Введение

В телекоммуникациях и радиолокации, антенна с отражающим массивом – это класс направленных антенн, в которых несколько излучающих элементов установлены перед плоской поверхностью, предназначенной для отражения радиоволн в заданном направлении. Они являются разновидностью антенных решеток. Они часто используются в диапазонах частот VHF и UHF. Примеры VHF обычно имеют большие размеры и напоминают рекламный щит вдоль дороги, поэтому их иногда называют антеннами-билбордами. Другие названия – антенна типа «пружина» и антенна типа «бабочка», в зависимости от типа элементов, составляющих антенну. «Занавесная антенна» – это более крупная версия, используемая коротковолновыми радиовещательными станциями. Антенны с отражающим массивом обычно состоят из ряда идентичных излучающих элементов, запитанных синфазно, перед плоской, электрически большой отражающей поверхностью для формирования однонаправленного луча радиоволн, что увеличивает усиление антенны и уменьшает излучение в нежелательных направлениях. Чем больше количество используемых элементов, тем выше усиление, уже ширина луча и меньше боковые лепестки. Отдельные элементы чаще всего представляют собой полуволновые диполи, хотя иногда они включают в себя как активные, так и пассивные элементы. Отражатель может быть металлическим листом или, чаще, проволочной сеткой. Проволочная сетка отражает радиоволны так же эффективно, как и сплошной металлический лист, при условии, что отверстия в сетке меньше примерно одной десятой длины волны, поэтому сетки часто используются для снижения веса и ветровой нагрузки на антенну. Обычно они состоят из решетки параллельных проводов или стержней, ориентированных параллельно оси дипольных элементов. Излучающие элементы запитываются сетью линий передачи, которая равномерно распределяет мощность от радиочастотного источника между элементами. Эта сеть часто имеет древовидную структуру.

Радиосигналы

Когда радиосигнал проходит через проводник, он наводит в нём электрический ток. Поскольку радиосигнал распространяется в пространстве, а проводник имеет конечные размеры, наведённые токи складываются или вычитаются по мере их движения вдоль проводника. Основная задача при проектировании антенны – добиться максимальной суммарной силы тока в точке подключения, где снимается энергия. Для этого элементы антенны подбираются по размеру в соответствии с длиной волны радиосигнала, чтобы создать стоячие волны тока, достигающие максимума в точке питания. Это означает, что антенна, предназначенная для приёма определённой длины волны, имеет оптимальный размер. Простое увеличение антенны не улучшит приём; это увеличит количество перехваченного сигнала, что в основном зависит от площади, но снизит эффективность приёма (для данной длины волны). Поэтому для улучшения приёма конструкторы антенн часто используют несколько элементов, объединяя их таким образом, чтобы их сигналы усиливали друг друга. Такие системы называются антенными решётками.

Фазирование массива

Для того, чтобы сигналы складывались вместе, они должны прибывать в фазе. Рассмотрим две дипольные антенны, расположенные в линию друг за другом, или коллинеарно. Если полученный массив направлен непосредственно на источник сигнала, оба диполя будут принимать один и тот же мгновенный сигнал, и, следовательно, их прием будет в фазе. Однако, если повернуть антенну под углом к сигналу, дополнительное расстояние от сигнала до более удаленного диполя приведет к тому, что он примет сигнал с небольшой фазовой разницей. Когда эти два сигнала суммируются, они больше не будут строго усиливать друг друга, и выходной сигнал уменьшится. Это делает массив более чувствительным в горизонтальной плоскости, а параллельное расположение диполей сужает диаграмму направленности в вертикальной плоскости. Это позволяет разработчику настраивать диаграмму приема, а значит, и усиление, перемещая элементы. Если антенна правильно ориентирована на сигнал, в любой момент времени все элементы массива будут принимать один и тот же сигнал и находиться в фазе. Однако выходные сигналы от каждого элемента должны быть собраны в одной точке подключения, и по мере распространения сигналов по антенне к этой точке их фаза изменяется. В двухэлементном массиве это не проблема, поскольку точку подключения можно разместить между элементами; любое изменение фазы в линиях передачи будет одинаковым для обоих элементов. Однако, если расширить это до четырехэлементного массива, этот подход перестает работать, поскольку сигнал от внешних элементов должен пройти большее расстояние и, следовательно, будет иметь другую фазу, чем сигнал от внутренних элементов, когда он достигнет центра. Чтобы обеспечить прибытие всех сигналов в одной фазе, часто добавляют дополнительный провод в цепь сигнала или пересекают линию передачи, чтобы инвертировать фазу, если разница превышает 1/2 длины волны.

Отражающие устройства

Усиление можно дополнительно повысить за счет добавления отражателя. Как правило, любой проводник в плоском листе будет отражать радиосигналы подобно зеркалу, и это справедливо также для не сплошных поверхностей, если зазоры между проводниками составляют менее примерно одной длины волны целевого сигнала. Это означает, что можно использовать проволочную сетку или даже параллельные провода или металлические стержни, что особенно полезно как для уменьшения общего количества материала, так и для снижения ветровой нагрузки. Вследствие изменения направления распространения сигнала при отражении, сигнал претерпевает изменение фазы на 180 градусов. Чтобы отражатель усиливал выходной сигнал, он должен достигать элементов в фазе. Обычно это требует размещения отражателя на расстоянии в четверть длины волны позади элементов, что можно увидеть во многих распространенных антенных решетках с отражателем, например, в телевизионных антеннах. Однако существует ряд факторов, которые могут изменить это расстояние, и фактическое положение отражателя может варьироваться. Отражатели также обладают преимуществом снижения сигнала, принимаемого с тыльной стороны антенны. Сигналы, принятые сзади и переотраженные от отражателя, не меняют свою фазу и не усиливают сигнал спереди. Это значительно улучшает коэффициент направленности антенны, делая ее более направленной. Это может быть полезно, когда требуется более узконаправленный сигнал или присутствуют нежелательные помехи. Однако в некоторых случаях это нежелательно, и хотя отражатели часто используются в антенных решетках, они не являются универсальным решением. Например, в то время как УВЧ-телевизионные антенны часто используют решетку бабочковых антенн с отражателем, решетка бабочковых антенн без отражателя является довольно распространенной конструкцией в микроволновом диапазоне.

Пределы набора

По мере добавления большего количества элементов в антенную решетку, ширина луча основной лепестки уменьшается, что приводит к увеличению коэффициента усиления. Теоретически этому процессу нет предела. Однако с увеличением числа элементов возрастает сложность требуемой питающей сети, обеспечивающей поддержание сигналов в фазе. В конечном итоге, возрастающие внутренние потери в питающей сети становятся больше, чем дополнительное усиление, достигаемое за счет увеличения числа элементов, что ограничивает максимальный коэффициент усиления. Коэффициент усиления практических антенных решеток обычно ограничен 25–30 дБ. В качестве стандартной антенны с усилением около 9,8 дБи на рабочей частоте использовались два полуволновых излучателя, расположенных на расстоянии полуволны друг от друга и четвертьволны от отражающего экрана. Распространенные 4-элементные телевизионные антенны имеют коэффициент усиления около 10–12 дБ, а 8-элементные конструкции могут увеличить его до 12–16 дБ. 32-элементная SCR 270 имела коэффициент усиления около 19,8 дБ. Были построены некоторые очень большие отражательные решетки, в частности, советские радары "Дуга", которые имеют сотни метров в поперечнике и содержат сотни элементов. Активные антенные решетки, в которых группы элементов управляются отдельными радиочастотными усилителями, могут иметь значительно более высокий коэффициент усиления, но являются чрезмерно дорогими. С 1980-х годов создавались версии для использования на микроволновых частотах с элементами антенн-патчей, установленными перед металлической поверхностью.

Излучение и рулевое управление лучами

При работе в фазе диаграмма направленности отражающего массива состоит из одной основной лепестки, перпендикулярной плоскости антенны, и нескольких боковых лепестков, расположенных под равными углами с обеих сторон. Чем больше элементов используется, тем уже основная лепестка и меньше энергии излучается в боковые лепестки. Основной лепесток антенны может управляться электронно в пределах ограниченного угла путем фазового сдвига управляющих сигналов, подаваемых на отдельные элементы. Каждый элемент антенны подключается через фазовращатель, которым можно управлять цифровым способом, задерживая каждый сигнал на последовательное значение. Это приводит к тому, что волновые фронты, создаваемые суперпозицией отдельных элементов, оказываются под углом к плоскости антенны. Антенны, использующие эту технику, называются фазированными антенными решетками и часто применяются в современных радиолокационных системах. Другой способ управления лучом – установка всей антенной конструкции на поворотную платформу и ее механическое вращение.