Теория антенных решёток

Теория антенных решёток

Теория антенных решёток

1. Методы создания эффективных антенн

Направленность действия простейшей антенны - симметричного вибратора - невысокая. Для увеличения направленности действия уже на первых этапах развития антенной техники стали применять систему вибраторов - антенные решетки. В антенных решётках элементами могут быть как слабонаправленные излучатели (металлические и щелевые вибраторы, волноводы, диэлектрические стержни, спирали и др.)

Антенная решетка (АР) - система одинаковых излучающих элементов, идентично ориентированных в пространстве и расположенных по определенному закону.

Основные требования при проектировании эффективных антенн - это высокий коэффициент усиления, равномерное излучение в азимутальной плоскости, хорошая помехозащищенность и высокий КПД.

Чтобы обладать большим коэффициентом усиления, при равномерном излучении в горизонтальной плоскости, антенна должна иметь узкую диаграмму направленности в вертикальной плоскости. Это достигается применением антенных решеток (АР), состоящих из нескольких коллинеарно расположенных излучателей, объединенных общей схемой питания. Схема питания может быть последовательной или параллельной.

Эффективность антенной системы существенно зависит от ориентации максимума излучения в вертикальной плоскости. При синфазном питании элементов решетки максимум диаграммы направленности ориентирован вдоль горизонта. Наличие фазовых ошибок приводит к расширению сектора излучения в вертикальной плоскости, смещению максимума излучения выше или ниже линии горизонта. Особенно критичны, к такого рода явлениям, антенные решетки с последовательной схемой питания, у которых синфазность элементов ограничена узкой полосой частот. Эти антенны требуют тщательной настройки в заводских условиях. Настройка антенн в диапазоне частоте по прилагаемой схеме в лучшем случае обеспечит приемлемый уровень КСВ, а не заявленный коэффициент усиления. Антенные решетки с параллельной схемой питания, в этом смысле, значительнее широкополоснее. Их диапазонные свойства ограничивают другие факторы такие, как широкополосность самих излучателей и расстояние между ними.

2 .Линейная антенная решётка (АР)

Линейная АР - простейшая АР, в которой излучающие элементы располагаются вдоль прямой, называемой осью решетки, на равных расстояниях друг от друга (эквидистантная АР). Расстояние d между фазовыми центрами излучателей называют шагом решетки.

Если фазы токов излучателей изменяются вдоль линии их размещения по линейному закону, то такие решётки называют решётками с линейным изменением фазы.

2.1 Режим нормального излучения линейной АР

При  элементы решетки возбуждаются синфазно. Максимум излучения ориентирован по нормали  к оси решетки, так как в этом направлении разность хода равна нулю и поля складываются синфазно. Это - режим нормального излучения.

В силу симметрии диаграммы относительно нормали к оси решетки ширина основного лепестка ДН по уровню нулевого излучения определится по формуле:

                                                 (1)

Ширину ДН по половинной мощности можно найти по приближенной формуле:

                                                           (2)

2.2 Режим наклонного излучения АР

В наклонном режиме (рис. 1) максимум излучения отклоняется от нормали к оси решетки, причем на такой угол, при котором разность фаз за счет разности хода для отдельных элементов компенсируется сдвигом фаз из-за несинфазности возбуждения.

В этом режиме помимо отклонения главного лепестка от нормали к оси антенны, происходит его расширение, главный лепесток приобретает ассиметрию относительно направления главного максимума и конусность. Физически расширение главного лепестка можно объяснить тем, что с направления главного максимума видна лишь проекция антенны на направление, перпендикулярное направлению главного максимума.

При возрастании  от нуля до kd направление максимума излучения отклоняется от нормали и приближается к оси решетки, т.е. отклоняется в ту же сторону, в которую происходит отставание фазы возбуждения элементов решетки (рис. 2). Эффект перемещения направления максимального излучения при изменении фазового сдвига  находит широкое практическое применение в сканирующих АР.

Рис. 1 Режимы излучения антенных решёток

Направления нулей излучения определяются из условия равенства нулю числителя, т.е.  откуда

                                                                    (3)

Ближайшим к главному максимуму направлениям нулевого излучения соответствуют углы  и  (рис 1), причем: .

В отличие от режима нормального излучения нули расположены несимметрично относительно . Ширина ДН по уровню нулевого излучения может быть определена как разность углов  и , т.е.

Направления максимумов боковых лепестков могут быть найдены из приближенного соотношения:

                                                             (4)

Относительный УБЛ определяется так же как в режиме нормального излучения.

Найдем условия, при которых отсутствуют дополнительные главные максимумы в режиме наклонного излучения. Данные максимумы возникают тогда, когда фазовый сдвиг между полями двух соседних элементов достигает 2π. В рассматриваемом случае это возможно в таких направлениях  , когда  причем знак плюс соответствует появлению вторичного главного максимума в области  а минус - в области .

Обозначим , тогда получим:

.                                                                                (5)

Во избежание появления вторичных главных максимумов необходимо, чтобы правая часть превышала (по модулю) единицу.

Если помимо отсутствия дополнительных главных максимумов необходимо, чтобы УБЛ убывал при удалении от главного лепестка, к шагу решетки предъявляется более жесткое требование

.                                                                            (6)

При приближении к kd главные лепестки слева и справа от оси решетки сливаются и суммарный главный лепесток ДН приобретает двугорбый характер (см. рис. 1). Это происходит тем быстрее, чем меньше Nd, т.е. шире главные лепестки. В данном случае термин «наклонное излучение» теряет свой смысл.

.3 Режим осевого излучения АР

При  синфазное сложение полей отдельных элементов осуществляется в направлении оси решетки, т.е. . Это режим осевого излучения. Диаграмма направленности в плоскости, проходящей через ось решетки, приобретает вид, изображенный на рис. 1. При получаем . Это означает, что ни в каком направлении поля не складываются синфазно. Однако и в этом случае максимум излучения направлен вдоль оси решетки , поскольку здесь фазовый сдвиг между полями элементов решетки минимален; во всех других, направлениях он больше. С увеличением  по сравнению с kd угол между векторами на фазовой плоскости в направлении , равный , приближается к , при котором излучение вдоль оси исчезает (критический режим). Это происходит при .

Возрастание  в интервале  сопровождается (при одинаковом Nd) сужением основного лепестка ДН и возрастанием УБЛ. В режиме осевого излучения ДН может быть рассчитана по общей формуле, причем в направлении главного максимума. Форма ДН симметрична относительно направления  (см. рис. 2).

При  основной лепесток ДН сужается (при одном и том же Nd), причем тем сильнее, чем больше . Это продолжается вплоть до ,  и излучение вперед пропадает.

Положение максимумов боковых лепестков определяется такой же формулой, как и в режиме наклонного излучения.

Отсутствие дополнительного главного максимума в режиме осевого излучения обеспечивается выполнением для шага решетки условия при подстановке соответствующего значения . Убывающий закон изменения УБЛ обеспечивается при шаге решетки в 2 раза меньше, т.е. при .

антенна волна неэквидистантный плоский

3. Оптимальная антенна бегущей волны

Антенна бегущей волны - направленная антенна, вдоль геометрической оси которой распространяется бегущая волна принимаемого сигнала. Антенна бегущей волны состоит из собирательной линии, к которой подключены вибраторы, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. Наведенная в вибраторах ЭДС складывается в собирательной линии в фазе и подается на фидер. Коэффициент усиления (КУ) антенны бегущей волны определяется длиной собирательной линии и пропорционален отношению этой длины к длине волны принимаемого сигнала.

Антенна бегущей волны имеет высокую одностороннюю направленность в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Главный лепесток диаграммы направленности проходит вдоль собирательной линии в сторону нагрузочного резистора. Боковые лепестки диаграммы направленности у антенны бегущей волны гораздо меньше, чем у ромбических антенн. В антеннах бегущей волны коэффициент перекрытия по диапазону волн достигает 2,5-3. Оптимальная длина антенны бегущей волны равна четырех - пятикратному значению средней рабочей волны. Преимущества и недостатки антенны бегущей волны почти такие же, как и у антенны волновой канал, за исключением того, что она может работать в более широком диапазоне частот, она не требует дополнительной настройки, ее проще изготовить.

Антенны бегущей волны используют для приема (излучения) волновых полей любой природы (электромагнитных, акустических), но чаще всего в диапазоне радиоволн. Даже синфазную антенну можно рассматривать как частный вариант антенны бегущей волны. В общем случае линейное распределение фазы на апертуре сочетается с различными изменениями амплитуды (неоднородные бегущие волны). Существуют и такие антенны бегущей волны, где применяют распределения с переменной. Различают антенны бегущей волны с быстрыми и медленными волнами. В первом случае излучение максимально в направлении, соответствующем углу к оси z и совпадающем с направлением распространения эффективной плоской волны. В определенном смысле это аналог черенковского излучения. Если антенна бегущей волны одномерна, то поле излучения максимально симметрично и диаграмма направленности воронкообразная. Конус прижимается к оси, а при излучение максимально в направлении оси. Такая антенна бегущей волны называется антенной осевого излучения. Ее коэффициент направленного действия (КНД) может вдвое превышать КНД синфазной антенны. Поля, создаваемые элементами раскрыва антенны бегущей волны в направлении максимума диаграммы, т. е. вдоль оси, несинфазны, т. к. синфазное направление лежит в области мнимых углов. С увеличением замедления диаграмма сужается, а КНД возрастает до некоторого оптимального значения. Антенны бегущей волны обладают неоспоримыми преимуществами при необходимости «вписать» антенну в контуры обтекаемых поверхностей подвижных объектов, такие антенны называются невыступающими. Применение антенн бегущей волны в диапазоне средних и длинных волн связано, в частности, с возможностью электрического сканирования диаграммы направленности путем управления фазами на апертуре.

4. Коэффициент направленного действия линейной АР

Коэффициент направленного действия (КНД) характеризует способность антенны концентрировать излученную мощность в определенном направлении и представляет собой число, показывающее, во сколько раз мощность сигнала, принятая антенной, больше мощности, которую примет эталонная антенна (полуволновой вибратор). По определению КНД (обозначает как D) есть соотношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемой антенной в данном направлении, характеризируемом углами  к плотности потока мощности, излучаемой воображаемой абсолютно ненаправленной (изотропной) антенной, при равенстве мощностей, излучаемых обеими антеннами. Коэффициент направленного действия линейных АР, как и любой антенны, может быть вычислен. Для точного расчета необходимо знать диаграмму направленности (ДН) с учетом направленных свойств одного элемента. Однако в случае достаточно длинных антенн ДН решетки в основном определяется множителем системы. Рассмотрим решетку с произвольным амплитудным распределением токов по закону

При синфазном равноамплитудном режиме

КНД равен, для длинных решеток

Это объясняется тем, что для изотропных элементов при d, кратных , активная часть взаимных сопротивлений обращается в нуль и при фиксированном значении мощность делится поровну между всеми элементами. При этом ток в каждом элементе будет  раз меньше, чем ток в одном элементе, излучающем ту же мощность. Суммарное поле в направлении максимума будет превышать поле одного элемента в  раз, соответственно КНД решетки возрастет в N раз. В режиме осевого излучения, когда , при , что соответствует убывающему закону изменения УБЛ, величина КНД, как и в предыдущем случае, равна N. Однако теперь шаг решетки в 2 раза меньше  При одной и той же длине антенны L в режиме осевого излучения при  значение КНД можно получить в 2 раза больше, чем в режиме нормального излучения.

5. Явление сверхнаправленности

Сверхнаправленность - это явление, при котором КНД рассматриваемой антенны больше, чем КНД антенны такого же типа и размеров с синфазным и равноамплитудным распределением полей в раскрыве антенны (токов в ее элементах). Большая направленность в этом случае достигается за счет резко осциллирующего амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве, вследствие чего существенно уменьшается доля излученной энергии и резко увеличивается доля реактивной энергии и добротность антенны. При этом весьма серьезно обостряются требования к точности выполнения всей конструкции АР.

В антенных решетках сверхнаправленность получается путем более тесного расположения излучателей на расстояниях, меньших . Достигаемое таким образом увеличение направленных свойств антенны приводит к уменьшению ее КПД, т.к. растет число фидерных линий, передающих энергию с потерями, сужению рабочих частот, невозможности электрического управления пространственным положением луча и т.д.

6. Входное сопротивление излучающего элемента АР

Знание входного сопротивления излучающего элемента в АР необходимо при проектировании системы питания, обеспечивающей амплитудно-фазовое распределение (АФР). Входное сопротивление каждого излучающего элемента определяется не только его собственной конструкцией, но и взаимным влиянием соседних элементов, которое, в свою очередь, зависит от АФР возбуждающих токов и положения элемента в АР.

Входное сопротивление антенны является важным параметром, характеризующим ее как нагрузку для генератора или фидера. Входным сопротивлением называется отношение напряжения между точками питания антенны (зажимы антенны) к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте. В общем случае входное сопротивление величина комплексна. Оно должно быть согласовано с волновым сопротивлением фидерного тракта (или с выходным сопротивлением генератора) так, чтобы обеспечить в последнем режим, близкий к режиму бегущей волны.

,

где  - собственное входное сопротивление n-го излучателя,  - наведенное сопротивление, отнесенное к току на входе n-го излучателя. В качестве  обычно используются значения наведенных сопротивлений, обусловленные взаимодействием излучателей только с номерами n и m, без учета всех остальных элементов. Для АР конечных размеров входное сопротивление одного излучателя зависит от его положения в решетке, поскольку взаимные связи проявляются по-разному.

7. Мощность, излучаемая АР

Мощность, излучаемая АР связана с током в точках питания антенны соотношением, где активная составляющая входного сопротивления антенны; при отсутствии потерь в ней это сопротивление излучения. Полная мощность излучения АР может быть в отсутствие потерь найдена как сумма мощностей, излучаемых каждым излучателем, по формуле:

8. Плоские антенные решетки

Плоская АР - плоская антенна, представляющая собой систему из большого количества излучателей (простейших полуволновых вибраторов), расположенных во много рядов и этажей, соединенных между собой фидерными линиями. Точки питания вибраторов в этажах и рядах соединены таким образом, что принятые каждым вибратором сигналы складываются в фазе. В точках питания АР мощность сигнала равна сумме мощностей, принятых всеми вибраторами. В этих же точках находятся входные клеммы приемной части устройства (конвертера), куда поступает принятый решеткой суммарный по мощности сигнал.

Плоские АР дают возможность сконцентрировать излучение в узкий пучок в двух плоскостях. Форма плоской АР (форма раскрыва решетки) может быть прямоугольной, круглой, шестиугольной т.д. и определяется как требованиями, предъявляемыми к форме ДН, так и конструктивными особенностями системы. Излучатели плоских АР располагаются в узлах прямоугольной или треугольной (гексагональной) сетки (рис. 5).

Плоские антенны очень технологичны в производстве, а синфазная решетка имеет дополнительные преимущества по сравнению с зональной антенной Френеля, так как не нуждается в облучателе и ее выходные клеммы можно расположить в плоскости самой антенны. Сложность использования синфазной решетки заключается в необходимости такого соединения вибраторов с клеммами антенны, чтобы принятые всеми вибраторами сигналы поступали к выходу антенны с одинаковой фазой.

При соответствующих размерах синфазной АР и количестве вибраторов коэффициент усиления такой плоской решетки может быть не ниже, чем у антенны с параболическим отражателем. Это связано с тем, что у синфазной решетки узкая диаграмма направленности, так как в фазе складываются только сигналы, поступающие к решетке перпендикулярно ее плоскости.

Рис. 5 Плоские антенные решётки

Кроме того, достоинствами плоских антенных решеток являются возможность их изготовления методами печатного монтажа, что обеспечивает высокую воспроизводимость параметров; снижение на 10...30% ветровой нагрузки по сравнению с параболическими антеннами; простота перевозки, хранения и установки.

Если фазы всех излучателей плоской АР равны, то суммарный луч диаграммы направленности расположен перпендикулярно плоскости антенны (рис. 6).

Рис. 6 Синфазная антенная решётка

Однако если ввести в фидерные линии синфазной АР фазовращатели (ФВ) и менять фазу сигнала в каждом излучателе, то в определенном (заданном) направлении сигналы придут в фазе и усилят друг друга. Такая антенная решетка называется фазированной (ФАР). Диагональ антенны расположена перпендикулярно поверхности земли (рис. 7).

Рис. 7 Фазированная антенная решётка

В технологии решетки заложена возможность установки управляемых ФВ одновременно с излучающими элементами. В устройстве фазовращателя используются полупроводниковые диоды, или варакторы, интегральные микросхемы (ИМС).

Для синфазно возбужденных плоских АР, как и для линейных, КНД максимален при амплитудном возбуждении; если амплитуда спадает к краям, КНД уменьшается. При несинфазном возбуждении элементов, когда фаза изменяется по линейному закону и максимум ДН отклоняется от нормали, основной лепесток расширяется только в вертикальной плоскости. Ширина лепестка в другой, перпендикулярной плоскости не меняется. Уменьшение КНД при отклонении ДН объясняется уменьшением эквивалентной поверхности, перпендикулярной направлению максимума.

При квадратичных и кубических фазовых искажениях кроме расширения основного лепестка ДН происходят увеличение УБЛ и исчезновение («заплывание») нулей ДН. Оба вида искажений приводят к снижению КНД.

9. Неэквидистантные АР

Неэквидистантными АР - решетки, представляющие собой линейную решетку с неодинаковым расстоянием между соседними излучающими элементами. Применение неэквидистантных антенных решеток позволяет придать решеткам ряд новых свойств, таких как устранение дополнительных максимумов при увеличении расстояния между элементами и уменьшение уровня бокового излучения в решетках с равноамплитудным возбуждение, уменьшить число антенных элементов и, соответственно, число приемных канал. Применение неэквидистантных решеток требует большего энергетического запаса, поэтому следует ожидать того, что их разрешающая способность будет хуже, чем у кольцевых решеток той же апертуры.

В общем случае неэквидистантная антенная решетка (АР) относится к классу антенн, лишенных фазового центра. Особенность таких АР заключается в том, что формируемые ими диаграммы направленности (ДН) не могут описываться действительными функциями. Это необходимо учитывать в задачах синтеза при выборе заданной ДН, так как игнорирование особенностей геометрии антенны может привести к выбору в качестве заданной нереализуемой ДН, а, следовательно, заметным отличиям от синтезированной ДН АР. Неэквидистантная АР имеет практически такие же характеристики, особенно в области основного и первых боковых лепестков, как и исходная неравноамплитудная антенна, но более проста в отношении способа реализации амплитудного распределения.

Литература

15. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. - М. Радио и связь. 1996.-486с.

. Зелкин Е.Г., Соколов В.Г., Методы синтеза антенн: Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. - М.: Советское Радио, 1980.

. Воскресенский Д.И., Канащенков А.И. Активные фазированные антенные решетки. - М. Радиотехника, 2004.

. Филиппов В. С., Пономарев Л. И., Гринев А. Ю. и др. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. - Радио и связь, 1994.