Классификация антенных решеток

Простейшая направленная антенна – симметричный вибратор – имеет невысокую направленность. Для увеличения направленности действия на первых этапах развития антенной техники стали применять систему вибраторов – антенные решетки (АР). Антенные решетки наиболее распространенный класс современных 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 по сравнению 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.

Одно из важных преимуществ решеток – возможность быстрого обзора (сканирования) пространства за счет качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования). Помехозащищенность радиосистемы зависит от уровня боковых лепестков (УБЛ) антенны и возможности подстройки (адаптации) к помеховой обстановке. Антенна решетка – необходимое звено для создания такого динамического пространственно-временного фильтра или просто для уменьшения УБЛ.

Одна из важнейших задач современной бортовой радиоэлектроники – создание комплексированной системы, совмещающей несколько функций. Например, функций связи, РЛС, радионавигации и т. д.

Существенное значение имеет возможность 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 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 решетки 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.7.1.

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

Размещение излучателей в самой решетки может быть эквидистантное – шаг (расстояние между излучателями) величина постоянная, и неэквидистантное – шаг меняется по определенному закону или случайным образом. В плоской АР излучатели могут быть расположены в узлах прямоугольной или косоугольной координатной системы.

Рис. 7.1 – Антенные решетки:а - линейная решетка; б - дуговая решетка; в - кольцевая решетка; г - плоская решетка; д - цилиндрическая решетка; е - коническая решетка;
ж - сферическая решетка; з - неэквидистантная решетка

 

Если косоугольная сетка состоит из равносторонних треугольников, то такая структура образует правильные шестиугольники и называется гексагональной.

По способу возбуждения (питания) излучателей различают решетки с последовательным и параллельным питанием. Возможен также пространственный способ возбуждения, который называют иногда оптическим или "эфирным".

В больших антенных решетках применяют комбинации последовательно-параллельного питания излучателей, особенно в случае разделения всей антенной решетки на подрешетки (модули) меньших размеров. При последовательном питании элементы решетки возбуждаются падающей волной последовательно друг за другом, а при параллельном - независимо.

Частный случай параллельного питания – схема типа "елочка", образующаяся за счет каскадного деления подводимой мощности на две части. В случае пространственного возбуждения элементы решетки возбуждаются падающей волной от первичного облучателя.

В питающем антенную решетку тракте (фидере) возможна различная пространственно-временная обработка сигнала. Изменение фазового распределения в решетке с помощью системы фазовращателей в питающем тракте позволяет управлять максимумом диаграммы направленности. Такие решетки называются фазированными антенными решетками (ФАР). Если к каждому излучателю ФАР или к их группе подключается усилитель мощности, генератор или преобразователь частоты, то такие решетки называются активными фазированными антенными решетками (АФАР). Приемные АР с саморегулируемым амплитудно-фазовым распределением в зависимости от помеховой обстановки называются адаптивными. Приемные АР с обработкой сигнала методами когерентной оптики называются радиооптическими. Приемные АР, в которых вся обработка ведется цифровыми процессами, называются цифровыми АР.

Совмещенные антенные решетки имеют в своем излучающем раскрыве два (или более) типа излучателей, каждый из которых работает в своем рабочем диапазоне.

Антенные решетки, формирующие с одного излучающего раскрыва несколько независимых (ортогональных) лучей и имеющие соответствующее число выходов, называются многолучевыми.

В зависимости от соотношения амплитуд токов возбуждения различают решетки с равномерным, экспоненциальным и симметрично спадающим амплитудными распределениями относительно центра решетки. Если фазы токов излучателей изменяются вдоль линии их размещения по линейному закону, то такие решетки называют решетками с линейным фазовым распределением. Частный случай таких решеток – синфазные решетки, у которых фазы тока всех элементов одинаковы.