Кіріспе
Телекоммуникация және радар саласында, кері шағылыстыратын антенналық массив – радио толқындарды қажетті бағытта шағылыстыру үшін арналған жазық беттің алдына орнатылған бірнеше жетектелгіш элементтерден тұратын бағытталған антенналар класы. Олар антенналық масситтің бір түрі. Олар көбінесе VHF және UHF жиіліктерінде қолданылады. VHF мысалдары көбінесе үлкен болады және тас жол бойындағы жарнамалық стендтерге ұқсайды, сондықтан оларды кейде жарнамалық стенд антенналары деп атайды. Антеннаны құрайтын элементтердің түріне байланысты, олар "серіппелі массив" немесе "бабочка массив" деп те аталады. "Перде массиві" – қысқа толқынды радио хабар тарату станцияларында қолданылатын үлкен нұсқасы. Кері шағылыстыратын антенналық массивтер әдетте бір фазада қоректендірілетін бірдей жетектелгіш элементтерден тұрады, олар радио толқындарының бір бағытталған сәулесін жасау үшін жазық, электрлік жағынан үлкен шағылыстыратын беттің алдына орналастырылады, бұл антеннаның күшінің артуына және қажетсіз бағыттардағы сәулеленудің азаюына әкеледі. Қолданылатын элементтердің саны неғұрлым көп болса, күш соғұрлым жоғары болады; сәуле соғұрлым тар болады және жанама лепектер соғұрлым кішкентай болады. Жеке элементтер көбінесе жарты толқынды дипольдер болып табылады, бірақ кейде олар жетектелгіш элементтермен қатар паразиттерді де қамтиды. Шағылыстырғыш металл жапырақ немесе, көбінесе, сымдық тор болуы мүмкін. Металл тор, егер тордағы тесіктер толқын ұзындығының оннан бір бөлігінен кіші болса, қатты металл жапырақ сияқты радио толқындарын шағылыстырады, сондықтан торлар көбінесе антеннаның салмағы мен жел жүктемесін азайту үшін қолданылады. Олар әдетте диполь элементтерінің осіне параллель бағытталған параллель сымдар немесе таяқшалардан тұратын тордан тұрады. Жетектелгіш элементтерді RF көзінен келетін қуатты элементтер арасында тең бөліп беретін тарату желілерінің желісімен қоректендіреді. Бұл көбінесе ағаш тәрізді схемалық геометрияға ие.
Радиосигналдар
Радиосигнал өткізгіш арқылы өткенде, онда электр тогы туындайды. Радиосигнал кеңістікті толтыратындықтан және өткізгіштің өлшемі шектеулі болғандықтан, туындаған токтар өткізгіш бойымен қозғалғанда біріне-бірі қосылып немесе өшіріледі. Антеннаны жобалаудың негізгі мақсаты – энергия алынатын нүктеде токтардың максималды қосылуын қамтамасыз ету. Осы мақсатта антенна элементтері радиосигналдың толқын ұзындығына пропорционалды түрде өлшемделеді, нәтижесінде токтардың тұрған толқыны құрылады, ол қоректендіру нүктесінде ең жоғары деңгейге жетеді. Бұл, белгілі бір толқын ұзындығын қабылдауға арналған антеннаның өзіндік өлшемі болады дегенді білдіреді. Қабылдауды жақсарту үшін антеннаны жай ғана үлкендету жеткіліксіз; бұл антенна ұстай алатын сигнал мөлшерін арттырады, бұл көбінесе ауданға байланысты, бірақ белгілі бір толқын ұзындығында қабылдау тиімділігін төмендетеді. Сондықтан қабылдауды жақсарту үшін антенна жасаушылар көбінесе бірнеше элементтерді қолданады, оларды біріктіріп, сигналдарын күшейтеді. Мұндай құрылымдар антенна массиві деп аталады.
Массивтің фазалануы
Сигналдардың бірігіп күшейтуі үшін олар бір фазада келуі керек. Екі дипольдік антеннаны бір-біріне тікелей қойылған немесе бір қатарға орналастырылған деп қарастырайық. Егер нәтижедегі массив сигнал көзіне тікелей бағытталса, екі диполь де бір мезгілдегі сигналды қабылдайды, демек олардың қабылдауы фазада болады. Бірақ, егер антеннаны сигналға бұрышпен бұрсақ, сигнал алыс дипольге дейін қосымша қашықтықтан келеді, сондықтан ол сигналды сәл фазадан тыс қабылдайды. Екі сигнал қосылғанда, олар енді толыққанды күшеймейді, ал шығыс төмендейді. Бұл массивті көлденең бағытта сезімтал етеді, ал дипольдерді параллель қою тігінен бағытталған сәулені тарытады. Бұл дизайнерге элементтерді жылжыту арқылы қабылдау үлгісін, сонымен қатар күшейтуді реттеуге мүмкіндік береді. Егер антенна сигналмен дұрыс бағытталса, кез келген уақытта массивтегі барлық элементтер бірдей сигналды қабылдайды және фазада болады. Дегенмен, әрбір элементтен шыққан сигналды бір нүктеде жинау қажет, ал сигналдар антенна арқылы сол нүктеге жеткенде олардың фазасы өзгереді. Екі элементтен тұратын массивте бұл мәселе туындамайды, өйткені қоректендіру нүктесі олардың арасында орналастырылуы мүмкін; беріліс желілеріндегі кез келген фазалық өзгеріс екі элемент үшін де бірдей болады. Бірақ, егер оны төрт элементтен тұратын массивке кеңейтсек, бұл тәсіл жұмыс істемейді, себебі сыртқы жұптан келген сигнал одан да алыс қашықтықтан жүруі керек, сондықтан ол орталыққа жеткенде ішкі жұптан өзгеше фазада болады. Олардың барлығы бірдей фазада келуін қамтамасыз ету үшін сигнал жолына қосымша беріліс сымдарын қосу немесе егер айырмашылық толқын ұзындығының 1/2 бөлігінен асса, фазаны кері аудару үшін беріліс желісін қиыстырып қою жиі кездеседі.
Жарық шашыратушылар
Көбеюді рефлекторды қосу арқылы одан әрі жақсартуға болады. Жалпы, кез келген өткізгіш, тігіс бетте болсын, радиосигналдар үшін айна сияқты әрекет етеді, бірақ бұл үздіксіз емес беттерге де қатысты, егер өткізгіштер арасындағы аралықтар мақсатты толқын ұзындығынан шамамен кіші болса. Бұл сым торларын, тіпті параллель сымдарды немесе металл тарамдарды пайдалануға мүмкіндік береді, бұл материалдың жалпы мөлшерін азайтуға және жел жүктемесін төмендетуге әсіресе пайдалы. Сигналдың таралу бағытының өзгеруіне байланысты, сигнал фазасы кері өзгереді. Рефлектордың шығыс сигналына үлесін қосуы үшін, ол элементтерге фазада жетуі керек. Әдетте, рефлектор элементтерден толқын ұзындығының 1/4 бөлігіне тең қашықтықта орналастырылуы тиіс, және мұны теледидар антенналары сияқты көптеген рефлекторлық массивтерде көруге болады. Дегенмен, бұл қашықтықты өзгерте алатын бірнеше фактор бар, сондықтан рефлектордың нақты орналасуы әртүрлі болуы мүмкін. Рефлекторлар антеннаның артқы жағынан келетін сигналдарды азайту арқылы да пайдалы. Артқы жағынан алынып, рефлектордан қайта таратылатын сигналдар фазалық өзгеріске ұшырамайды және алдыңғы сигналға қосылмайды. Бұл антеннаның алдыңғы және артқы сигналдар арасындағы қатынасын едәуір жақсартады, оны бағытталған етеді. Бұл бағытталған сигнал қажет болғанда немесе қажетсіз сигналдар болғанда тиімді. Бірақ кейде мұндай жағдайлар қажет болмайды, сондықтан рефлекторлар массивтік антенналарда жиі қолданылса да, олар міндетті емес. Мысалы, UHF теледидар антенналары көбінесе рефлектормен қайыс антенналар массивін пайдаланса, рефлекторсыз қайыс массиві микротолқынды аймақта салыстырмалы түрде кең таралған дизайн болып табылады.
Пайдалану шектері
Массивке көбірек элементтер қосылған сайын, антеннаның негізгі сәулесінің ені тарылып, бұл антеннаның күшеюіне (пайдасына) әкеледі. Теориялық тұрғыдан алғанда, бұл процестің шегі жоқ. Дегенмен, элементтердің саны артқан сайын, сигналдарды бір фазада ұстап тұратын қоректендіру желісінің күрделілігі арта түседі. Соңында, қоректендіру желісіндегі туындайтын шығындар, қосымша элементтер арқылы қол жеткізілетін күшеюден (пайдадан) асып, қол жеткізілетін максималды күшеюді (пайданы) шектейді. Іс жүзінде қолданылатын массивтік антенналардың күшеюі (пайдасы) шамамен 25–30 дБ-қа дейін ғана жетеді. Жарты толқынды екі элемент, бір-бірінен жарты толқын қашықтықта және жандыру экранынан ширек толқын қашықтықта орналасқан, жобалық жиілігінде шамамен 9,8 дБи күшеюге (пайдаға) ие стандартты антенна ретінде қолданылған. Көбінесе 4 элементті теледидарлық антенналардың күшеюі (пайдасы) шамамен 10-12 дБ, ал 8 элементті конструкциялар оны 12-16 дБ-ға дейін арттыруы мүмкін. 32 элементті SCR 270 антеннасының күшеюі (пайдасы) шамамен 19,8 дБ болған. Кейбір өте ірі жарық шағылыстыратын массивтер құрастырылған, атап айтқанда, жүздеген метрге созылып, жүздеген элементтерден тұратын кеңестік "Дуга" радарлары. Элементтер топтары жеке радиожиілік күшейткіштерімен басқарылатын белсенді массивтік антенналар әлдеқайда жоғары күшеюге (пайдаға) ие болуы мүмкін, бірақ олардың құны тым жоғары. 1980 жылдан бері микротолқынды жиіліктерде қолдануға арналған нұсқалар металл бетінің алдына орнатылған жапсырмалы антенна элементтерімен жасалған.
Сәулелену үлгісі мен сәулелі бағыттау
Фазалық түрде басқарылғанда, шағылыстыратын массивтің сәулелену диаграммасы – антенна жазықтығына перпендикуляр бір негізгі сәуле және екі жағына тең бұрыштарда бірнеше қосымша сәулелерден тұрады. Қолданылатын элементтердің саны артық болған сайын, негізгі сәуле тарылып, қосымша сәулелерге шашыратылатын қуат азаяды. Антеннаның негізгі сәулесін жеке элементтерге берілетін басқару сигналдарын фазалық түрлендіру арқылы шектеулі бұрыш ішінде электрондық түрде басқаруға болады. Әр антенна элементі цифрлық басқаруға бағынған фазалық түрлендіргіш арқылы қоректендіріледі, бұл әр сигналды кезегімен кешіктіреді. Бұл жеке элементтердің суперпозициясы нәтижесінде пайда болатын толқын фронттарының антенна жазықтығына белгілі бір бұрышпен ие болуына себеп болады. Осы техниканы қолданатын антенналар фазалық массивтер деп аталады және олар заманауи радар жүйелерінде кеңінен қолданылады. Сәулені басқарудың тағы бір әдісі – бүкіл антенна құрылымын айналмалы платформаға орнатып, оны механикалық түрде бұру болып табылады.