Антенна — это специализированное устройство, которое может излучать некоторое количество энергии в определенном направлении для лучшей передачи на выходе. Для более эффективного вывода к нему добавляются еще несколько антенных элементов, известных как антенные решетки. Одиночная антенна имеет хорошую направленность, но несколько не справляется с передачей сигнала на приемник с потерями, поэтому используется антенная решетка. Поэтому во многих приложениях нам нужно антенны с чрезвычайно высокими характеристиками направленности, которые можно улучшить за счет увеличения электрического размера антенны. Для увеличения габаритов антенны без увеличения размеров отдельных элементов необходимо формировать элементы антенной решетки. В этой статье обсуждается обзор антенная решетка – типы и их работа с приложениями.
Что такое антенная решетка?
Определение антенной решетки: группа антенн, которые образуют единую антенну для создания диаграмм направленности, но не генерируются отдельными антеннами. Таким образом, набор антенн будет работать вместе для передачи или приема радиосигналов. Проектирование и техническое обслуживание этой антенны рентабельны, поскольку каждая антенна меньше. Схема антенной решетки показана ниже.
Для антенной решетки при настройке необходимо указать правильное расстояние и фазу. Раз антенны передают сигнал на очень большое расстояние, то требовалось, чтобы они обладали высоким коэффициентом направленности, так как сигнал деформируется и искажается при передаче от одного конца к другому. Хотя одиночная антенна передает с хорошей направленностью, она не может передать сигнал от передатчика к приемнику без потерь. Так что это основная причина использования антенной решетки.
Конструкция массивной антенны
Антенная решетка спроектирована путем размещения нескольких антенн в одну систему, обеспечивающую высокое направленное усиление. Антенны в решетке должны быть правильно разнесены и иметь правильную фазу, чтобы независимый вклад каждой антенны в расположении в одном и том же направлении суммировался, тогда как в остальных направлениях он компенсировался. Такое расположение улучшает направленность системы. Как только все антенны в системе расположены по прямой линии, она называется линейной антенной решеткой.
Антенная решетка работает
Антенная решетка представляет собой набор различных антенных элементов. Как правило, в многоэлементной решетке используется полуволновая дипольная антенна. Эта антенна имеет всенаправленную диаграмму направленности, поэтому волны излучаются под большим углом. Чтобы улучшить способность этих антенн излучать, особенно в одном направлении, эти антенны просто располагаются в форме решетки с надлежащим интервалом. Эти массивы одновременно возбуждаются, обеспечивая ток по соответствующей фазе.
Как правило, в решетке антенн токи внутри различных элементов антенны находятся в фазе, если они достигают наибольшего значения при протекании в одном и том же направлении в одно и то же время. Таким образом, как только на элементы антенны подается соответствующая фаза от каждого элемента решетки, сферические волны накладываются друг на друга из-за интерференции и генерируют радиоволну. Здесь в системе интерференция может быть как конструктивной (или) деструктивной и полностью зависит от излучаемых элементами волн.
В результате, если волны, излучаемые элементами антенны, совпадают по фазе, они складываются с пользой, так что увеличивается излучаемая мощность. Принимая во внимание, что если волны, излучаемые отдельными элементами, не совпадают по фазе, то они деструктивно складываются, чтобы компенсировать друг друга. Таким образом, это может привести к снижению излучаемой мощности.
Таким образом, излучение, испускаемое элементами массива, находится в фазе и суммируется, чтобы обеспечить направленный луч с максимальной силой, так что он может распространяться на очень большие расстояния. Таким образом, диаграмма направленности антенной решетки имеет главный лепесток, определяющий сильный луч в одном направлении. Когда количество элементов в решетке увеличивается, главный лепесток становится уже, а меньшие боковые лепестки указывают на увеличение усиления, обеспечиваемого антенной.
Типы антенных решеток
Решетчатые антенны подразделяются на четыре типа широкополосных, торцевых, коллинеарных и паразитных антенных решеток, каждый из которых обсуждается ниже.
Широкополосная антенная решетка
Ниже показано расположение боковой антенной решетки, где различные одинаковые элементы расположены параллельно вдоль оси антенны. В этом типе расположения элементы расположены горизонтально на эквивалентном расстоянии друг от друга, и каждый элемент питается током одинаковой фазы и величины.
Всякий раз, когда элементы в этом устройстве находятся под напряжением, максимальное излучение будет излучаться с широкой стороны, что означает нормальное направление к оси решетки, тогда как некоторое количество излучения будет излучаться с других направлений. Таким образом, он обеспечивает двунаправленную диаграмму направленности, поскольку он излучает в обоих направлениях вдоль борта. Таким образом, в этой компоновке принцип направления излучения является общим для оси решетки и плоскости расположения элемента. Диаграмма направленности широкополосной антенной решетки показана ниже.
Диаграмма направленности широкополосной антенной решетки вертикальна, потому что ориентация элемента горизонтальна.
Если мы хотим изменить диаграмму направленности с двунаправленной на однонаправленную, то аналогичную решетку необходимо расположить на расстоянии λ/4 за этой антенной решеткой и возбуждать реплику решетки током с фазовым опережением 90°. Обычно количество элементов в этом расположении зависит от доступного пространства с учетом стоимости и ширины луча, тогда как длина массива берется в диапазоне от 2 λ до 10 λ. Как правило, эти антенные решетки используются в зарубежных радиовещательных системах.
Антенная решетка End-Fire
Концевая антенная решетка такая же, как и элементы боковой компоновки, однако основное различие между этими двумя конфигурациями заключается в способе возбуждения. При таком расположении элементы обычно питаются противофазно на 180°, тогда как при поперечном расположении каждый элемент питается током одной и той же фазы. При таком расположении максимальное излучение достигается вдоль оси решетки.
Таким образом, чтобы получить однонаправленную диаграмму направленности, на эту полностью идентичную композицию элементов просто подается ток эквивалентной амплитуды, однако фаза изменяется непрерывно вдоль линии. Таким образом, можно утверждать, что торцевая решетка создает однонаправленную диаграмму направленности за счет максимального излучения, проходящего через ось антенной решетки.
На приведенной выше диаграмме диаграммы направленности основное расстояние между элементами в этом расположении обычно понимается как λ/4 (или) 3λ/4. Таким образом, эти массивы чаще всего используются в двухточечной связи и подходят для высоких, средних и низких частот.
Коллинеарный массив
В коллинеарной решетке элементы антенны просто расположены в одну линию от одного конца до другого, что означает один за другим. Таким образом, это расположение может быть как горизонтальной, так и вертикальной ориентации. Коллинеарный массив с горизонтальным расположением показан ниже.
Для всех элементов антенны возбуждение обеспечивается токами одинаковой фазы и величины для всех элементов. Подобно широкой боковой решетке, это также обеспечивает излучение в нормальном направлении к оси антенной решетки. Таким образом, диаграмма направленности коллинеарной решетки несколько связана с поперечной антенной решеткой.
Такое расположение просто обеспечивает максимальное усиление всякий раз, когда элементы разнесены на расстояние от 0,3 до 0,5λ, но это может вызвать конструктивные проблемы, а также проблемы с питанием внутри антенной решетки. Таким образом, элементы располагаются ближе друг к другу.
Диаграмма направленности коллинеарной решетки показана выше. Здесь следует отметить, что с увеличением длины решетки увеличивается и направленность. Как правило, двухэлементная коллинеарная решетка обычно используется, поскольку она поддерживает многодиапазонную работу, но иногда в некоторых приложениях используется комбинация боковых, торцевых и коллинеарных решеток, поскольку это увеличивает направленность и усиление до очень высокого диапазона.
Паразитический массив
Многоэлементные решетки, такие как элементы паразитной антенны, расположены паразитно, что обеспечивает максимальное направленное усиление без подачи на каждый элемент решетки. Такое расположение просто помогает решить проблему фидерной линии, поскольку не обеспечивает прямого возбуждения каждого элемента антенной решетки. Расположение паразитной антенны показано ниже.
Элементы, которые не питаются напрямую, известны как паразитные элементы, и они просто черпают свою энергию из излучения, испускаемого ведомым элементом, который присутствует поблизости. В результате паразитные элементы активируются электромагнитной связью, так как движущий элемент находится рядом.
Паразитные элементы антенной решетки не возбуждаются напрямую, а зависят от возбуждения, поступающего к ведущему элементу. Таким образом, индуцированный ток в паразитном элементе, вызванный ведомым элементом, определяется расстоянием между этими двумя элементами и их настройкой.
Таким образом, создается однонаправленная диаграмма направленности с разделительным расстоянием «λ/4» и разницей фаз 90° между возбуждающими и паразитными элементами. Таким образом, диаграмма направленности этой решетки просто создается отражателем, расположенным после ведущего элемента, который включает отраженные назад волны навстречу прямой волне. Частотный диапазон для этих типов антенных решеток находится в пределах 100 – 1000 МГц.
Что такое усиление антенной решетки?
Коэффициент усиления антенной решетки можно определить как отношение интенсивности в заданном направлении к интенсивности получаемого излучения, если аналогичная мощность излучается одним изотропным излучателем.
Каково назначение антенной решетки?
Назначение антенной решетки состоит в том, чтобы передавать/принимать радиоволны, работая как единая антенна.
Что такое хорошее усиление антенны?
Хорошо усиление антенны составляет 3 дБ, 6 дБ и т. д.
Что такое решетка в антенне?
Решетка в антенне представляет собой группу антенн, соединенных в одну антенну.
Что такое коэффициент решетки антенной решетки?
Коэффициент антенной решетки зависит от положения антенны в решетке и используемых весов. Таким образом, этот фактор может существенно изменить характеристики направленности конкретного элемента антенны. Таким образом, это явление в основном наблюдается, когда антенны соединены вместе.
Преимущества и недостатки
Преимущества антенной решетки включая следующее.
- Сила сигнала возрастает очень сильно.
- Может быть достигнута высокая направленность.
- Размер малых долей резко уменьшается.
- Возможно получение высокого отношения сигнал/шум.
- Можно получить большую прибыль.
- Количество потерь мощности снижается.
- Достижение лучших результатов возможно.
- Конструкция антенной решетки просто обеспечивает лучшую производительность антенны.
К недостаткам антенной решетки можно отнести следующее.
- Антенные решетки стоят дорого.
- Резистивные потери возрастут.
- Он требует высокого обслуживания.
- Монтаж затруднен.
- Он занимает огромное внешнее пространство.
Приложения
Применение антенных решеток включает следующее.
- Антенная решетка очень полезна для увеличения общего усиления, увеличения SINR (отношение сигнал/помеха плюс шум), подавления помех, обеспечения разнесенного приема, перемещения решетки в определенном направлении, измерения направления прихода входящих сигналов и т. д.
- Антенная решетка используется в беспроводной, военной радар , а также спутниковая связь .
- Они используются в астрономических наблюдениях.
- Они в основном применимы в дальней связи, а также в мобильной связи.
- Они используются везде, где требуется высокая мощность сигнала для передачи и приема на большие расстояния.
Таким образом, это обзор антенны массивы – работа с приложениями. Антенная решетка просто использует несколько антенн для захвата и передачи сигналов в разных направлениях. Таким образом, антенная решетка в основном используется для увеличения качества и диапазона нашего сигнала. Вот вопрос к вам, какова функция антенны?
