Антенные решетки. Фазированные антенные решетки: принципы работы, характеристики и применение

Что такое фазированная антенная решетка. Как работает ФАР. Какие бывают типы ФАР. Каковы основные характеристики ФАР. Где применяются фазированные антенные решетки. Каковы преимущества и недостатки ФАР.

Что такое фазированная антенная решетка (ФАР)

Фазированная антенная решетка (ФАР) — это сложная антенная система, состоящая из множества отдельных излучающих элементов, фазы сигналов которых могут регулироваться для формирования направленного излучения.

Основные компоненты ФАР:

• Излучающие элементы (антенны)
• Фазовращатели
• Система управления фазами
• Система питания и распределения сигнала

Принцип работы ФАР основан на явлении интерференции электромагнитных волн. Изменяя фазы сигналов отдельных излучателей, можно управлять направлением главного лепестка диаграммы направленности антенны.

Принцип работы фазированной антенной решетки

Как работает ФАР? Рассмотрим основные этапы:

1. Входной сигнал поступает в систему распределения
2. Сигнал распределяется по излучающим элементам
3. Фазовращатели изменяют фазы сигналов для каждого элемента
4. Излучатели формируют электромагнитные волны с заданными фазами
5. Волны интерферируют в пространстве, образуя направленное излучение

За счет изменения фаз можно электрически сканировать лучом антенны в широком секторе углов без механического поворота самой антенны.

Основные типы фазированных антенных решеток

Существует несколько основных типов ФАР:

По расположению излучателей:

• Линейные — излучатели расположены вдоль одной линии
• Плоские — излучатели образуют двумерную решетку
• Объемные — трехмерное расположение излучателей

По типу управления фазой:

• Аналоговые — плавное управление фазой
• Цифровые — дискретное изменение фазы

По принципу работы:

• Активные — с усилителями в каждом канале
• Пассивные — без усилителей в каналах

Выбор типа ФАР зависит от конкретного применения и требуемых характеристик.

Ключевые характеристики фазированных антенных решеток

Основные параметры, определяющие работу ФАР:

• Количество излучающих элементов
• Расстояние между элементами
• Рабочая частота
• Ширина диаграммы направленности
• Коэффициент усиления
• Сектор сканирования
• Скорость сканирования
• Уровень боковых лепестков

Чем больше элементов содержит ФАР, тем уже можно сформировать главный лепесток и выше коэффициент усиления. При этом возрастает сложность и стоимость системы.

Области применения фазированных антенных решеток

ФАР нашли широкое применение в различных областях:

• Радиолокация — обзорные и сопровождающие РЛС
• Системы связи — спутниковая и мобильная связь
• Радиоастрономия — радиотелескопы
• Системы радиоэлектронной борьбы
• Метеорологические радары
• Системы радионавигации

Особенно эффективно использование ФАР в многофункциональных радиолокационных комплексах, где требуется быстрое переключение режимов работы.

Преимущества фазированных антенных решеток

ФАР обладают рядом важных достоинств по сравнению с обычными антеннами:

• Высокая скорость сканирования луча (доли микросекунд)
• Возможность одновременного формирования нескольких лучей
• Адаптивное формирование диаграммы направленности
• Электронное управление положением луча без механического поворота
• Высокая надежность за счет резервирования элементов
• Возможность создания низкопрофильных конструкций антенн

Эти преимущества обеспечивают широкие функциональные возможности систем на основе ФАР.

Недостатки и ограничения фазированных антенных решеток

При всех достоинствах ФАР имеют и определенные недостатки:

• Высокая сложность и стоимость
• Значительное энергопотребление
• Проблемы с отводом тепла в активных ФАР
• Ограниченный сектор сканирования (обычно до ±60°)
• Изменение характеристик при отклонении луча от нормали
• Сложность калибровки большого числа каналов

Эти ограничения необходимо учитывать при проектировании систем на основе ФАР и выборе оптимальных технических решений.

Современные тенденции развития фазированных антенных решеток

Основные направления совершенствования ФАР:

• Применение новых материалов и технологий (GaN, SiGe)
• Интеграция СВЧ-элементов на одном кристалле
• Использование оптических линий для распределения сигналов
• Внедрение цифровых методов формирования луча
• Создание адаптивных и когнитивных ФАР
• Разработка гибридных зеркальных ФАР

Развитие этих технологий позволит создавать более эффективные и доступные системы на основе ФАР для различных применений.

Фазированные антенные решетки / Хабр

На хабре уже есть статья, посвященная антеннам. Продолжая тему, хочу рассказать хабраобществу о принципах работы фазированных антенных решеток (ФАР). ФАР нашли широкое применение в радиолокационных комплексах, противоракетной обороне, космической связи; применение в гражданских объектах (коммерческих) затруднено сложностью изготовления и дороговизной. Возможно кто-то заинтересуется тематикой и придумает эффективное применение ФАР для коммерческого применения.

Что это?

ФАР это группа излучателей (фазовращателей, ФВ), в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно по определенному закону так, что эффективное излучение ФАР усиливается в желаемом направлении и подавляется во всех остальных. ФАР это матрица, где элементом матрицы является ФВ, но конечно же ФВ в пространстве могут иметь и другие конфигурации. На рисунке 1 показана РЛС секторного обзора «Имбирь», входит в состав зенитно-ракетного комплекса С300В. Можно увидеть и ФАР, и облучающий рупор.

Рисунок 1.

Как происходит фазирование?

Есть простая формула из курса физики: V = c/sqrt(mu*eps). В этой формуле V – фазовая скорость электромагнитной волны, с c – скорость света в вакууме, mu – магнитная проницаемость, eps – диэлектрическая проницаемость. Из этой формулы видно, что фазовая скорость зависит от мю и эпсилон, и меняя эти величины мы можем вводить задержку ЭМ волны через ФВ. Поэтому ФВ бывают ферритовые (можем менять их магнитную проницаемость) и сегнетоэлектрические (можем менять их диэлектрическую проницаемость). Питание к фазовращателям осуществляется по воздушному тракту (как на рис. 1) или посредством волноводов (например, в малогабаритных зенитно-ракетных комплексах, рис. 2).

Рисунок 2. ЗРК «Тор».

Схема ФАР на рис. 4 [1]: антенна представляет собой линейку излучателей, между разделителем мощности и излучателями включены ФВ. Ферритовый ФВ представляет собой аналоговый феррит цилиндрической формы, на который намотаны обмотки управления. Изменяя ток в обмотках управления (задается блоком управления ФВ) изменяется магнитная проницаемость и соответственно фазовая скорость ЭМ волны в ФВ. Таким образом, последовательно изменяя уровень сигнала управления в обмотках процесс формирования волнового фронта может представлен как показано на рисунке 3, 4 (одномерный случай). Можно провести аналогию с камешками, которые последовательно кидаем в воду. Еще одной аналогией работы ФАР может служить линза. На рисунке 5 показано изменение формы волнового фронта с помощью линзы [4].

Рисунок 3. Формирование волнового фронта.

Рисунок 4. Схема ФАР.

Рисунок 5.

Основной луч располагается перпендикулярно фазовому фронту. Из диаграммы направленности (рис. 6) видно, что кроме основного луча есть обратный и боковые лепестки, которые являются паразитными и уменьшение их уровня является вопросом распределения ЭМ поля в апертуре решетки. Изменение положения луча в пространстве происходит электрическим образом (практически безынерционно) – именно это качество особенно важно.

Рисунок 6. Типичная диаграмма направленности.

Электрическое сканирование обеспечивает создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных – каждым фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе работы всего радиоустройства, в которое входит ФАР [2,3].

Рисунки к статье можно найти в указанной литературе, кроме рисунка 3. Для более подробного ознакомления с ФАР и управлением ими могу порекомендовать книгу Самойленко и Шишова, «Управление фазированными антенными решетками».

Литература:

1. О. Г. Вендик, «Фазированная антенная решетка – глаза радиотехнической системы», 1997 г.
2. ru.wikipedia.org/wiki Фазированная_антенная_решетка
3. en.wikipedia.org/wiki/Phased_array
4. ru.wikipedia.org/wiki/Линза

Характеристики луча и множитель линейной решетки

Питер Делос (Peter Delos), Боб Бротон (Bob Broughton), Джон Крафт (Jon Kraft)

Диаграммы направленности фазированной антенной решетки Часть 1: Характеристики луча
и множитель линейной решетки

Статья опубликована в журнале «Компоненты и технологии » №10 2020

Введение
Широкое распространение фазированных антенных решеток в коммерческих, аэрокосмических и оборонных приложениях приводит к тому, что работу с данными конструкциями доверяют инженерам, которые лишь поверхностно знакомы с принципом работы данных устройств. Термин «фазированная антенная решетка», как и сама конструкция, далеко не новы, их теоретическая часть разрабатывалась на протяжении нескольких десятилетий, однако большинство существующих публикаций ориентировано преимущественно на специалистов,
хорошо разбирающихся в математическом анализе и электромагнитных полях. В связи с тем, что фазированные антенные решетки все чаще используются в системах по работе со смешанными сигналами, многим разработчикам пригодилось бы простое объяснение понятий и принципов построения их диаграмм направленности. Как оказалось, существует достаточно много аналогий между поведением фазированных антенных решеток и системами с временной дискретизацией, с которыми инженеры, работающие в области смешанных сигналов, встречаются практически каждый день. Данная статья не предназначена для инженеров‑проектировщиков антенн, ее цель скорее помочь разработчикам, работающим с подсистемами или компонентами, используемыми в фазированных решетках. Статья поможет в некоторой степени визуализировать принципы, определяющие, как-то или иное действие инженера может повлиять на диаграмму направленности фазированной антенной решетки.

Направление луча
Для начала рассмотрим интуитивно понятный пример управления лучом фазированной решетки. На рис. 1 представлено падение волнового фронта на четыре антенных элемента с двух разных направлений. В приемном тракте после получения сигнала с каждого антенного элемента включается временная задержка, после чего все четыре сигнала суммируются. На рис. 1а временная задержка соответствует разнице по времени достижения волнового фронта каждого антенного элемента. Включение задержки приводит к тому, что четыре сигнала оказываются синхронизированными по фазе, и результирующий сигнал на выходе сумматора возрастает. На рис. 1б применяется тот же принцип и величина временной задержки, однако в этом случае волновой фронт перпендикулярен элементам антенны и сигналы с элементов оказываются смещены по фазе, что приводит к уменьшению уровня результирующего сигнала на выходе сумматора.

Рис. 1. Значение угла луча при установке временной задержки:
а) временная задержка соответствует разнице по времени достижения волнового фронта каждого антенного элемента;
б) при тех же условиях волновой фронт перпендикулярен элементам антенны и сигналы с элементов смещены по фазе

В фазированных решетках в качестве временной задержки выступает некая измеряемая величина, зависящая от расстояния между элементами и угла луча. Однако данную задержку можно сымитировать при помощи фазового сдвига сигнала, что является довольно полезным решением, когда речь заходит о практическом применении. Влияние задержки и фазового сдвига на положение луча будет рассмотрено далее, а пока обратим внимание на способы реализации самого фазового сдвига, а затем выведем формулу, которая бы показала его влияние на параметры луча.
На рис. 2 представлена схема фазированной антенной решетки с использованием сдвига фаз для управления лучом вместо временной задержки. Ось визирования (θ = 0°) направлена перпендикулярно лицевой стороне антенны, таким образом угол θ принимает положительное значение справа от оси визирования и отрицательное — слева.

Рис. 2. Принцип работы фазированной решетки с использованием сдвига фаз
вместо временных задержек

Для того чтобы упростить понимание и визуализировать величину фазового сдвига между соседними элементами решетки, используем набор прямоугольных треугольников, как это показано на рис.  3. Фазовый сдвиг между соседними элементами обозначен на рисунке как ΔΦ.

Рис. 3. Расчет фазового сдвига ΔΦ в зависимости от угла поворота луча:
а) взаимосвязь соседних элементов антенны с точки зрения геометрии;
б, в) сумма углов θ+j = 90°, что позволяет нам вычислить величину L — расстояние,
на которое происходит распространение волны

На рис. 3a определена взаимосвязь соседних элементов антенны с точки зрения геометрии. Каждый элемент отделен от соседнего расстоянием, обозначенным на схеме литерой d, его также называют шагом антенной решетки. Луч отклонен от оси визирования на угол θ или на угол j, если считать отклонение от условной горизонтальной линии. Из рис. 3б мы видим, что сумма углов θ+j = 90°. Данное соотношение позволяет нам вычислить величину L — расстояние, на которое происходит распространение волны, как L = dsin (θ). Временная задержка в таком случае будет равна времени, которое потребуется волновому фронту для преодоления расстояния L. Если мы примем величину L за длину волны, что подходит по определению, то временную задержку можно будет вычислить по формуле ∆t = L/c, где c = 3×10 ⁸ м/с, величина фазового сдвига в таком случае определяется в соответствии с принципом рис. 3в:
ΔΦ = (2πdsinθ)/λ.

Если шаг антенной решетки составляет ровно половину длины волны сигнала, то уравнение определения фазового сдвига можно упростить до вида:
ΔΦ = πsinθ, при d = λ/2. (2)

В качестве примера, используем данные уравнения для расчета фазового сдвига для решетки из двух элементов, расположенных на расстоянии 15 мм друг от друга. Если волновой фронт с частотой 10,6 ГГц падает под углом 30° (θ = 30° = 0,52 рад) от оси визирования, то оптимальное значение фазового сдвига будет определяться как:
λ = c/f = (3×108 м/с)/10,6 ГГц = 0,0283 м,
∆Φ = (2πdsinθ)/λ = 2π х 0,015 х sin (0,52)/0,0283 м = 1,67 рад = 95°.

Таким образом, если волновой фронт падает под углом θ = 30°, то при сдвиге фазы соседнего элемента на 95° мы можем добиться того, что сигналы с элементов системы будут складываться когерентно, что максимизирует усиление антенны в данном конкретном направлении.

Рис. 4. Фазовый сдвиг ΔΦ в зависимости от угла отклонения луча (θ) для трех случаев соотношения d/λ

Для лучшего понимания зависимости фазового сдвига от положения луча на рис. 4 приведены графики, построенные на основе формулы (1) при различных соотношениях d/λ. В том случае, когда d = λ/2, вблизи оси визирования график имеет наклон 3:1, что обусловлено множителем π, как это показано в формуле (2). Данный график также демонстрирует, что фазовый сдвиг между элементами величиной 180° обеспечивает теоретическое отклонение луча от оси визирования на 90°. Это идеальный случай, и на практике осуществить такое отклонение невозможно. Также следует обратить внимание, что при d > λ/2, вне зависимости от величины фазового сдвига, отклонение луча на 90° никогда не будет достигнуто. Далее в статье мы увидим, что при d > λ/2 на диаграмме направленности антенны появляются нежелательные лепестки, но уже сейчас становится понятно, что со случаем, когда d > λ/2, происходит что-то не то.

Эквидистантная линейная антенная решетка
Приведенные выше уравнения ориентированы на применение для систем с двумя элементами. Однако на практике фазированная антенная решетка может состоять из тысяч элементов, расположенных в нескольких плоскостях. Для упрощения расчетов будем рассматривать только решетки с расположением элементов в одной плоскости, то есть линейные антенные решетки.
Линейная антенная решетка представляет собой решетку, состоящую из N элементов. Расстояние между элементами может иметь различное значение, но чаще всего на практике используются эквидистантные антенные решетки, то есть решетки с равным расстоянием между элементами (рис. 5).

Рис. 5. Эквидистантная линейная антенная решетка (N = 4)

Несмотря на довольно простую структуру, данный тип решетки обеспечивает прекрасную основу для понимания процесса формирования диаграммы направленности антенны в зависимости от различных условий. Кроме того, принципы, служащие основой для построения диаграммы при использовании линейной антенной решетки, также могут быть применимы и для систем с двупространственным распределением элементов.

Противостояние ближнего и дальнего поля
Итак, как же мы можем использовать ранее созданные уравнения для N = 2 элементов в случае, когда антенная решетка состоит из N = 10 000? Если посмотреть на рис. 6, то станет понятно, что угол падения фронта сигнала на каждый следующий элемент отличается от предыдущего.

Рис. 6. Источник РЧ-сигнала, расположенный рядом с линейной антенной решеткой

Когда источник сигнала находится рядом с решеткой, угол падения сигнала отличается для каждого элемента. В таких случаях говорят, что источник сигнала находится в ближнем поле, или ближней зоне антенны. Мы, конечно, можем рассчитать угол падения для каждого элемента отдельно, и иногда это необходимо сделать, например, если требуется глубокая калибровка антенны или расположение источника невозможно изменить, но куда более простым вариантом является расположение источника сигнала в дальнем поле антенны (рис. 7).

Рис. 7. Источник РЧ-сигнала расположен вдали от линейной антенной решетки

При расположении источника сигнала в дальнем поле большой радиус сферического волнового фронта приводит к тому, что линии распространения волн сигнала на подступах к антенной решетке оказываются параллельны. Как следствие, углы отклонения луча будут равны, и каждый соседний элемент будет иметь длину пути, которую необходимо преодолеть фронту сигнала на dsinθ больше, чем у его соседа. Данный вывод значительно упрощает расчеты и означает, что выведенные ранее уравнения (1) и (2) могут быть применены для расчета линейных решеток с несколькими тысячами элементов при условии, что они имеют одинаковый шаг.
Но как вычислить, где начинается дальнее поле? Начало дальнего поля можно условно принять за величину, определяемую по формуле:
Дальнее поле >2D²/λ, (3)

где D — диаметр антенны ((N-1) х d для эквидистантной линейной решетки).
Для линейных решеток с небольшим количеством компонентов (небольшое значение D) или при работе с низкочастотными сигналами (большая λ) расстояние до дальнего поля имеет небольшую величину, однако если количество элементов в решетке составляет несколько тысяч, а сама система работает исключительно на высоких частотах, расстояние до начала дальнего поля может измеряться десятками, а то и сотнями километров. Столь большое расстояние значительно затрудняет тестирование и калибровку системы. В таких случаях рекомендуется выполнить более подробный расчет и построение модели при расположении источника сигнала в ближнем поле, а затем скорректировать их при построении решения для использования в реальных условиях, в том числе с расположением источника в дальнем поле.

Усиление, направленность и апертура антенны
Прежде чем мы перейдем к расчету и построению диаграмм, не лишним будет определить усиление, направленность и апертуру антенны. Начнем с небольшого пояснения относительно усиления и направленности антенны, поскольку их часто меняют местами из-за сходных формул расчета. Данные величины определяются путем сравнения с показателями изотропной антенны — идеальной антенны, которая излучает равномерно во всех направлениях. Направленность антенны — это сравнение максимальной измеренной мощности Pmax в определенном направлении со средней мощностью, излучаемой во всех направлениях, Pav. Когда направление не определено, направленность вычисляется по формуле:
D = Pmax/Pav. (4)

Направленность — это важная характеристика, используемая при сравнении антенн, поскольку именно она определяет способность фокусировать энергию в одном направлении.
Усиление рассчитывается по той же формуле, однако помимо максимальной измеренной мощности Pmax и мощности, излучаемой во всех направлениях, Pav в нее также добавляется коэффициент потерь:
G = kD, (5)

где k = Prad/Pin, Prad — это общая излучаемая мощность, Pin — входная мощность антенны, k — коэффициент потерь.
Перенесем диаграмму направленности антенны в трехмерную плоскость и рассмотрим направленность антенны как функцию ширины луча (рис. 8).

Рис. 8. Диаграмма направленности антенны, спроецированная на сферу

Общая площадь поверхности сферы равна 4π2, поверхность сферы, наблюдаемая из ее центра, образует телесный угол 4π стерадиан. Следовательно, плотность мощности изотропной антенны будет равна (Вт/м2):
Prad/4πr2. (6)
Существует два угла направления (или угла положения) для площади сферы. В радиолокационных системах их обычно называют азимутом и углом места. Ширина луча может быть описана как функция углов направления θ1 и θ2, которые создают на сфере область ΩA — ширину луча в стерадианах. Значение ΩA можно аппроксимировать как ΩA ≈ θ1 х θ2.
С учетом определения ΩA как области на сфере, организованной углами направления, направленность антенны можно определить по формуле:
D = 4π/ΩA ≈ 4π/θ1 х θ2. (7)

Третья характеристика антенны, которая также заслуживает внимания — это апертура. Апертура антенны — это часть площади сферы для приема электромагнитных волн. Размер данной площади зависит от длины волны. Апертура изотропной антенны определяется по формуле:
Aisotropic = λ2/4π. (8)

Эффективная (реальная) апертура антенны будет завесить также от уровня ее усиления и определяться по формуле:
Ae = Gλ2/4π. (9)

Собрав все части вместе, мы увидим, что усиление антенны можно рассматривать как функцию угла, который определяет диаграмму направленности и учитывает эффективность (или потери) в антенне.

Рис. 9. Множитель элемента и массива решетки

Множитель линейной решетки
В данном разделе мы попробуем определить оптимальную временную задержку (или разность фаз) между элементами решетки для достижения максимальной направленности антенны. Но сначала желательно получить определение полного усиления антенны и понять принципы управления им. Для получения полного усиления нам необходимо обратить внимание на два параметра: коэффициент усиления каждого отдельного элемента решетки, также называемого множителем элемента (Ge), и влияние, которое мы можем оказать посредством формирования луча при помощи элементов решетки, называемого также множителем массива элементов, или множителем решетки (Ga). В таком случае полное усиление антенной решетки будет определяться о формуле (в дБ):
G (θ) = Ge (θ)+Ga (θ). (10)

Множитель элемента Ge — это, по сути, диаграмма направленности одного элемента в решетке. Данный множитель определяется геометрией и конструкцией антенны и не зависит от условий эксплуатации или электротехнических характеристик. Множитель важно принимать во внимание, так как он способен ограничить усиление всей решетки. Поскольку мы не можем воздействовать на множитель элемента посредством изменения электрических величин, примем его как некую константу, которая, тем не менее, оказывает непосредственное влияние на величину полного усиления фазированной решетки. В статье мы предполагаем, что все отдельные элементы решетки имеют одинаковый множитель.
Другой важный параметр — множитель решетки Ga, который рассчитывается на основе геометрии решетки (d для эквидистантной линейной решетки) и «веса» луча (амплитуда и фаза). Вывод формулы множителя решетки, а также их вариаций для линейной антенной решетки не является сложной задачей, однако во избежание перегрузки статьи читателю
лучше обратиться за подробностями к публикациям, указанным в списке литературы. Для дальнейшего расчета мы будем ориентироваться на уравнения, выведенные в статье ранее, что приведет к лучшей согласованности с нашими определениями, приведенными на рис. 2 и 3.
Так как основная проблема состоит в определении изменения усиления решетки, наиболее оптимальным вариантом будет построить график зависимости нормализованного множителя от единичного усиления. Нормализованный множитель решетки в свою очередь можно представить в виде следующей формулы:

где θ — угол луча.
Ранее мы уже определяли угол луча θ0 как функцию фазового сдвига между элементами, следовательно, мы также можем представить формулу нормализованного множителя решетки как:

Для того чтобы приведенное выше уравнение могло быть применимо к существующей системе, необходимо соблюсти следующие условия:
• элементы решетки расположены на одинаковом расстоянии;
• между элементами имеется равный фазовый сдвиг;
• все элементы имеют одинаковую амплитуду.
Используя полученные уравнения, построим график множителя решетки для нескольких размеров решетки (рис.  10, 11).

Рис. 10. График функции нормализованного множителя линейной решетки с шагом элементов d = λ/2 и количеством элементов 8, 16 и 32 соответственно

Рис. 11. График функции нормализованного множителя линейной решетки с шагом элементов d = λ/2 и количеством элементов 32 при разных углах луча

Проанализировав рис. 11 и 12, можно сделать следующие выводы:
• Амплитуда первого бокового лепестка от оси визирования составляет -13 дБ независимо от количества элементов. Это связано с функцией sin в уравнении множителя решетки. Амплитуда данных лепестков может быть увеличена за счет постепенного увеличения коэффициента усиления по элементам.
• Ширина луча уменьшается с увеличением количества элементов решетки.
• Ширина луча увеличивается по мере того, как луч отклоняется от оси визирования.
• Количество лучей увеличивается по мере увеличения количества элементов.

Рис. 12. Определение ширины луча антенны (линейная решетка N = 8, d = λ/2, θ = 30°)

Ширина луча
Ширина луча представляет собой показатель углового разрешения антенн. Чаще всего ширина луча определяется либо шириной луча половинной мощности (HPBW), либо шириной первого нулевого луча (FNBW). Для того чтобы определить HPBW, необходимо измерить величину угла на уровне ниже на 3 дБ от пика, как показано на рис. 12.
Используя приведенное выше уравнение нормализованного множителя решетки, вычислим точное значение HPBW, установив нормализированный множитель равным уровню половинной мощности (3 дБ или 1/√2).
Предположим, что θ = 0°, N = 8 и d = λ/2, тогда:

Вывод из уравнения ∆Φ дает 0,35 рад. Подставив данное значение в уравнение (1), можно определить угол θ:

В данном случае θ — это пиковое значение до точки 3 дБ, что составляет половину HPBW. Для того чтобы получить окончательное значе ние HPBW, просто удвоим его. Это дает нам HPBW величиной 12,8°.
Если повторить тот же прием для множителя решетки, равного 0, мы получим ширину первого нулевого луча FNBW = 28,5°.
Для эквидистантных линейных антенных решеток аппроксимация HPBW [1, 2] задается следующей формулой:

На рис.  13 показана зависимость ширины луча от угла отклонения для решеток с разной размерностью при расстоянии между элементами, равном λ/2.

Рис. 13. Зависимость ширины луча от угла отклонения при расстоянии между элементами λ/2 и количестве элементов 16, 32 и 100 соответственно

Проанализировав график, можно отметить некоторые аспекты, касающиеся размерности решеток:
• Для точности управления лучом в 1° требуется минимум 100 элементов. Если точность важна как по азимуту, так и по углу места, решетка должна состоять из 10 000 элементов. Точность 1° достигается только по оси визирования в условиях, близких к идеальным. Поддержание точности в 1° при работе в полевых условиях потребует еще большего увеличения количества элементов решетки.
• Решетки из 1000 элементов имеют достаточно широкое распространение. Примером таких решеток служат решетки квадратной формы со стороной, состоящей из 32 элементов, что в сумме дает 1024 элемента. Такие решетки могут обеспечить точность управления лучом на уровне 4° вблизи оси визирования.
• Решетки из 256 элементов серийного производства, которые имеют относительно невысокую цену, могут иметь точность наведения луча менее 10°, что вполне приемлемо для широкого спектра приложений.
• Также следует обратить внимание на тот факт, что для любого из описанных случаев ширина луча удваивается при смещении на 60°. Это связано с cosθ в знаменателе и углом падения фронта сигнала на элементы; размер решетки кажется меньшим в поперечном сечении, если смотреть на него под углом.

Объединение множителей элемента и решетки
В предыдущем разделе основное внимание было уделено только множителю решетки. Но чтобы вычислить общее усиление антенны, нам также потребуется и множитель элемента. На рис. 14 показан пример, в котором множитель элемента, или нормализованное усиление элемента Ge (θ), принимает форму косинуса. График спада косинуса довольно часто встречается при анализе фазированных решеток и может быть достаточно просто визуализирован. У оси визирования график имеет максимальную площадь и по мере
удаления от нее уменьшается в соответствии с функцией косинуса.

Рис. 14. Множитель элемента и множитель решетки образуют общую диаграмму направленности антенны

Множитель решетки GA (θ) был взят для линейной решетки из 16 элементов с шагом λ/2 и однородной диаграммой направленности. Общий график, обозначенный на рисунке синим цветом, представляет собой график функции, полученной в результате перемножения множителя элемента и множителя решетки, то есть сложения в графиков в шкале дБ.
Проанализировав график и отклонение луча от оси визирования можно сделать следующие выводы:
• амплитуда общего графика уменьшается в соответствии с графиком множителя элемента;
• лепестки, расположенные по бокам оси визирования, не теряют амплитуду;
• характеристики боковых лепестков элементов решетки ухудшаются за пределами оси визирования.

Декартова и полярная системы координат
До сих пор мы строили диаграммы направленности антенн в декартовой системе координат. Но более распространенным решением является построение диаграмм в полярных координатах, поскольку они более репрезентативны с точки зрения энергии, излучаемой антенной в пространство. Рис. 15 — это переориентированная в полярную систему координат версия рис. 12, данные и значения на этих рисунках полностью совпадают. Следует иметь возможность и умение построить диаграмму направленности для антенны в любом представлении, поскольку оба они используются в литературе и специальной документации. Для данной и последующих статей серии мы будем использовать преимущественно декартову систему координат, поскольку в этом представлении проще сравнивать ширину луча и характеристики боковых лепестков диаграммы.

Рис. 15. Диаграмма направленности антенны в полярных координатах для N = 8, d = T/2, ∅ = 30°

Двунаправленность антенной решетки
В данной статье текст и графики приведены для антенных решеток, которые принимают cигнал. Но что изменится, если антенна будет настроена на передачу? К счастью, большинство антенных решеток являются двунаправленными и все диаграммы, уравнения и терминология одинаковы для передачи и приема. При построении диаграмм лучше ориентироваться по текущей ситуации — иногда легче представить луч, принимаемый антенной решеткой, а иногда, например, в случае изучения формы лепестков, может оказаться проще думать, что антенная решетка работает в передающем режиме.

Заключение
Статья является первой частью серии, в ней была описана концепция и основные принципы управления лучом с помощью фазированной решетки, выведены основополагающие формулы и построены графики на их основе. Кроме того, в статье были рассмотрены множитель решетки, множитель элемента и сделаны выводы о том, как количество элементов, расстояние между ними и угол луча влияют на работу антенны. Последним пунктом статьи было сравнение диаграмм направленности антенн в декартовых и полярных координатах.
В следующих публикациях серии будут более подробно рассмотрены диаграммы направленности фазированных антенных решеток и их искажения. Мы изучим, как изменение
формы антенны влияет на боковые лепестки, как формируются лепестки решетки, как влияет сдвиг фазы на временную задержку в широкополосных системах. Серия завершится анализом разрешения блока задержки и того, как он может создавать боковые лепестки квантования и ухудшать разрешение луча.

Литература
1. Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design. 3rd Edition. Wiley, 2005.
2. Mailloux R. J. Phased Array Antenna Handbook. 2rd Edition. Artech House, 2005.
3. O’Donnell R. M. Radar Systems Engineering: Introduction. IEEE, June 2012.
4. Скольник (Skolnik), Меррилл (Merrill). Radar Handbook. 3rd Edition. McGraw-Hill, 2008.

Основы, архитектура, типы и приложения

Антенна является наиболее важным компонентом радиооборудования, и антенны были впервые разработаны Генрихом Герцем в 1888 году. Позже антенны были разработаны для использования на больших расстояниях. и беспроводной телеграф. Продолжая тему антенны, Фердинанд Браун изобрел концепцию антенной решетки, разместив три монополя в форме треугольника. Итак, давайте подробнее обсудим потребность в антенной решетке, определение антенной решетки , диаграмма направленности, ее усиление и несколько примеров.

Прежде чем перейти к детальной концепции антенной решетки, давайте начнем с основ антенной решетки .

Название антенной решетки указывает на то, что это решетка антенн, соединенных вместе и функционирующих как единая антенна, используемая для передачи и приема радиоволн. Ее также называют излучающей системой, включающей отдельные компоненты (антенны) и излучатели. Каждый излучатель в работающей системе удерживает свое определенное индукционное поле. Антенны, находящиеся в системе, расположены так близко друг к другу, что одна антенна находится в поле индукции других антенн. Таким образом, диаграмма направленности системы считается векторной суммой всех отдельных антенн.

При размещении антенн в решетке расстояние между антеннами должно быть правильным и точно совпадать по фазе, что способствует тому, что все антенны в одном направлении будут суммироваться, образуя пучок излучения и компенсироваться во всех других направлениях. Этот тип расположения увеличивает направленность системы. Когда все антенны в системе расположены по прямой линии, это называется линейной антенной решеткой.

Кроме того, когда все компоненты возбуждаются током одинаковой величины, который имеет постоянно ускоряющийся фазовый сдвиг по всей линии, это называется равномерный линейный массив .

Антенная решетка Рабочая

Обычно антенная решетка функционирует с использованием полуволновой дипольной антенны. Принимая во внимание, что длина не совсем такая же, как у полуволнового диполя, и изменяется на 5%.

На рисунке ниже показана архитектура антенной решетки .

Архитектура антенной решетки

Поскольку полуволновая дипольная антенна имеет всенаправленную диаграмму направленности, волны, излучаемые антенной решеткой, имеют более широкий угол. Таким образом, чтобы расширить возможности этих антенн и излучать только в одном конкретном направлении, антенны располагаются в виде решетки. Таким образом, различные компоненты размещаются отдельно с точным интервалом. Кроме того, компоненты одновременно возбуждаются током, имеющим точную фазу.

Считается, что ток в различных компонентах находится в правильной фазе, если он достигает высокого коэффициента усиления при протекании в одном направлении и в один и тот же период времени. Таким образом, когда компоненты снабжены правильной фазой, сферическая форма волны от каждого компонента массива накладывается из-за интерференции и образует плоскую волну. Это считается лучом радиоволн.

Интерференция может быть как деструктивной, так и созидательной, основанной на излучении волн всех составляющих. Когда волны, излучаемые компонентами, находятся в правильной фазе, они конструктивно складываются, увеличивая излучаемую мощность. В то время как, когда волны, излучаемые компонентами, не совпадают по фазе, они деструктивно складываются, так что взаимное подавление приводит к уменьшению излучаемой мощности.

Таким образом, излучение компонентов, находящихся в фазе, образует направленный луч, обладающий большей силой и способный преодолевать большие расстояния.

Также при увеличении общего количества компонентов основной лепесток сужается, а боковые лепестки уменьшаются, что соответствует увеличению коэффициента усиления антенны.

Ниже представлена ​​диаграмма направленности антенной решетки .

 Типы

Типы антенных решеток в основном подразделяются на четыре типа, которые объясняются ниже:

Тип широкополосной антенны

В поперечной антенной решетке аналогичные элементы размещаются параллельно по всей линии, перпендикулярной оси антенны. Это широко используемая конфигурация антенны, и все элементы расположены горизонтально с одинаковым расстоянием между ними, и каждый элемент в решетке снабжается током с одинаковыми уровнями фазы и амплитуды. Когда на элементы подается возбуждение, решетка обеспечивает максимальное излучение в нормальном направлении оси антенны, тогда как в других направлениях доставляется меньшее количество излучения. Это формирует двунаправленную диаграмму направленности.

Широкая антенная решетка

Характеристики поперечной антенной решетки:

• Широкая решетка может варьироваться от 2λ до 10λ.
• Используется в основном для зарубежных радиовещательных систем и используется для диапазонов частот LF, HF и ML.
• Общее количество элементов, используемых в массиве, зависит от необходимого расстояния, цены и ширины луча.
• Когда широкополосная антенная решетка работает вместе с отражателем, направленность и коэффициент усиления антенной решетки в бортовом типе можно увеличить.

Концевая антенна

Расположение элементов в торцевой антенне такое же, как и в боковой антенной решетке, разница заключается в диаграмме возбуждения, подаваемой на торцевую антенну. Здесь элементы 180 ⁰ имеют противофазу. Этот тип расположения обеспечивает максимальное излучение по всей оси решетки.

Торцевая антенна возбуждается током, имеющим аналогичный уровень величины, но с разностью фаз по всей линии, что создает однонаправленную диаграмму направленности. Говорят, что разность фаз должна изменяться в соответствии с увеличением расстояния между элементами.

Противопожарная антенная решетка

Характеристики противопожарной антенной решетки:

• Общее количество элементов, используемых в решетке, зависит от необходимого расстояния, цены и ширины луча.
• Когда широкополосная антенная решетка используется вместе с рефлектором, усиление и направленность могут быть увеличены.
• Используется в основном для зарубежных систем вещания и используется для прямой связи.
• Расстояние между элементами равно λ/4 или (3λ)/4.
• Следует использовать общее количество диполей или элементов одинакового размера.

Коллинеарная Тип

Само название антенны означает, что расположение различных элементов укладывается в одну линию. Расположение линий может быть в горизонтальном или вертикальном направлениях. Возбуждение подается на каждый элемент антенны с током одинаковой фазы и величины. Диаграмма направленности перпендикулярна оси антенной решетки. Таким образом, главный лепесток коллинеарных антенных решеток обеспечивает круговую диаграмму симметрии, которая обеспечивает всенаправленную диаграмму направленности.

Когда элементы расположены на расстоянии от 0,3 до 0,5λ между собой, массив обеспечивает максимальное усиление, тогда как это указывает на проблемы с конструкцией и питанием. Чтобы избежать этих проблем, элементы расположены близко друг к другу. Направленность антенны увеличивается с увеличением длины решетки.

Коллинеарная антенная решетка

Характеристики коллинеарной антенной решетки:

• Коллинеарная решетка с двумя элементами широко используется, поскольку она поддерживает многодиапазонную функциональность.
• В некоторых приложениях используется комбинация коллинеарных, торцевых и боковых антенн, поскольку это максимально увеличивает направленность и коэффициент усиления.
• Коллинеарная решетка из 4-х элементов практически не применяется, так как не дает необходимого усиления по мощности.

Паразитический тип

Это многоэлементные антенные решетки, обеспечивающие максимальное усиление и направленность. Даже не обеспечивая возбуждение каждого элемента в массиве, это помогает решить проблемы с фидерной линией. Здесь основной операцией является питание нескольких элементов в паразитном расположении. В антенной решетке паразитного типа возбуждение обеспечивается только для ведомого элемента, тогда как остальные элементы возбуждаются паразитно.

Паразитный тип

Элементы, которые запитываются в прямом направлении, называются паразитными элементами, и они получают энергию от излучения, испускаемого ведомым компонентом, который находится рядом с ним. Это называется электромагнитной муфтой .

Ток, возникающий в паразитном элементе из-за ведомого компонента, зависит от расстояния (в основном λ/4 и разности фаз 90 ⁰ ), которое присутствует между двумя элементами вместе с настройкой. Паразитная диаграмма направленности массива является результатом того, что отражатель, который находится за ведомым компонентом, добавляет обратно отраженные сигналы с прямой волной.

Антенная решетка Решенные проблемы

1). В однородной антенной решетке линейного типа расстояние между четырьмя изотропными излучающими элементами считается λ/4. Найдите прогрессивный фазовый сдвиг (α) между элементами, чтобы образовался главный лепесток в точке 60 ⁰ вне зенитного огня?

Здесь эффектор нормализатора равен

(AF)normalizer = sin 4 (ψ/2)/ 4 sin (ψ/2)

Ψ рассматривается как полная разность фаз

Ψ = α + β dcosθ

• Ψ = α + (2π/λ) (λ/4) cos 60 ⁰
• 0 = α + (π/2) (1/2)
• α = -(π/4) радиан

2. В антенне компонент магнитного поля в дальней зоне выглядит следующим образом:

H’ϕ = 1/r [sqrt (sinθcosϕ/30π)] A/m, где 0<θ<π и θ<ϕ<π/2. Найти направление антенны y.

W ^ra d = ½ |E’ * H’| = ή/2 |H’| ²

• (ήsinθcosϕ)/2r ² * 30π
• У = г ² Вт _рад = (ή/60π) sinθcosϕ = U ₀ sinθcosϕ
• P _рад =  sinθdθdϕ
• P _рад = U ₀ sin ² θcosϕdθdϕ
• P _рад = U ₀ * π/2
• D = (4πU ₀ )/(P _рад ) = 9,04 дБ

Преимущества и недостатки

Вот преимущества и недостатки антенной решетки .

Преимущества

1. С помощью антенной решетки можно добиться максимальной направленности и усиления.
2. Можно получить максимальный уровень соотношения SNR и хорошую производительность.
3. Минимальные потери мощности
4. В значительной степени редуцированы малые доли.
5. Увеличен уровень сигнала.

Недостатки

1. Обслуживание антенной решетки является сложным.
2. Для установки этой системы требуется больше космического пространства.
3. Система показывает высокие резистивные потери.

Применение антенной решетки

Вот несколько областей применения антенной решетки:

• Антенная решетка находит важные применения в области связи.
• Используется в военных радиолокационных системах.
• В основном используется для дальней связи.
• Спутниковая и беспроводная передача.
• Используется в астрономических наблюдениях.

Как работает антенная решетка?

Антенная решетка использует несколько антенн для захвата и передачи сигналов в разных направлениях. Направленность антенн можно отрегулировать, чтобы сфокусироваться на определенном направлении или зоне. Используя этот метод, антенная решетка может одновременно собирать информацию из нескольких источников и отправлять ее в центральную точку или несколько точек. Это делает их идеальными для использования в военных приложениях, где может быть много целей в разных местах, которые необходимо контролировать одновременно.

Узнайте больше о антеннах Yagi Uda MCQ и антеннах MCQ.

Зачем нужна антенная решетка?

Нам нужна антенная решетка, чтобы увеличить дальность и качество нашего сигнала.

Какие типы антенных решеток наиболее распространены?

Существует два основных типа антенных решеток: фазированные и нефазированные. Фазированные решетки имеют ряд элементов, которые соединены вместе, а их фазы сдвинуты на определенную величину. Нефазеры имеют элементы, которые соединены друг с другом напрямую одним путем, без фазового сдвига между ними.

Почему антенная решетка лучше, чем одна антенна?

Антенная решетка — это группа антенн, которые физически расположены близко друг к другу и могут использоваться для отправки или приема электромагнитных волн. Отдельные антенны соединены друг с другом, что позволяет передавать сигнал с одной антенны на другую. Это позволяет создавать более эффективные системы, чем если бы они состояли только из одной антенны.

Это обзор антенной решетки. Здесь мы четко обсудили работу антенной решетки, как достигается диаграмма направленности, типы, области применения и преимущества. Вот вам вопрос, какая диаграмма направленности?

Антенные решетки » Радиочастотные элементы

12 апреля 2022 г., Томас Зволенски, PM

Антенные решетки

Вы используете антенны и антенные решетки каждый божий день, знаете ли вы об этом или нет. Быть провайдером беспроводного интернета (WISP) тем более. Типичным примером антенной решетки WISP является старая добрая секторная антенна с патч-решеткой. Но что такое антенные решетки?

В этом блоге вы узнаете о:

1. Что такое антенная решетка
2. Как работают антенные решетки
3. Примеры антенных решеток

Информация здесь поможет вам понять, почему патч-антенны имеют боковые лепестки, от которых трудно избавиться, и что на них влияет.

Что такое антенная решетка

Антенная решетка обычно представляет собой установку из двух или более идентичных антенн, работающих как одна за счет одновременной подачи одного и того же сигнала.

Схематическое изображение антенной решетки — одинаковые антенны, одновременно питаемые одним и тем же сигналом.

Применяются в случаях, когда диаграмма направленности одного элемента слишком широка, если его усиление мало, или если необходимо управление диаграммой направленности антенны. Пример диаграммы направленности одной антенны показан на изображении ниже – она имеет низкий коэффициент усиления, фиксированную диаграмму направленности и большую ширину луча.

 

Диаграмма направленности одной патч-антенны с шириной луча 120° и 7 дБи g ain .

Любая антенна может использоваться для формирования антенной решетки. На практике диполи, накладные или другие печатные антенны на печатных платах, рупорные антенны или параболические антенны являются наиболее распространенными примерами основных излучающих элементов, используемых в качестве строительных блоков решетки.

 

Как работают антенные решетки

Свойства излучения антенной решетки можно объяснить с помощью физики интерференции волн. Глядя на ближнее поле одиночной патч-антенны, мы видим, как волны покидают антенну и излучаются в пространстве.

Ближняя зона одной патч-антенны.

Глядя на ближнее поле двух патч-антенн, на которые подается один и тот же сигнал, становится ясно, почему диаграмма направленности решетки так сильно отличается от диаграммы направленности одиночной антенны. В направлениях, где волны складываются конструктивно, находятся максимумы излучения, что приводит к образованию лепестка в картине дальнего поля. В направлениях, где волны складываются разрушительно, есть минимумы излучения, приводящие к нулю в диаграмме направленности, как показано на изображении ниже.

Ближняя зона массива из двух патч-антенн после того, как волны от каждого патча складываются — объяснение максимума/минимума.

Диаграмма излучения в дальней зоне соответствует полям, наблюдаемым в ближней зоне. В направлениях, где интерференция волн деструктивна, есть нуль, а где поля сильные, соответствующие конструктивной интерференции, есть лепесток.

Диаграмма направленности в дальней зоне массива из двух патч-антенн.

Принцип главного лепестка, боковых лепестков и нулей в диаграмме направленности антенной решетки один и тот же независимо от основного излучающего элемента. Возьмем симметричную рупорную антенну — возможно у нее уровень боковых лепестков ниже -30 дБ. Для приложений в сетях WISP такой рупор можно рассматривать как антенну с нулевыми боковыми лепестками. Это связано с тем, что -30 дБ означает, что любой сигнал, полученный за пределами основного лепестка, в тысячу раз слабее. Для практических целей мы можем рассматривать такую ​​антенну с нулевыми боковыми лепестками.

Создавая решетку из этой или любой другой антенны, ее диаграмма направленности имеет схожие характеристики — главный лепесток, боковые лепестки, возникающие из-за конструктивной интерференции волн, и нули из-за деструктивной интерференции волн.

Диаграмма направленности решетки рупорных антенн.

Другим эффектом формирования антенной решетки является увеличение результирующего усиления и уменьшение ширины луча. Чем больше антенн в решетке, тем выше коэффициент усиления и уже ширина луча. Это снова связано с конструктивной интерференцией волн, излучаемых из нескольких источников, и влиянием физического размера антенны на ее усиление.

Боковые лепестки являются нежелательным результатом интерференции волн, и они становятся меньше с увеличением размера массива.

Влияние постепенного увеличения количества антенн в решетке на результирующую диаграмму направленности и свойства.

Расстояние между элементами решетки и их расположение формируют диаграмму направленности. Например, ширина луча главного лепестка, а также размер и положение боковых лепестков зависят от расстояния между элементами решетки. Чем дальше они друг от друга, тем уже ширина луча из-за увеличения общего размера массива. Кроме того, размер и направление боковых лепестков изменяются в зависимости от расстояния между элементами, потому что поля складываются по-разному для разного расстояния между антеннами.

Пример изменения диаграммы направленности решетки при изменении расстояния между элементами.

Примеры антенных решеток

Существуют три типа решеток — линейные, поверхностные и конформные. Линейные массивы представляют собой расположение излучающих элементов в линию. Они хорошо известны в индустрии WISP в виде традиционных секторных антенн с патч-массивом. Если смотреть на решетку сверху, то форма диаграммы направленности копирует форму диаграммы направленности одинарной патч-антенны, а если смотреть сбоку, то она следует физике решетки, описанной выше.

Диаграмма направленности линейной накладной антенной решетки: вид сбоку и сверху.

Антенны наземных антенн расположены периодически на прямоугольной, круглой или другой регулярной сетке.

Примеры прямоугольных, круглых и шестиугольных антенных решеток.

Диаграмма направленности поверхностного массива прямо пропорциональна форме массива. Ниже вы видите пример квадратного патч-массива и его симметричной диаграммы направленности — он имеет одинаковую ширину луча в азимутальной и вертикальной плоскостях.

Квадратная накладная антенная решетка и ее диаграмма направленности.

Иногда необходимо установить антенную решетку на неровной поверхности. Антенные решетки, которые размещаются на изогнутых поверхностях, называются конформными — см. пример ниже, включая его диаграмму излучения, при условии, что каждый вертикальный набор площадок имеет правильную фазу питающего сигнала, что приводит к диаграмме направленности с одним основным лепестком.

Пример конформной накладной антенной решетки и ее диаграммы направленности.

Заключение

Во многих случаях антенные решетки являются эффективным инструментом. Понимая основы физики антенных решеток, становится ясно, что параметры решетки более важны, чем свойства отдельных элементов. Свойства излучения определяются расположением антенн и задержкой подаваемых сигналов.

Многие WISP желают использовать рупорные антенны с радиостанциями, поддерживающими MU-MIMO, надеясь одновременно использовать шумоподавление, обеспечиваемое рупорами. Согласно физике антенных решеток, о которой мы только что узнали, даже антенные решетки на основе рупоров будут иметь SL в результирующей диаграмме направленности решетки.