Рефлекторная антенна
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 обычно большие и напоминают рекламный щит на шоссе , поэтому их иногда называют антеннами для рекламных щитов . Другие названия — массив пружин. [1] и решетку-бабочку в зависимости от типа элементов, составляющих антенну. представляет Занавесная решетка 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.
Основные понятия
[ редактировать ]Радиосигналы
[ редактировать ]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 .
Фазировка массива
[ редактировать ]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 одной и той же фазой, обычно в тракт сигнала вставляют дополнительный провод передачи или линию передачи перекрещивают, чтобы изменить фазу, если разница превышает 1/2 волны длины .
Отражатели
[ редактировать ]Усиление можно дополнительно улучшить за счет добавления отражателя . Обычно любой проводник в плоском листе будет вести себя зеркально для радиосигналов, но это справедливо и для несплошных поверхностей, если зазоры между проводниками меньше примерно 1/10 длины волны целевой . [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 требуется размещение отражателя в 1/4 как телевизионные длины волны позади элементов, и это можно увидеть во многих распространенных решетках отражателей, таких 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 частей 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]
Лимиты усиления
[ редактировать ]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 итоге 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 четырьмя отсеками имеют коэффициент усиления от 10 до 12 дБ. [5] а конструкции с 8 отсеками могут увеличить этот показатель до 12–16 дБ. [6] 32-элементный SCR-270 имел усиление 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 версии для использования на микроволновых выпускаются частотах с элементами патч-антенны, установленными перед металлической поверхностью. [8]
Диаграмма направленности и управление лучом
[ редактировать ]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 электронным способом 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.
См. также
[ редактировать ]- Mars Cube One (конструкция космического корабля 2018 года с отражающей антенной решеткой)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ ВМС США (сентябрь 1998 г.). NAVEDTRA 14183 — Серия учебных курсов по электротехнике и электронике ВМФ . Том. Модуль 11 – Принципы работы микроволновой печи. Лулу Пресс. п. 236. ИСБН 1-329-66770-0 .
- ^ «Влияние верхних слоев атмосферы Земли на радиосигналы» . НАСА .
- ^ Раут, С. (июль 2014 г.). «Широкополосная печатная антенная решетка для мониторинга спектра». 2014 Международный симпозиум Общества антенн и распространения сигналов IEEE (APSURSI) . стр. 235–236. дои : 10.1109/APS.2014.6904449 . ISBN 978-1-4799-3540-6 . S2CID 42085218 .
- ^ «Антенны со стандартным усилением» .
- ^ «УЛЬТРАтенна 60» . Мастер канала .
- ^ «ЭКСТРЕМАТЕННА 80» . Мастер канала .
- ^ Берроуз, Чес. Р. (22 октября 2013 г.). Распространение радиоволн . Академическая пресса. п. 460. ИСБН 978-1-4832-5854-6 .
- ^ Хуанг, Джон. Рефлекторные антенны .
В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).
