Антенная решётка
Антенная решётка (АР) представляет собой сложную конструкцию, состоящую из множества излучающих элементов, таких как отдельные антенны или их группы, организованных в пространстве с определённой геометрией. Эти элементы возбуждаются и ориентируются так, чтобы обеспечить заданную диаграмму направленности, что позволяет достичь необходимых радиотехнических характеристик, таких как форма и ширина луча, уровень боковых лепестков и коэффициент направленного действия.
Принципы работы антенной решётки
Основная задача антенной решётки заключается в формировании амплитудно-фазового распределения (АФР) токов или полей, что позволяет добиться нужных параметров излучения. В отличие от одиночных антенн, где эти характеристики достигаются путём выбора формы и размера антенны, в АР АФР фиксировано. Это означает, что для изменения направления луча необходимо механическое перемещение всей решётки. Более продвинутая версия — фазированная антенная решётка (ФАР) — позволяет динамически изменять АФР, обеспечивая возможность сканирования пространства без физического перемещения антенн.
Элементарные излучатели
В качестве элементарных излучателей в антенных решётках могут использоваться различные типы антенн с разными направленностями. Например, простейшие решётки могут включать симметричные и несимметричные вибраторы, волноводные щели и печатные излучатели. В радиоастрономии применяются большие зеркальные антенны с узкой диаграммой направленности для увеличения коэффициента усиления системы и улучшения соотношения сигнал/шум.
Конструктивные варианты
Антенные элементы могут быть расположены различными способами: линейно, плоско или в более сложных конфигурациях. Линейные решётки имеют элементы на одной оси, тогда как плоские располагаются в одной плоскости. Существуют также конформные системы, которые повторяют форму поверхности объектов, таких как летательные аппараты или спутники.
Формирование излучения
Для получения сигнала от антенной решётки необходимо когерентное сложение сигналов от всех её элементов. Это достигается с помощью распределительных систем на основе СВЧ-трактов, которые включают линии передачи и устройства сложения сигналов. Диаграмма направленности формируется за счёт амплитудного и фазового распределения по апертуре антенны.
Амплитудное и фазовое распределение
Амплитудное распределение определяет коэффициент передачи для каждого излучателя. Для узконаправленного излучения часто используется равномерное или убывающее к краям распределение. Фазовое распределение описывает разность фаз между соседними элементами и определяет временные задержки сигналов. На практике применяются два основных типа: синфазное и линейное распределение.
Адаптивные антенные решётки
В современных системах возможно изменение характеристик направленности антенной решётки в ответ на изменения внешних условий или появления помех. Это достигается путём адаптации амплитудно-фазового распределения с помощью вычислительных алгоритмов, что значительно повышает эффективность работы системы.
Преимущества и недостатки
К основным преимуществам антенных решёток относятся:
- Возможность электрического сканирования без физического перемещения антенн.
- Повышенное усиление по сравнению с одиночными излучателями.
- Формирование сложных диаграмм направленности.
- Способность адаптироваться к помехам и компенсировать отказы отдельных элементов.
- Эффективное использование энергетического потенциала системы.
Недостатками являются:
- Сложность расчёта конструкции и электрических параметров.
- Ограниченная полоса частот.
- Высокие требования к элементной базе и её стоимость.
Таким образом, антенные решётки представляют собой мощный инструмент в радиотехнике, позволяя эффективно управлять радиоволнами и обеспечивать высокое качество связи и обнаружения.