Антенна решетка

Антенна решетка (АР) е сложна антена, съдържаща съвкупност от антенни елементи (единични антени или групи антени), разположени в пространството в определен ред, ориентирани и възбудени по такъв начин, че да се получи дадена диаграма на насоченост при предаване или приемане на електромагнитни вълни.Шаблон:Rp Антенната решетка е дискретна антенна система.

Руска радиолокационна станция за метрови вълни Небо-М с ранна фазирана антенна решетка. Елементите на плоското излъчващо платно са 175 триелементни антени от кръгови контурни вибратори. Антената излъчва под наклон ветрилообразен лъч във вертикална равнина, който може да извършва хоризонтален обзор.

Антенната решетка позволява постигането на желаните радиотехнически параметри на антената (посока, форма и ширина на лъча, коефициент на насочено действие, ниво на страничните листи и др.) чрез оформяне на специфично разпределение на амплитудите и фазите на токовете или полетата, възбуждащи излъчващите елементи (амплитудно-фазово разпределение, АФР). Антенните елементи обикновено са свързани към един предавател или приемник чрез захранващи линии, които подават мощност към елементите в определено амплитудно-фазово съотношение. Радиовълните, излъчвани от всяка отделна антена, се комбинират и наслагват, като се сумират (интерферират конструктивно), за да увеличат мощността, излъчвана в желаните посоки, и се елиминират (интерферират деструктивно), за да намалят мощността, излъчвана в други посоки. По подобен начин, когато се използват за приемане, отделните радиочестотни токове от отделните антени се комбинират в приемника с правилното фазово съотношение, за да усилят сигналите, получени от желаните посоки, и да елиминират сигналите от нежелани посоки. По-сложните антенни решетки могат да имат множество предавателни или приемни модули, всеки от които е свързан към отделен антенен елемент или група елементи. Това е различно от единичните антени (напр. рупорни или огледални антени), където същият проблем се решава чрез избор на тяхната форма, размер, материали и конструкции.

Антенната решетка може да постигне по-висок коефициент на усилване (насочено действие), т.е. по-тесен лъч радиовълни, отколкото би могъл да се постигне с един елемент. Като цяло, колкото по-голям е броят на използваните отделни антенни елементи, толкова по-високо е усилването и толкова по-тесен е лъчът. Някои антенни решетки (като военни фазирани радари) са съставени от хиляди отделни антени. Решетките могат да се използват за постигане на по-високо усилване, за осигуряване на разнообразие на пътя (наричано още МВМИ), което увеличава надеждността на комуникацията, за елиминиране на смущения от определени посоки, за електронно насочване на радиолъча към различни посоки и за радиопеленгация.

Антенната решетка най-често е с активно захранване, като всичките нейни елементи са свързани към предавателя или приемника. Антенната решетка с пасивно захранване се състои от един активен елемент (или група елементи), свързан към захранващата линия, и пасивни елементи, които не са свързани, а се възбуждат ефирно от неговото поле при предаване (или възбуждат в него поле при приемане). Обикновено това е директорна антена.

В обикновената антенна решетка АФР е фиксирано и няма начин за неговото управление по време на работа. Например, за да се промени бързо посоката на диаграмата на насоченост в пространството, излъчващата част (апертурата) на антенната решетка трябва да се завърта механично. По-сложна антена е фазираната антенна решетка (ФАР), която позволява произволни изменения на АФР или внедряването на няколко фиксирани варианта на АФР последователно или едновременно. Фазирана решетка обикновено означава електронно сканираща решетка – управлявана антенна решетка, в която всеки отделен елемент е свързан към предавателя или приемника чрез дефазатори (фазови регулатори), управлявани от компютър. Лъчът от радиовълни може да бъде управляван електронно, за да се насочи мигновено във всяка посока под широк ъгъл, без да се движат антените.

Телевизионна дециметрова антенна решетка с отражател. Състои се от 8 диполни задвижвани елемента, монтирани пред мрежов отражател. X-образните диполи ѝ осигуряват широка честотна лента, обхващаща както метровия (174–216 MHz), така и дециметровия (470–700 MHz) телевизионни диапазони със съответно усилване от 5 dB и 12 dB и ниско ниво на задния лист на ДН от –18 dB.

Терминът „фазирана решетка“ обаче понякога се използва за означаване на обикновена антенна решетка. Отличителна черта на антенната решетка е разпространение на сигнала от предавателя до всички излъчващи елементи при предаване или събиране на сигналите от антенните елементи на входа на приемника (например, с помощта на разпределител или чрез ефирно захранване), затова многолъчевата антенна решетка и моноимпулсната антенна решетка със сумарно-разликови входове с механично сканиране на лъча се класифицират като фазирани антенни решетки, защото при тях се изменя фазата на сигналите, макар и не чрез електронно управление.

Според разположението на елементите антенните решетки биват линейни, плоски или пространствени, а според разстоянието между елементите – еквидистантни и нееквидистантни.

Принцип на действие

Според критерия на Релей, широчината на диаграмата на насочеността на антената (ъгловата ширина на лъча от вълни, които тя излъчва) е пропорционална на дължината на вълната, разделена на дължината на апертурата (напречния размер, ширината на антената). Малките антени с размер до около една дължина на вълната нямат голяма насоченост (усилване), като например четвъртвълнови и полувълнови вибратори (мòнополи и диполи). Те са слабо насочени антени, които излъчват вълни в широк сектор. За да се създаде насочена антена (антена с висок коефициент на усилване), която излъчва радиовълни в тесен лъч, могат да се използват две общи техники:Шаблон:Rp

1. Отражение от големи метални повърхности, като рефлектор или рупор, или пречупване от леща, за да се промени посоката на радиовълните от една антена с ниска насоченост и да се фокусират в лъч. Този клас се нарича апертурни антени и включва вълноводно-рупорни, огледални и лещови антени.
2. Използване на множество антени, които се захранват от един и същ предавател или приемник; това се нарича антенна система или антенна решетка. За предаваща антена електромагнитната вълна, получена във всяка точка, е векторната сума на електромагнитните вълни от всеки от елементите на антената. За приемаща антена електромагнитната вълна, получена от всяка точка, е векторната сума на електромагнитните вълни във всеки от елементите на антената.
   

Ако токовете се подават към антените на антенната решетка с еднаква фаза, поради явлението интерференция вълните от отделните антени се сумират геометрично в пространството (с отчитане на амплитудите и фазите) и създават плоска вълна, която се разпространява в посока, перпендикулярна на плоския фазов фронт. В посоки, в които вълните от отделните антени пристигат във фаза, вълните се сумират (конструктивна интерференция) и се увеличава излъчената мощност. Във фаза означава с еднаква фаза, когато изминават равни пътища, или с фазова разлика ψ четно число пъти π, когато изминават пътища Шаблон:Math, различаващи се с цяло число дължини на вълната: ψ=2mπ, ΔШаблон:Math=mλ (m=0, 1, 2, ...).
В посоки, в които отделните вълни пристигат в противофаза (с фазова разлика 180°, т.е. ψ=mπ, ΔШаблон:Math=mλ/2, m=0, 1, 2, ...), като пикът (максимумът) на една вълна съвпада с долината (минимума) на друга, вълните се изваждат (деструктивна интерференция), намалявайки излъчената мощност в тази посока.
По подобен начин, при приемане осцилиращите токове, приемани от отделните антени от радиовълни, получени от желаните посоки, са във фаза и когато се сумират в приемника, се усилват взаимно, докато токовете от радиовълни, приемани от други посоки, са в противофаза и когато се извадят в приемника, се неутрализират взаимно.

Диаграмата на насоченост на такава антена се състои от силен лъч в една посока, главния лист, плюс серия от по-слаби лъчи под различни ъгли, наречени странични листи, обикновено представляващи остатъчно излъчване в нежелани посоки. Колкото по-големи са ширината на антената и броят на компонентните антенни елементи, толкова по-тесен е главният лист, по-високо е усилването и по-малки са страничните листи.

Решетките, в които антенните елементи се захранват във фаза, са синфазни антени; главният лист се излъчва перпендикулярно на равнината на елементите.

Много голямата антенна решетка Very Large Array е радиотелескоп, съставен от Y-образна решетка от 27 антени в Сокоро, Ню Мексико.

Най-големите антенни решетки са радиоинтерферометри, използвани в областта на радиоастрономията. При тях множество радиотелескопи, състоящи се от големи огледални антени, са свързани заедно в антенна решетка, за да се постигне по-висока разделителна способност. Използвайки метод, наречен апертурен синтез, такава решетка може да има разделителна способност на антена с диаметър, равен на разстоянието между антените. При техниката, наречена интерферометрия с много дълга базова линия /ИМДБ/ (Шаблон:Lang), са свързани антени на отделни континенти, създавайки синтезирани антенни решетки с размер хиляди километри.

Видове

Антенните решетки могат да бъдат класифицирани според типа, разположението и ориентирането на елементите, разстоянието между тях, принципа на действие и захранването (посоката на максимално излъчване).

Според типа на елементите

• вибраторни (диполни, мòнополни)
• вълноводни (отворени краища на вълноводи)
• рупорни
• процепни
  • вълноводно-процепни (резонансни и нерезонансни)
  • коаксиално-процепни (резонансни и нерезонансни)
• спирални
• с повърхностни вълни
  • диелектрични
  • с периодична структура
• комбинирани.

Видове антенни решетки

Според разположението на елементите

• линейни (едномерни) – антенните елементи са разположени в права линия (ос на решетката);
• плоски (двумерни) – елементите са подредени в една равнина;
• пространствени (тримерни) – елементите са разположени в пространството.

Използва се разполагане на елементите по криви линии с определена форма (дъга, окръжност, парабола, елипса и др.), във върховете на геометрични фигури (триъгълник, правоъгълник, квадрат, шестоъгълник) или по геометрични повърхности (сферична, цилиндрична, конична, параболична и др.)

Според ориентирането на елементите

В зависимост от пространственото ориентиране на антенните компоненти са възможни два вида решетки:

• с еднакво ориентирани елементи. Ако това са вибратори или процепи, решетката се нарича колинеарна, например всички са ориентирани успоредно или перпендикулярно на нейната ос. Възможно е обаче размерите им да се различават. Ако излъчвателите са абсолютно еднакви, понякога антенната решетка се нарича идентична;
• с различно ориентирани елементи, например различен наклон на вибраторите или процепите.

Според захранването и посоката на излъчване

Посоката на максимално излъчване/приемане θ_m зависи от фазовата разлика в захранването на антенните елементи ψ, разстоянието между тях d и дължината на вълната λ:

$\cos {\theta }_m=\frac{\psi }{kd}=\frac{\psi \lambda }{2\pi d},$

където $k=\frac{2\pi }{\lambda }$ e вълновото число, а ъгълът ${\theta }_m$ се отчита от оста на антената решетка. Ако той се отчита от нормалата, се заменя косинуса със синус:

$\sin {\theta }_m=\frac{\psi }{kd}=\frac{\psi \lambda }{2\pi d}.$

Антенните решетки могат да бъдат разделени на три вида въз основа на това как се отнася посоката на излъчване към оста на решетката.

• синфазни антенни решетки – антенните елементи се захранват синфазно (във фаза, ψ=0) и посоката на максимално излъчване на вълните (главният лист на диаграмата на насоченост /ДН/) е перпендикулярна на равнината на антените:

$\cos {\theta }_m=\frac{\psi }{kd}=0\text{ и }{\theta }_m=90$° ;

• антенни решетки с бягаща вълна – съседните антенни елементи се захранват с фазова разлика ψ=kd и посоката на максимално излъчване е по оста на антената

$\cos {\theta }_m=\frac{\psi }{kd}=1\text{ и }{\theta }_m=0$°,

затова се наричат антени с осево излъчване. Типичен представител на тези решетки са директорните антени.

• сканиращи антенни решетки. При тях посоката на максимално излъчване и приемане се изменя от захранването. Изменението на посоката на главния лист на диаграмата на насоченост се нарича сканиране. Ако това става по електронен път чрез захранването, антенната решетка е с електронно сканиране. От формулата $\cos {\theta }_m=\frac{\psi \lambda }{2\pi d}$ се вижда, че може да има три вида електроно сканиращи АР:

– с изменение на фазовата разлика ψ (ако фазовата разлика в захранването на елементите е междинна на предните два вида 0 < ψ < 180°, тогава и посоката на максимума на диаграмата на насоченост е под някакъв друг ъгъл спрямо оста на антената 0 < θ_m < 90°) – фазирани антенни решетки;

– с изменение на дължината на вълната λ/честотата f – АР с честотно сканиране (например антената на съветската трикоординатна РЛС СТ-68 „Луна“);

– с изменение на разстоянието между елементите d – това може да стане чрез електронно включване и изключване на отделни антенни елементи, при което се променя разстоянието между действащите, които формират диаграмата на насоченост.

Според разстоянието между елементите

• еквидистантни или периодични – АР с еднакво разстоянието между елементите;
• нееквидистантни или непериодични – АР с различно разстоянието между елементите.

Еквидистантни антенни решетки

Разгледа се линейна решетка, чиито елементи са разположени по оста Шаблон:Math на ортогонална декартова координатна система. Приема се, че излъчвателите имат еднаква пространствена ориентация и еднаква поляризация за електрическото поле. Въз основа на това, характеристиката на насоченост (ХН) на антенната решетка може да се запише във вида

$F(u)=\sum _{n=1}^N{I}_n{e}^{jk{x}_{n}u}$

където $N$ е броят на антенните елементи, $k$ е вълновото число,
$I_n$ и $x_n$ (в метри) са съответно комплексният коефициент на възбуждане и позицията на $n$-тия излъчвател, $u=\cos \phi \sin \theta$, като $\phi$ e хоризонталният (азимуталният) ъгъл, а $\theta$ – вертикалният (зенитният) ъгъл.
Ако разстоянието между съседните елементи $d$ е постоянно, тогава за всеки от тях $x_{n+1}-x_n=d$, и антенната решетка се нарича еквидистантна или периодична.

Решетката е периодична както пространствено (физически), така и относно спомагателната променлива $u$. Например, ако $d=\lambda /2$, където $\lambda$ е дължината на вълната, тогава ХН има период, равен на $2$ в областта на $u$. От физическа гледна точка, стойностите на $u$, които представляват интерес за излъчването, попадат в интервала $[-1,1]$, който е свързан със стойностите на φ и θ. В този случай интервалът $[-1,1]$ се нарича видимо пространство. Очевидно, ако дефиницията на променливата $u$ се промени, съответно се променя и обхватът на видимото пространство.

Нека коефициентите на възбуждане са реални положителни променливи. В този случай, винаги в областта на $u$, ДН на решетката има главен лист с максимална стойност при $u=0$, няколко странични листа с по-ниско ниво от главния лист и дубликати на главния лист, наречени решетъчни листи. Решетъчните листи са източник на недостатъци както при предаване, така и при приемане. При предаване те могат да доведат до излъчване в нежелани посоки, докато при приемане, могат да бъдат източник на неяснота, тъй като желаният сигнал, влизащ в областта на главния листи, може да бъде силно смутен от други нежелани сигнали (смущения), влизащи в областите на различните решетъчни листи. За да се предотврати появата на решетъчни листи във видимото пространство, в периодичните решетки разстоянието между съседните излъчватели не трябва да надвишава определена стойност. Например, за разстояние $d=\lambda /2$ решетъчни листи се появяват при $u=\pm 2$. Така че в този случай няма проблеми, тъй като по този начин решетъчните листи са извън интервала [-1, 1].

Нееквидистантни антенни решетки

Както се вижда по-горе, когато разстоянието между съседните излъчватели на АР е постоянно, диаграмата на насоченост има решетъчни листи. За да се разруши периодичността на ДН, геометрията на решетката също трябва да се направи непериодична. Възможно е да се въздейства върху позициите на излъчвателите, така че да се промени разстоянието между тях. Антенни решетки с различно разстояние между съседните излъчватели се наричат нееквидистантни или непериодични (апериодични). Разработени са няколко метода за синтезиране на решетки, в които позициите също представляват допълнителни степени на свобода (неизвестни). Съществуват детерминистични и вероятностни методологии. Тъй като вероятностната теория на нееквидистантните решетки е достатъчно систематизирана теория със силна обща методологична основа, първо се описва на нейната постановка.

Нека позициите на излъчвателите $\{x_n{\}}_{n=1}^N$ са независими и еднакво разпределени случайни променливи, чийто носител съвпада с цялата апертура на решетката. Тогава ХН на АР е стохастичен процес, чиято средна стойност е

$E[F(u)]=\underset{-L/2}{\overset{L/2}{\int }}f(x)e^{jkxu}dx$

Конструкции

• Активна антенна решетка – Това е решетка, в която компонентните антени са свързани към отделни предаватели или приемници, всеки от които управлява една или група антени. Затова се нарича още управляема решетка. Отделните антени обикновено са идентични, като вибратори, процепи и вълноводни излъчватели, но могат да бъдат и антенни подсистеми във вид на композитни антени, като например директорни или турникетни антени.

• Вертикална колинеарна решетка – широколентова решетка, състояща се от множество идентични диполни антени, ориентирани вертикално в линия. Това е ненасочена антена в хоризонтална равнина и среднонасочена във вертикална равнина в зависимост от броя на антените. Често се използвана в УКВ диапазона като радиоразпръсквателна антена за телевизионни станции и антена за базови станции на наземни мобилни двупосочни радиостанции.
  • Супертурникетна антена или антенна решетка тип „крило на прилеп“ – вертикална антена от множество кръстосани Ж-образни вибратори, монтирани колинеарно на мачта. Ж-образният вибратор е подобрена модификация на вибратора на Брауде, който има входно съпротивление около 140 – 160 Ω при еднакво дълги съставни хоризонтални диполи. Различната им дължина при Ж-образния вибратор осигурява различна резонансна дължина на вълната и съответно по-широка четотна лента от тази на единичен вибратор. Формата на конструкцията наподобава крило на прилеп, което дава името на антената. Кръстосването на два вибратора в турникет уплътнява ДН в хоризонтална равнина. Антената е специализирана за телевизионно излъчване.
• Кръгова антенна решетка (CDAA) - Антенна решетка с елементи, разположени в голям кръг. Използва се за определяне на посоката и триангулация на заблудени радиосигнали, например за наблюдение на въздушното пространство и радиоразпръскване. Външният вид на тези внушителни структури им е спечелил прякора „клетки за слонове“.

• 
  Метрова Колинеарна антенна решетка от двойни вибратори
• 
  Секторни антени (бели ленти) на кула за мобилен телефон. Колинеарни диполни решетки с веерна ДН, излъчващи плосък лъч.
• 
  Отражателна решетка от 32 полувълнови вибратора пред отразяващ екран за 108 MHz на радар SCR-270, използван по време на Втората световна война.
• 
  Радарна антена с ФАР PAVE PAWS на 420–450 MHz за откриване на балистични ракети от ВВС на САЩ, Аляска. Двете кръгови решетки са съставени от 2677 кръстосани дипола.
• 
  Някои от елементите с кръстосани диполи във фазираната антенна решетка PAVE PAWS, вляво
• 
  Супертурникет-на антенна решетка от Ж-образни вибратори, използвана като метрова предавателна телевизионна антена
• 
  Кръстосана диполна радиопредавателна антена за УКВ
• 
  Късовълнова предавателна антена – завесна решетка от телени диполи, окачени между кули, Австрия.
• 
  Турникетна антенна решетка за спътникова комуникация
• 
  Плоска микролентова антенна решетка за приемане на спътникова телевизия.
• 
  Фазирана антенна решетка със 180 кръстосани дипола от програмата ХААРП в Аляска, която може да предава радиовълни с мощност 3,6 MW на 3–10 MHz в йоносферата за изследователски цели.
• 
  Решетка от четири спирални антени, използвани като антена за проследяване на сателити, Пльомьор-Боду, Франция
• 
  Кръгова антенна решетка в Панама

• Планарна решетка – плоска двуизмерна решетка от антени. Тъй като решетка от всепосочни антени излъчва два лъча, разположени на 180° един от друг, от двете страни на антената, тя обикновено е монтирана или пред плосък рефлектор, или е съставена от насочени антени, като директорни или спирални антени, за да се получи еднопосочен лъч.
  • Отражателна антенна решетка – планарна решетка от антени, често полувълнови диполи, захранвани синфазно, пред плосък рефлектор, като например метална плоча или телена решетка. Тя излъчва единичен лъч радиовълни, перпендикулярен (странично) на решетката. Използва се като дециметрова телевизионна антена и радарна антена.
    • Завесна решетка – външна жична предавателна антена за къси вълни, състояща се от планарна решетка от телени диполи, окачени пред вертикален рефлектор, направен от „завеса“ от успоредни проводници. Използва се за високи честоти като предавателна антена на дълги разстояния за късовълнови радиоразпръсквателни станции. Може да се управлява като фазирана решетка.
    • Микролентова антена – решетка от пач антени, изработени върху печатна платка с медно фолио от обратната страна, функциониращо като рефлектор. Елементите се захранват от лентови линии, изработени от медно фолио. Използва се като дециметрова и сателитна телевизионна приемна антена.

Вижте също

• Антена
• Фазирана антенна решетка