Układ antenowy

Popularny typ anteny macierzowej, odblaskowa antena telewizyjna UHF . Ten przykład składa się z ośmiu elementów napędzanych dipolem , zamontowanych przed odbłyśnikiem ekranu drucianego. Dipole w kształcie litery X zapewniają szerokie pasmo, które obejmuje zarówno pasma telewizyjne VHF (174–216 MHz), jak i UHF (470–700 MHz). Ma wzmocnienie 5 dB VHF i 12 dB UHF oraz stosunek przód-tył 18 dB.
Duża planarna antena rosyjskiego mobilnego radaru obrony powietrznej VHF Nebo-M. Składa się ze 175 złożonych dipolowych . Wczesna macierz fazowana antena emitowała pionową wiązkę w kształcie wachlarza, którą można było przesuwać poziomo w przestrzeni powietrznej przed anteną.

Szyk antenowy ( lub antena macierzowa ) to zestaw wielu połączonych anten , które działają razem jako pojedyncza antena, aby nadawać lub odbierać fale radiowe . Poszczególne anteny (zwane elementami ) są zwykle podłączone do pojedynczego odbiornika lub nadajnika za pomocą linii zasilających , które dostarczają energię do elementów w określonej zależności fazowej . Fale radiowe emitowane przez każdą pojedynczą antenę łączą się i nakładają na siebie , sumując się ( interferując konstruktywnie ), aby zwiększyć moc promieniowaną w pożądanych kierunkach, i anulując ( interferując destrukcyjnie ), aby zmniejszyć moc promieniowaną w innych kierunkach. Podobnie, gdy jest używany do odbioru, oddzielne prądy o częstotliwości radiowej z poszczególnych anten łączą się w odbiorniku z prawidłową zależnością fazową, aby wzmocnić sygnały odbierane z pożądanych kierunków i anulować sygnały z niepożądanych kierunków. Bardziej wyrafinowane układy antenowe mogą mieć wiele modułów nadajnika lub odbiornika, z których każdy jest podłączony do oddzielnego elementu anteny lub grupy elementów.

Szyk antenowy może osiągnąć większy zysk ( kierunkowość ), czyli węższą wiązkę fal radiowych niż pojedynczy element. Ogólnie rzecz biorąc, im większa liczba zastosowanych pojedynczych elementów anteny, tym większy zysk i węższa wiązka. Niektóre układy antenowe (takie jak wojskowe fazowane ) składają się z tysięcy pojedynczych anten. Tablice mogą być używane w celu uzyskania większego wzmocnienia, zapewnienia różnorodności ścieżek (zwanej również MIMO ), co zwiększa niezawodność komunikacji, eliminacji zakłóceń z określonych kierunków, elektronicznego sterowania wiązką radiową w różnych kierunkach oraz wyszukiwania kierunku radiowego (RDF) .

Termin układ anten najczęściej oznacza sterowany układ składający się z wielu identycznych napędzanych elementów , z których wszystkie są podłączone do odbiornika lub nadajnika. Układ pasożytniczy składa się z pojedynczego elementu napędzanego podłączonego do linii zasilającej oraz innych elementów, które nie są, zwanych elementami pasożytniczymi . Zwykle jest to inna nazwa anteny Yagi – Uda .

Matryca fazowana zwykle oznacza macierz zeskanowaną elektronicznie ; sterowana antena tablicowa, w której każdy pojedynczy element jest podłączony do nadajnika lub odbiornika za pośrednictwem przesuwnika fazowego sterowanego przez komputer. Wiązkę fal radiowych można sterować elektronicznie tak, aby natychmiast skierowała się w dowolnym kierunku pod szerokim kątem, bez przesuwania anten. Jednak termin „układ fazowany” jest czasami używany w znaczeniu zwykłej anteny.

Zasada

Z kryterium Rayleigha wynika, że ​​kierunkowość anteny , szerokość kątowa emitowanej przez nią wiązki fal radiowych, jest proporcjonalna do długości fali fal radiowych podzielonej przez szerokość anteny. Małe anteny o długości około jednej długości fali, takie jak monopole ćwierćfalowe i dipole półfalowe , nie mają dużej kierunkowości ( wzmocnienia ); są to anteny dookólne emitujące fale radiowe pod szerokim kątem. Aby stworzyć antenę kierunkową ( antena o dużym zysku ), która emituje fale radiowe wąską wiązką, można zastosować dwie ogólne techniki. Jedną z technik jest wykorzystanie odbicia od dużych powierzchni metalowych, takich jak reflektory paraboliczne lub rogi , lub załamania przez soczewki dielektryczne w celu zmiany kierunku fal radiowych, aby skupić fale radiowe z pojedynczej anteny o niskim wzmocnieniu w wiązkę. Ten typ nazywany jest anteną aperturową . Antena paraboliczna jest przykładem tego typu anteny.

Druga technika polega na użyciu wielu anten zasilanych z tego samego nadajnika lub odbiornika; nazywa się to macierzą antenową lub macierzą antenową. Jeżeli do anten doprowadzone zostaną prądy o odpowiedniej fazie , w wyniku zjawiska interferencji fale sferyczne z poszczególnych anten łączą się (nakładają) przed układem tworząc fale płaskie , czyli wiązkę fal radiowych biegnącą w określonym kierunku . W kierunkach, w których fale z poszczególnych anten docierają w fazie , fale sumują się ( interferencja konstruktywna ), aby zwiększyć emitowaną moc. W kierunkach, w których poszczególne fale docierają poza fazą , przy czym szczyt jednej fali pokrywa się z doliną drugiej, fale znoszą się ( destrukcyjna interferencja ), zmniejszając moc promieniowaną w tym kierunku. Podobnie, podczas odbioru, prądy oscylacyjne odbierane przez oddzielne anteny z fal radiowych odbieranych z pożądanych kierunków są w fazie i po połączeniu w odbiorniku wzmacniają się nawzajem, podczas gdy prądy z fal radiowych odbieranych z innych kierunków są przesunięte w fazie i połączone w odbiornik znoszą się nawzajem.

Charakterystyka promieniowania takiej anteny składa się z silnej wiązki skierowanej w jednym kierunku, głównego listka , oraz szeregu słabszych wiązek pod różnymi kątami, zwanych listkami bocznymi , zwykle reprezentujących promieniowanie szczątkowe w niepożądanych kierunkach. Im większa szerokość anteny i im większa liczba składowych elementów anteny, tym węższy listek główny i tym większy zysk, jaki można osiągnąć, i tym mniejsze będą listki boczne.

Macierze, w których elementy anteny są zasilane w fazie, to macierze burtowe; główny płat jest emitowany prostopadle do płaszczyzny elementów.

Największe anteny macierzowe to interferometry radiowe stosowane w dziedzinie radioastronomii , w których wiele radioteleskopów składających się z dużych anten parabolicznych jest połączonych ze sobą w szyk antenowy w celu uzyskania wyższej rozdzielczości. Wykorzystując technikę zwaną syntezą apertury, taka macierz może mieć rozdzielczość anteny o średnicy równej odległości między antenami. W technice zwanej bardzo długą interferometrią bazową (VLBI) anteny na różnych kontynentach zostały połączone, tworząc „anteny macierzowe” o wielkości tysięcy mil.

Galeria

typy

Większość anten macierzowych można podzielić na dwie klasy w zależności od tego, jak oś anten składowych jest powiązana z kierunkiem promieniowania.

  • Szereg szerokokątny to jedno- lub dwuwymiarowy układ, w którym kierunek promieniowania ( listek główny ) fal radiowych jest prostopadły do ​​płaszczyzny anten. Aby promieniować prostopadle, anteny muszą być zasilane w fazie.
  • Układ endfire to układ liniowy, w którym kierunek promieniowania jest wzdłuż linii anten. Anteny muszą być zasilane z różnicą faz równą separacji sąsiednich anten.

Istnieją również układy (takie jak układy fazowane ), które nie należą do żadnej z tych kategorii, w których kierunek promieniowania jest ustawiony pod innym kątem do osi anteny.

  • Układ sterowany — Jest to układ, w którym poszczególne anteny składowe są „napędzane” — podłączone do nadajnika lub odbiornika. Pojedyncze anteny, które są zwykle identyczne, często składają się z pojedynczych napędzanych elementów , takich jak dipole półfalowe , ale mogą to być również anteny kompozytowe, takie jak anteny Yagi lub anteny obrotowe .
    • Układ współliniowy - układ burtowy składający się z wielu identycznych anten dipolowych ustawionych pionowo w jednej linii. Jest to antena dookólna o dużym wzmocnieniu , często używana w paśmie VHF jako anteny nadawcze dla stacji telewizyjnych i anteny stacji bazowych dla radiotelefonów lądowych .
      • Superturnstile lub Batwing array - wyspecjalizowana antena pionowa używana do nadawania programów telewizyjnych, składająca się z wielu skrzyżowanych anten dipolowych zamontowanych współliniowo na maszcie. Dookólna charakterystyka promieniowania o wysokim wzmocnieniu i szerokim paśmie.
    • Układ planarny - płaski dwuwymiarowy układ anten. Ponieważ układ anten dookólnych emituje dwie wiązki oddalone od siebie o 180 ° z obu stron anteny, często jest on montowany przed reflektorem lub składa się z anten kierunkowych, takich jak anteny Yagi lub spiralne, w celu uzyskania wiązki jednokierunkowej .
    • Układ odblaskowy - płaski układ anten, często dipoli półfalowych zasilanych w fazie, przed płaskim reflektorem, takim jak metalowa płyta lub ekran z drutu. To emituje pojedynczą wiązkę fal radiowych prostopadłą (boczną) do tablicy. Używane jako anteny telewizyjne UHF i anteny radarowe.
      • Szyna kurtynowa - zewnętrzna przewodowa krótkofalowa antena nadawcza składająca się z płaskiego układu dipoli drutowych zawieszonych przed pionowym reflektorem wykonanym z „kurtyny” równoległych drutów. Używany w paśmie HF jako antena nadawcza na duże odległości dla stacji nadawczych na falach krótkich. Może być sterowany jako układ fazowany.
      • Antena mikropaskowa - układ anten krosowych wykonanych na płytce drukowanej z folią miedzianą na odwrocie pełniącą funkcję reflektora. Elementy podawane są przez linie paskowe wykonane z folii miedzianej. Stosowane jako anteny UHF i telewizji satelitarnej.
    • Animacja pokazująca, jak działa macierz fazowana.
      Układ fazowany lub układ skanowany elektronicznie — układ płaski, w którym wiązka może być sterowana elektronicznie tak, aby wskazywała dowolny kierunek pod szerokim kątem przed układem, bez fizycznego przesuwania anteny. Prąd z nadajnika jest doprowadzany do każdej anteny składowej przez przesuwnik fazowy , sterowany przez komputer. Zmieniając względną fazę prądów zasilających, wiązkę można natychmiast skierować w różnych kierunkach. Technika ta, szeroko stosowana w radarach wojskowych, szybko rozprzestrzenia się w zastosowaniach cywilnych.
      • Passive Electronically Scanned Array (PESA) — układ fazowany, jak opisano powyżej, w którym elementy anteny są zasilane z pojedynczego nadajnika lub odbiornika przez przesuwniki fazowe.
      • Active Electronically Scanned Array (AESA) — układ fazowy, w którym każdy element anteny ma własny moduł nadajnika i/lub odbiornika, kontrolowany przez centralny komputer. Ta technologia Phased Array drugiej generacji może emitować jednocześnie wiele wiązek na wielu częstotliwościach i jest stosowana głównie w zaawansowanych radarach wojskowych.
    • Układ konformalny - dwuwymiarowy układ fazowany, który nie jest płaski, ale dopasowuje się do zakrzywionej powierzchni. Poszczególne elementy są napędzane przez przesuwniki fazowe , które kompensują różne długości ścieżek, umożliwiając antenie emitowanie wiązki fal płaskich. Anteny konformalne są często zintegrowane z zakrzywioną powłoką samolotów i pocisków, aby zmniejszyć opór aerodynamiczny.
    • Inteligentna antena , rekonfigurowalna antena lub układ adaptacyjny - układ odbiorczy, który szacuje kierunek nadejścia fal radiowych i elektronicznie optymalizuje wzór promieniowania w celu jego odbioru, syntetyzując główny płat w tym kierunku. Podobnie jak układ fazowany, składa się z wielu identycznych elementów z przesuwnikami fazowymi w przewodach zasilających, kontrolowanych przez komputer.
  • Log-periodic dipole array (LPDA) - tablica endfire składająca się z wielu elementów napędzanych dipolami w linii, o stopniowo rosnącej długości. Działa jako antena szerokopasmowa o dużym zysku. Używane jako anteny odbiorcze telewizji i do komunikacji krótkofalowej.
  • Antena telewizyjna na dachu , układ pasożytniczy Endfire składający się z kombinacji anteny Yagi i okresowej anteny logarytmicznej
    Układ pasożytniczy - Jest to układ typu endfire, który składa się z wielu elementów antenowych w linii, z których tylko jeden element napędzany jest podłączony do nadajnika lub odbiornika, podczas gdy inne elementy, zwane elementami pasożytniczymi , nie są. Elementy pasożytnicze działają jak rezonatory , pochłaniając fale radiowe z napędzanego elementu i wypromieniowując je inną fazą, aby zmodyfikować charakterystykę promieniowania anteny, zwiększając moc promieniowaną w pożądanym kierunku. Ponieważ mają one tylko jeden napędzany element, często nazywane są „antenami” zamiast „matrycami”.
    • Antena Yagi – Uda lub antena Yagi - ta macierz typu endfire składa się z wielu półfalowych elementów dipolowych w jednej linii. Składa się z pojedynczego napędzanego elementu z wieloma pasożytniczymi elementami „kierunkowymi” w kierunku promieniowania i zwykle pojedynczego elementu pasożytniczego „odbłyśnika” za nim. Są szeroko stosowane w HF , VHF i UHF jako anteny telewizyjne, krótkofalowe anteny komunikacyjne oraz w tablicach radarowych.
    • Antena poczwórna — składa się z wielu anten pętlowych w jednej linii, z jedną napędzaną pętlą, a pozostałe pasożytnicze. Działa podobnie do anteny Yagi.

Projektowanie szyków antenowych

W szyku antenowym zapewniającym stałą charakterystykę promieniowania możemy uznać, że sieć zasilająca jest częścią szyku antenowego. Zatem układ antenowy ma jeden port. Możliwe jest tworzenie wąskich wiązek, pod warunkiem, że fazowanie każdego elementu układu jest odpowiednie. Jeśli dodatkowo amplituda wzbudzenia otrzymywanego przez każdy element (podczas emisji) jest również dobrze dobrana, możliwe jest zsyntetyzowanie układu z jednym portem, mającego charakterystykę promieniowania, która jest bardzo zbliżona do określonej charakterystyki. Wiadomo, że zmiany w rozkładzie prądu wpływają na charakterystykę promieniowania po zastosowaniu w macierzach. [ potrzebne źródło ] Opracowano wiele metod syntezy wzorców macierzowych. Dodatkowe kwestie, które należy wziąć pod uwagę, to dopasowanie, wydajność promieniowania i przepustowość.

Konstrukcja elektronicznie sterowanego układu antenowego jest inna, ponieważ można zmieniać fazowanie każdego elementu, a być może także względną amplitudę dla każdego elementu. W tym przypadku układ anten ma wiele portów, więc kwestie dopasowania i wydajności są bardziej zaangażowane niż w przypadku pojedynczego portu. Ponadto dopasowanie i wydajność zależą od wzbudzenia, z wyjątkiem sytuacji, gdy interakcje między antenami można zignorować.

Układ antenowy używany do dywersyfikacji przestrzennej i/lub multipleksowania przestrzennego (które są różnymi typami komunikacji radiowej MIMO) zawsze ma wiele portów. Ma na celu odbieranie niezależnych wzbudzeń podczas emisji i dostarczanie mniej lub bardziej niezależnych sygnałów podczas odbioru. Tutaj również wchodzą w grę kwestie dopasowania i wydajności, zwłaszcza w przypadku anteny urządzenia mobilnego (patrz rozdział 10), ponieważ w tym przypadku otoczenie anteny wpływa na jej zachowanie i zmienia się nadgodziny. Odpowiednie metryki dopasowania i metryki wydajności uwzględniają najgorsze możliwe wzbudzenia.

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Antenna_array&oldid=1134326647 ”