая каждым элементом (во время излучения), также хорошо выбрана, можно синтезировать однопортовую решетку, имеющую диаграмму направленности, которая близко приближается к заданной диаграмме. ^[6] Было разработано много методов для синтеза диаграммы направленности решетки. Дополнительные вопросы, которые следует рассмотреть, - это согласование, эффективность излучения и полоса пропускания.

Конструкция электронно-управляемой антенной решетки отличается, поскольку фазировка каждого элемента может быть изменена, а также, возможно, и относительная амплитуда 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 взаимодействие между антеннами можно игнорировать.

Антенная решетка, используемая для пространственного разнесения и/или пространственного мультиплексирования (которые являются различными типами радиосвязи MIMO), всегда имеет несколько портов. ^[11] Она предназначена для приема независимых возбуждений во время излучения и для 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 ^[11] ), поскольку в этом случае окружение антенной решетки влияет на ее поведение и меняется со временем. Подходящие метрики согласования и метрики эффективности учитывают наихудшие возможные возбуждения. ^[12]

Смотрите также

• Коэффициент полного активного отражения

Ссылки

1. Карр, Джозеф; Хипписли, Джордж (2012). Практический справочник по антеннам, 5-е изд. McGraw-Hill. ISBN 9780071639590.
2. Граф, Рудольф Ф., ред. (1999). "Антенна". Современный словарь электроники. Newnes. стр. 29. ISBN 978-0750698665. uah1PkxWeKYC.
3. Пул, Ян (2016). «Что такое MIMO? Учебное пособие по множественным входам и множественным выходам». Антенны и распространение . Radio-electronics.com (Adrio Communications . Получено 23 февраля 2017 г. ).
4. Bevelacqua, Peter (2016). "Array Antennas". Antenna-theory.com . Получено 23 февраля 2017 г. .
5. Пул, Ян (2016). "Учебное пособие по интеллектуальным антеннам". Антенны и распространение радиоволн . Radio-electronics.com (Adrio Communications) . Получено 23 февраля 2017 г.
6. Collin, Robert E. (1985). Антенны и распространение радиоволн . McGraw-Hill. ISBN 0-07-011808-6.
7. Steinberg, B. (1972). "Пиковый боковой лепесток фазированной решетки с произвольно расположенными элементами". IEEE Transactions on Antennas and Propagation . 20 (2): 129–136. Bibcode : 1972ITAP...20..129S. doi : 10.1109/TAP.1972.1140162. ISSN  0096-1973.
8. Ишимару, А. (1962). «Теория неравномерно разнесенных решеток». Труды IRE по антеннам и распространению радиоволн . 10 (6): 691–702. Bibcode : 1962ITAP...10..691I. doi : 10.1109/TAP.1962.1137952. ISSN  0096-1973.
9. Lo, Y. (1964). "Математическая теория антенных решеток с произвольно расположенными элементами". IEEE Transactions on Antennas and Propagation . 12 (3): 257–268. Bibcode : 1964ITAP...12..257L. doi : 10.1109/TAP.1964.1138220. ISSN  0096-1973.
10. Скольник, М.; Шерман, Дж.; Огг, Ф. (1964). «Статистически спроектированные плотностно-конические решетки». Труды IEEE по антеннам и распространению . 12 (4): 408–417. Bibcode : 1964ITAP...12..408S. doi : 10.1109/TAP.1964.1138239. ISSN  0096-1973.
11. Сибилле, Ален; Эстгес, Клод; Занелла, Альберто (2011). MIMO: от теории к реализации . Эльзевир. ISBN 978-0-12-382194-2.
12. Бройде, Ф.; Клавелье, Э. (январь 2022 г.). «Эффективность излучения и преобразователя многопортовой антенной решетки». Excem Research Papers in Electronics and Electromagnetics (4). doi :10.5281/zenodo.5816837.