9 Линейная антенная решетка. Основные режимы излучения. Поле излучения линейной антенной решетки. Анализ ее диаграммы направленности.

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про линейная антенная решетка, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое линейная антенная решетка, основные режимы излучения, поле излучения линейной антенной решетки , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.

9.1. Антенные решетки и их классификация

Направленность действия простейшей антенны – симметричного вибратора – невысокая. Для увеличения направленности действия уже на первых этапах развития антенной техники сталиприменять систему вибраторов – антенные решетки (АР). В настоящее время антенные решетки наиболее распространенный класс антенн, элементами которых могут быть как слабонаправленные излучатели (металлические и щелевые вибраторы, волноводы, диэлектрические стержни, спирали и т.д.), так и остронаправленные антенны (зеркальные, рупорные и др.).

Применение антенных решеток обусловлено следующими причинами. Решетка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз КНД (и соответственно усиление) антенны посравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения точности определения угловых координат источника излучения в навигации, радиолокации и других радиосистемах. С помощью решетки удается поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путем размещения в каналах решетки независимых усилителей высокочастотной энергии.

Одним из важных преимуществ решеток является возможность быстрого (безынерционного) обзора пространства за счет качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования). Помехозащищенность радиосистемы зависит от уровня боковых лепестков (УБЛ) антенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке. Антенная решетка является необходимым звеном для создания

такого динамического пространственно-временного фильтра или просто для уменьшения УБЛ. Одной из важнейших задач современной бортовой радиоэлектроники является создание комплексированной системы, совмещающей несколько функций, например радионавигации, РЛС, связи и т.д.

Возникает необходимость создания антенной решетки с электрическим сканированием с несколькими лучами (многолучевой, моноимпульсной и т.д.), работающей на различных частотах (совмещенной) и имеющей различные характеристики.

Имеется ряд конструктивно-технологических преимуществ антенных решеток для бортовых и наземных устройств

по сравнению с другими классами антенн. Так, например, улучшение массогабаритных характеристик бортовой аппаратуры

происходит за счет использования печатных антенных решеток. Снижение стоимости больших радиоастрономических телескопов достигается благодаря применению зеркальных антенных решеток.

Антенные решетки могут быть классифицированы по следующим основным признакам: геометрии расположения излучателей в пространстве, способу их возбуждения, закономерности размещения излучающих элементов в самой решетке, способу обработки сигнала в решетке, амплитудно-фазовому распределению токов (поля) по решетке и типу излучателей. В зависимости от геометрии расположения излучателей АР подразделяются на линейные, дуговые, кольцевые, плоские, выпуклые (цилиндрические, конические, сферические и др.) и пространственные(трехмерные) (рис. 9.1).

Пространственная решетка в простейшем случае представляет собой систему из двух плоских решеток, параллельно расположенных в пространстве.

Размещение излучателей в самой решетке может быть эквидистантное, у которого шаг (расстояние между излучателями) величина постоянная (см. рис. 9,1 а, б, в, г, д), и неэквидистантное,у которого шаг меняется по определенному закону или случайным образом (см. рис. 9.1, з).

а) — линейная решетка излучателей; б) — дуговая решетка;

в) — кольцевая решетка; г) — плоская решетка; д) — цилиндрическая решетка;

е) — коническая решетка; ж) — сферическая решетка; з) — неэквидистантная решетка

Рис. 9.1 — Антенные решетки

линейная антенная решетка : Антенная решетка, излучающие элементы которой расположены на прямой линии

антенная решетка -Антенна, содержащая совокупность излучающих элементов, расположенных в определенном порядке, ориентированных и возбуждаемых так, чтобы получить заданную диаграмму направленности

излучающий элемент (антенной решетки)- Антенна или группа антенн с заданным относительным возбуждением, являющаяся составной частью антенной решетки.

эквидистантная линейная антенная решетка: Линейная антенная решетка с одинаковыми расстояниями между соседними излучающими элементами

неэквидистантная линейная антенная решетка: Линейная антенная решетка с неодинаковыми расстояниями между соседними излучающими элементами

кольцевая антенная решетка: Антенная решетка, излучающие элементы которой расположены по окружности

дуговая антенная решетка: Антенная решетка, излучающие элементы которой расположены на части кривой линии

поверхностная антенная решетка: Антенная решетка, излучающие элементы которой расположены на поверхности

плоская антенная решетка: Поверхностная антенная решетка, излучающие элементы которой расположены на плоскости

цилиндрическая антенная решетка: Поверхностная антенная решетка, излучающие элементы которой расположены на цилиндрической поверхности

коническая антенная решетка: Поверхностная антенная решетка, излучающие элементы которой расположены на конической поверхности

сферическая антенная решетка: Поверхностная антенная решетка, излучающие элементы которой расположены на сферической поверхности

активная антенная решетка: Антенная решетка, содержащая активные устройства, подсоединенные к излучающим элементам или группам излучающих элементов

пассивная антенная решетка: Антенная решетка, не содержащая активных устройств

фидерное возбуждение антенной решетки (Ндп. возбуждение антенной решетки закрытым трактом): Возбуждение излучающих элементов антенной решетки посредством фидеров, подсоединенных к этим элементам

антенная решетка с фидерным возбуждением (Ндп. антенная решетка с возбуждением закрытым трактом): -

параллельное возбуждение антенной решетки: Фидерное возбуждение антенной решетки путем разветвления общего фидера на несколько фидеров, каждый из которых соединяется с излучающим элементом

последовательное возбуждение антенной решетки: Фидерное возбуждение антенной решетки, при котором к каждому последующему разветвлению фидера подводится мощность, неизлученная излучающим элементом, возбужденным фидером предыдущего разветвления

первичный облучатель (антенной решетки): Антенна или группа антенн, связанная с фидером и предназначенная для возбуждения излучающих элементов антенной решетки с пространственным возбуждением или сочетающая пространственное и фидерное возбуждения

пространственное возбуждение антенной решетки (Ндп. оптическое возбуждение антенной решетки): Возбуждение антенной решетки путем ее облучения первичным облучателем

антенная решетка с пространственным возбуждением (Ндп. антенная решетка с оптическим возбуждением): -

отражательная антенная решетка: Антенная решетка с пространственным возбуждением или сочетающая пространственное и фидерное возбуждения, у которой прием радиоволн от первичного облучателя и их излучение в пространство осуществляют одни и те же излучающие элементы

проходная антенная решетка (Ндп. линзовая антенная решетка): Антенная решетка с пространственным возбуждением или сочетающая пространственное и фидерное возбуждения, у которой прием радиоволн от первичного облучателя производится одними, а излучение в пространство - другими излучающими элементами

луч (антенной решетки): Главный лепесток диаграммы направленности направленной антенной решетки
однолучевая антенная решетка: Антенная решетка, формирующая один луч

многолучевая антенная решетка: Антенная решетка, формирующая несколько лучей, число которых равно числу ее входов и (или) выходов

9.2. Методы расчета характеристик антенных решеток

Рассмотрим общие методы расчета характеристик АР; при этом удобнее в начале наиболее подробно рассмотреть расчет АР, образованных системой полуволновых вибраторов. В строгойэлектродинамической постановке задача об излучении системы тонких полуволновых вибраторов аналогична ранее рассмотренной задаче об излучении одиночного вибратора. Различие состоитв замене одного вибратора системой вибраторов, каждый из которых возбуждается своим сторонним источником. Поступая, как при строгом решении задачи излучения симметричноговибратора, можно установить связи между сторонними источниками и параметрами АР. Токи в излучателях АР могут быть найдены из совместного решения системы интегральных уравнений.

Такое решение оказывается на порядок сложнее, чем для одиночного излучателя, и весьма затрудняет выявление основных закономерностей антенных решеток. С этой целью в теории антенниспользуют приближенные методы, в которых общую задачу расчета АР условно разделяют на две задачи:

внешнюю и внутреннюю. Решение внешней задачи состоит в нахождение характеристик направленности антенны при известном амплитудно-фазовом распределении токов (полей) по элементам АР. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Это распределение считается известным из решения внутреннейзадачи и достигнуто соответствующим подбором сторонних источников возбуждения. Решение внутренней задачи состоит в определении амплитудно-фазового распределения в АР призаданных сторонних источниках, что необходимо для возбуждения (питания) АР.

Решение внешней задачи можно провести в общем виде для различных АР и затем установить характеристики направленности. Поэтому ниже подробно остановимся на общем приближенном методе расчета внешней задачи. Следует заметить, что методы решения внутренней задачи оказываются различными для разных типов излучателей АР и будут рассмотрены позднее. Поле излучения антенной решетки представляет собой результат интерференции полей отдельных излучателей.Поэтому надо найти отдельно поле от каждого излучателя в данной точке пространства, а затем сумму полей всех излучателей при учете амплитудных и фазовых соотношений, а такжеполяризации полей.

Расчет диаграммы направленности таких антенн целесообразно проводить в следующем порядке:

1. Определить амплитудную и фазовую диаграммы излучения отдельных элементов, составляющих антенную решетку.
2. Найти фазовый центр каждого излучателя и заменить излучатели воображаемыми точечными излучателями, расположив последние в фазовых центрах реальных излучателей.Каждому точечному излучателю приписать равномерную фазовую диаграмму и амплитудную диаграмму реального излучателя. Тогда точечный излучатель по внешнему действию будет полностью эквивалентен реальному излучателю.

З. Вычислить амплитуды и фазы полей, создаваемые эквивалентными излучателями в произвольной точке пространства (каждым в отдельности). При этом рассматривать поле на большом(по сравнению с размерами антенны и длиной волны) расстоянии от точки наблюдения до всех излучателей (одинаковом и равном расстоянию до какого-либо излучателя). Расчет фаз следует,однако, вести с учетом разницы в расстояниях до каждого излучателя. При определении разницы в расстояниях в целях упрощения следует считать направления на точку наблюденияпараллельными для всех излучателей. При вычислении фаз надо определять фазы по отношению к фазе поля какого-либо одного излучателя, принимаемой за начальную.

4. Определить амплитуду и фазу поля всей антенны путем суммирования полей всех составляющих ее излучателей, учитывая амплитудные и фазовые соотношения, а также поляризациюполей.

9.3. Излучение линейной синфазной антенны.

При расчете поля излучения синфазной антенны с равномерным амплитудным распределением приходится иметь дело со сложением некоторого числа одинаково поляризованных гармонических колебаний с равными амплитудам и фазами, отличающимися друг от друга на одинаковый угол. Сумма таких колебаний определяется как сумма (ряд таких колебаний) членовгеометрической прогрессии или геометрическим путем.

Пусть имеется:

Представим каждое слагаемое вектором, имеющим модуль, равный амплитуде поля излучения A , и расположенным соответственно фазе колебания . При суммировании векторов образуется правильный многоугольник (рис. 9.2).

<

Рис. 9.2 — Векторная диаграмма суммирования полей излучателей.

Опишем вокруг него окружность радиуса  с центром в точке О. Тогда

так как .

Таким образом, амплитуда результирующего колебания:

Фаза результирующего колебания по отношению к фазе начального колебания определяется величиной угла dab и равна

.

Сумма всех колебаний:

где — разность фаз между соседними колебаниями. Фаза результирующего колебания опережает фазу исходного на угол .

Получили распространение антенные решетки, составленные из вертикальных или горизонтальных полуволновых вибраторов(рис. 9.3, а, б).

Такие антенны состоят из синфазно питаемых полуволновых вибраторов, одинаково ориентированных и расположенных на одинаковом расстоянии d друг от друга. Направление расположения образует прямую линию.

Рис. 9.3 — Линейная решетка излучателей

а — решетка вертикальных вибраторов;

б — решетка горизонтальных вибраторов;

в — к расчету ДН линейных АР

Анализ ее диаграммы направленности.

Для расчета диаграмм направленности заменим каждый вибратор эквивалентным точечным излучателем, расположив его в фазовом центре, т.е. в середине вибратора. Тогда независимо оттого, горизонтальные или вертикальные вибраторы в решетке, схема примет вид, показанный на рис. 9.3, в. Поле такой антенны – результат интерференции полей вибраторов. Будем считать,что все излучатели в решетке имеют одинаковые ДН. Так как вибраторы параллельны, то поля одинаково поляризованы, а, следовательно, можно пользоваться полученной выше формулой длясуммарного поля. Рассматривая поле далеко

от антенны, т.е. не расстоянии , можно считать, что (см. рис. 9.3, в).

Пусть мгновенное значение тока в пучности каждого вибратора описывается уравнением

. Тогда суммарное поле в точке наблюдения от всей антенны будет:

— диаграмма направленности эквивалентного излучателя в решетке, которую примем в рамках приближенной теории, одинаковой для всех излучателей;

A -постоянный(амплитудный) множитель, не зависящий от углов

rn-расстояние от n -го излучателя до точки наблюдения.

Примем фазу поля от наиболее удаленного излучателя (в рассматриваемом случае 1-го) за начальную.

Тогда для определения фазы поля n -го излучателя необходимо предварительно выразить расстояние от этого излучателя доточки наблюдения через расстояние r1.

Из рис. 9.3, в видно, что

Подставляя значение rnв формулу (9.2) для напряженности поля, получаем:

где — разность фаз между полями соседних излучателей, .

Проведем анализ полученного выражения. Амплитудная диаграмма направленности согласно формуле (9.3) определяется как

на представляет собой произведение диаграммы составляющего излучателя на множитель антенны

Из формулы (9.3) следует, что фаза поля изменяется при изменении угла . Таким образом, при расчете расстояния от наиболее удаленного излучателя синфазная антенна не имеет равномерной фазовой диаграммы, а выбранная точка начала отсчета расстояний не является фазовым

центром. Фазовой диаграммой будем называть в дальнейшем ту часть выражения, определяющего фазу поля,

которая не зависит от времени (9.3)

Выясним, имеет ли рассматриваемая антенна фазовый центр и где он находится.

Предположим, что фазовый центр имеется и находится на линии расположения излучателей на расстоянии x от 1го излучателя.

Обозначим расстояние от фазового центра до точки наблюдения через r0 и выразим расстояние r1 через

Тогда:

Если x0 — координата фазового центра, то это выражение при x =x0 не должно зависеть от

Требуя выполнения этого условия, получаем

Таким образом, рассматриваемая антенна имеет фазовый центр, который совпадает с ее геометрическим центром.

Этот вывод справедлив в общем случае для любой синфазной антенны.

При отсчете расстояния от фазового центра с учетом того, что амплитуда поля практически

не меняется при перемене начала отсчета в пределах антенны, поле

Так как вибраторы, образующие решетку, обладают слабой направленностью, ДН

решетки в основном определяется множителем решетки . Множитель решетки зависит от числа излучателей и расстояния между ними, выраженного в длинах волн (9.5).

Этот множитель не зависит от угла , а это значит, что в плоскости, перпендикулярной линии расположения излучателей (при ),

ДН решетки совпадает с диаграммой одиночного излучателя, а поле возрастает пропорционально числу излучателей:

. Это следует из выражения (9.4) при .

В плоскости, проходящей через линию расположения излучателей ( ), ДН решетки отличается от ДН одиночного излучателя.

Пусть в этой плоскости ДН одиночного излучателя — ненаправленная.

Тогда ДН решетки будет определяться только множителем решетки, который в нормированном виде записывается как

Множитель решетки является периодической функцией с периодом при изменении угла проходит через свои максимальные и минимальные значения. Поэтому ДН решетки имеет многолепестковый характер (рис. 12.7., где заштрихована ДН реальной антенны).

Рис.9.4 — Зависимость множителя решетки от обобщенной координаты .

В каждом из периодов этой функции имеется один главный лепесток и несколько боковых.

График функции симметричен относительно точек , а сама функция при этих значениях максимальна.

Между соседними главным и лепестками имеется N -1 направлений нулевого излучения и N -2 боковых лепестков, максимумы которых убывают при удаления от каждого главного лепестка.

Наименьшими при этом являются те лепестки ДН, которые находятся в середине интервала между соседними главными максимумами.

Относительная величина боковых лепестков

, где p =1, 2, 3, ....

В решетках с большим числом излучателей уровень первых боковых лепестков может быть найден по упрощенной формуле:

и при величина первого бокового лепестка равна 0,217 ( или –13,2 дБ ) относительно главного.

На практике обычно требуется получить ДН решетки с одним главным максимумом излучения.

Для этого необходимо, чтобы в интервал изменения обобщенной координаты ,определяемый неравенством и соответствующий реальной ДН решетки , попадал лишь один главный максимум функции (см. рис. 9.4).

Это будет в том случае, если ширина интервала изменения , равная 2kd , меньше .

Таким образом, расстояние между соседними излучателями в решетке должно быть меньше длины волны генератора.

Угловые границы главного лепестка по уровню излучения могут быть найдены из формулы (9.6) путем приравнивания нулю числителя множителя решетки так как множитель

решетки с изменением угла изменяется значительно быстрее, чем первый множитель формулы (9.6), и определяет в основном ДН решетки.

Из последнего соотношения следует . При большом числе излучателей ( N >4) можно принять .

Отсюда угловая ширина главного лепестка ДН .

Таким образом, для получения узких ДН необходимо увеличивать длину антенны Nd .

Но так как расстояние между излучателями должно быть меньше длины волны генератора (для получения одного главного максимума излучения), повышения направленности добиваются увеличением числа излучателей решетки N . Ширину ДН по уровню 0,7 поляможно определить по приближенной формуле:

Формула (9.7) тем точнее, чем больше число вибраторов в решетке при заданной величине отношения

Практически ею можно пользоваться, если .

Если излучатели, образующие линейную синфазную антенну, обладают направленными свойствами в плоскости, проходящей через линию их расположения (рис. 9.5), то расстояниемежду излучателями можно взять больше длины волны генератора ( ).

В этом случае в интервале изменения обобщенной координаты , соответствующей реальной ДН решетки,может оказаться несколько максимумов функции

В результирующей ДН они будут отсутствовать, если в этих направлениях ДН одиночного элемента решетки имеет нулевое или почти нулевое значение.

Таким образом, выбором соответствующего расстояния между излучателями (при ) можно получить

результирующее излучение с относительно низким уровнем боковых лепестков.

Если расстояние между излучателями выбрано таким, что можно пренебречь влиянием их полей друг на друга, то КНД решетки можно

подсчитать по приближенной формуле — коэффициент направленного действия одиночного излучателя в свободном пространстве

. Рассмотренные линейные решетки обладают направленностью только в одной плоскости: в плоскости расположения излучателей.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• конструкции антенн ,
• антенны , антенна , структурная схема антенны , классификация антенн ,

Статью про линейная антенная решетка я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое линейная антенная решетка, основные режимы излучения, поле излучения линейной антенной решетки и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны