Antennuppsättning

En vanlig typ av arrayantenn, en reflekterande array UHF- tv-antenn . Detta exempel består av åtta dipoldrivna element monterade framför en trådskärmsreflektor. De X-formade dipolerna ger den en bred bandbredd för att täcka både VHF (174–216 MHz) och UHF (470–700 MHz) TV-band. Den har en förstärkning på 5 dB VHF och 12 dB UHF och ett fram-till-bak-förhållande på 18 dB.
Stor planar antenn av en VHF rysk mobil luftvärnsradar , Nebo-M. Den består av 175 vikta dipolantenner . En tidig fasad array utstrålade antennen en vertikal solfjäderformad stråle som kunde svepas horisontellt över luftrummet framför antennen.

En antenn array (eller array antenn ) är en uppsättning av flera anslutna antenner som fungerar tillsammans som en enda antenn för att sända eller ta emot radiovågor . De individuella antennerna (kallade element ) är vanligtvis anslutna till en enda mottagare eller sändare med matningsledningar som matar kraften till elementen i ett specifikt fasförhållande . Radiovågorna som utstrålas av varje enskild antenn kombinerar och överlagrar , lägger ihop ( störande konstruktivt ) för att förbättra effekten som utstrålas i önskade riktningar, och avbryter ( störande destruktivt ) för att minska effekten som utstrålas i andra riktningar. På liknande sätt, när de används för mottagning, kombineras de separata radiofrekvensströmmarna från de individuella antennerna i mottagaren med det korrekta fasförhållandet för att förbättra signaler som tas emot från de önskade riktningarna och eliminera signaler från oönskade riktningar. Mer sofistikerade gruppantenner kan ha flera sändar- eller mottagarmoduler, var och en ansluten till ett separat antennelement eller grupp av element.

En antennuppsättning kan uppnå högre förstärkning ( direktivitet ), det vill säga en smalare stråle av radiovågor, än vad som kan uppnås med ett enda element. Generellt gäller att ju fler enskilda antennelement som används, desto högre förstärkning och desto smalare strålknippe. Vissa antennuppsättningar (som militära fasstyrda radarsystem) är sammansatta av tusentals individuella antenner. Arrayer kan användas för att uppnå högre förstärkning, för att ge vägdiversitet ( även kallad MIMO ) vilket ökar kommunikationens tillförlitlighet, för att avbryta störningar från specifika riktningar, för att styra radiostrålen elektroniskt för att peka i olika riktningar och för radioriktningssökning (RDF) .

Termen antennuppsättning betyder vanligtvis en driven grupp bestående av flera identiska drivna element, alla anslutna till mottagaren eller sändaren. En parasitisk array består av ett enda driven element kopplat till matningsledningen och andra element som inte är det, kallade parasitiska element . Det är vanligtvis ett annat namn för en Yagi–Uda-antenn .

En fasad array betyder vanligtvis en elektroniskt skannad array ; en driven gruppantenn i vilken varje enskilt element är anslutet till sändaren eller mottagaren genom en fasförskjutare som styrs av en dator. Strålen av radiovågor kan styras elektroniskt för att peka direkt i vilken riktning som helst över en vidvinkel, utan att antennerna flyttas. Emellertid används termen "phased array" ibland för att betyda en vanlig gruppantenn.

Princip

Från Rayleigh-kriteriet är riktningsförmågan hos en antenn, vinkelbredden på strålen av radiovågor den sänder ut, proportionell mot radiovågornas våglängd dividerat med antennens bredd. Små antenner runt en våglängd i storlek, såsom kvartsvågsmonopoler och halvvågsdipoler , har inte mycket riktning ( förstärkning ) ; de är rundstrålande antenner som strålar ut radiovågor över en vid vinkel. För att skapa en riktad antenn ( högförstärkningsantenn ), som utstrålar radiovågor i en smal stråle, kan två generella tekniker användas. En teknik är att använda reflektion av stora metallytor som paraboliska reflektorer eller horn , eller brytning av dielektriska linser för att ändra riktningen på radiovågorna, för att fokusera radiovågorna från en enda lågförstärkningsantenn till en stråle. Denna typ kallas en bländarantenn . En parabolantenn är ett exempel på denna typ av antenn.

En andra teknik är att använda flera antenner som matas från samma sändare eller mottagare; detta kallas en array antenn, eller antenn array. Om strömmarna matas till antennerna med rätt fas , på grund av störningsfenomenet kombineras de sfäriska vågorna från de individuella antennerna (överlag) framför arrayen för att skapa plana vågor , en stråle av radiovågor som rör sig i en specifik riktning . I de riktningar i vilka vågorna från de individuella antennerna anländer i fas , adderas vågorna ( konstruktiv interferens ) för att öka den utstrålade effekten. I riktningar där de individuella vågorna kommer ur fas , med toppen av en våg som sammanfaller med dalen i en annan, avbryter vågorna ( destruktiv interferens ) vilket minskar kraften som utstrålas i den riktningen. På liknande sätt, vid mottagning, är de oscillerande strömmar som tas emot av de separata antennerna från radiovågor som tas emot från önskade riktningar i fas och när de kombineras i mottagaren förstärker varandra, medan strömmar från radiovågor som tas emot från andra riktningar är ur fas och när de kombineras i mottagaren avbryter varandra.

Strålningsmönstret för en sådan antenn består av en stark stråle i en riktning, huvudloben , plus en serie av svagare strålar i olika vinklar som kallas sidlober , vanligtvis representerar reststrålning i oönskade riktningar. Ju större bredd antennen har och ju större antal komponentantennelement, desto smalare är huvudloben och desto högre förstärkning kan uppnås, och desto mindre blir sidloberna.

Matriser i vilka antennelementen matas i fas är bredsidesuppsättningar; huvudloben sänds ut vinkelrätt mot elementens plan.

De största gruppantennerna är radiointerferometrar som används inom radioastronomi, där flera radioteleskop som består av stora parabolantenner länkas samman till en antennuppsättning, för att uppnå högre upplösning. Genom att använda tekniken som kallas bländarsyntes kan en sådan array ha upplösningen av en antenn med en diameter som är lika med avståndet mellan antennerna. I tekniken som kallas Very Long Baseline Interferometry (VLBI) har rätter på separata kontinenter kopplats samman, vilket skapar "arrayantenner" som är tusentals kilometer stora.

Galleri

Typer

De flesta gruppantenner kan delas in i två klasser baserat på hur komponentantennernas axel är relaterad till strålningsriktningen.

  • En bredsidesmatris är en en- eller tvådimensionell matris i vilken strålningsriktningen ( huvudloben ) för radiovågorna är vinkelrät mot antennernas plan. För att stråla vinkelrätt måste antennerna matas i fas.
  • En endfire array är en linjär array i vilken strålningsriktningen är längs antennens linje. Antennerna måste matas med en fasskillnad som är lika med separationen av intilliggande antenner.

Det finns också arrayer (såsom fasstyrda arrayer ) som inte tillhör någon av dessa kategorier, där strålningsriktningen är i någon annan vinkel mot antennens axel.

  • Driven array - Detta är en array där de individuella komponentantennerna alla är "drivna" - kopplade till sändaren eller mottagaren. De individuella antennerna, som vanligtvis är identiska, består ofta av enstaka drivna element s, såsom halvvågsdipoler , men kan också vara sammansatta antenner såsom Yagi-antenner eller vändkorsantenner .
    • Collinear array - en bredsida array som består av flera identiska dipolantenner orienterade vertikalt i en linje. Detta är en rundstrålande antenn med hög förstärkning , som ofta används i VHF -bandet som sändningsantenner för tv-stationer och basstationsantenner för landmobila tvåvägsradio .
      • Superturnstile eller Batwing array - specialiserad vertikal antenn som används för tv-sändningar som består av flera korsade dipolantenner monterade kolinjärt på en mast. Rundstrålande strålningsmönster med hög förstärkning med bred bandbredd.
    • Planar array - en platt tvådimensionell array av antenner. Eftersom en uppsättning rundstrålande antenner utstrålar två strålar 180° från varandra på bredsidan från båda sidor av antennen, är den ofta antingen monterad framför en reflektor eller är sammansatt av riktantenner som Yagi eller spiralantenner, för att ge en enkelriktad stråle .
    • Reflekterande array - en plan array av antenner, ofta halvvågsdipoler matade i fas, framför en platt reflektor som en metallplatta eller trådskärm. Detta utstrålar en enda stråle av radiovågor vinkelrätt (bredsida) mot arrayen. Används som UHF- tv-antenner och radarantenner.
      • Curtain array - en utomhus-trådsändningsantenn som består av en plan array av tråddipoler upphängda framför en vertikal reflektor gjord av en "gardin" av parallella ledningar. Används på HF-bandet som långvägssändarantenn för kortvågssändningsstationer. Kan styras som fasad array.
      • Microstrip-antenn - en uppsättning patchantenner tillverkade på ett tryckt kretskort med kopparfolie på baksidan som fungerar som en reflektor. Elementen matas genom striplines gjorda av kopparfolie. Används som UHF- och satellit-tv-antenner.
    • Animation som visar hur en fasad array fungerar.
      Phased array eller elektroniskt scannad array - En plan array där strålen kan styras elektroniskt för att peka i valfri riktning över en vidvinkel framför arrayen, utan att fysiskt flytta antennen. Strömmen från sändaren matas till varje komponentantenn genom en fasskiftare , styrd av en dator. Genom att ändra den relativa fasen för matningsströmmarna kan strålen omedelbart pekas i olika riktningar. Denna teknik används ofta i militära radarer och sprider sig snabbt till civila tillämpningar.
      • Passive Electronically Scanned Array (PESA) - En fasstyrd array enligt beskrivningen ovan, där antennelementen matas från en enda sändare eller mottagare genom fasskiftare.
      • Active Electronically Scanned Array (AESA) - En fasad array där varje antennelement har sin egen sändar- och/eller mottagarmodul, styrd av en central dator. Denna andra generationens phased array-teknologi kan utstråla flera strålar vid flera frekvenser samtidigt och används mest i sofistikerade militära radarer.
    • Conformal array - en tvådimensionell fasad array som inte är platt, utan överensstämmer med någon krökt yta. De individuella elementen drivs av fasskiftare som kompenserar för de varierande väglängderna, vilket gör att antennen kan utstråla en plan vågstråle. Konforma antenner är ofta integrerade i den böjda huden på flygplan och missiler, för att minska aerodynamisk motstånd.
    • Smart antenn , omkonfigurerbar antenn eller adaptiv array - en mottagningsanordning som uppskattar riktningen för ankomsten av radiovågorna och elektroniskt optimerar strålningsmönstret adaptivt för att ta emot det, och syntetiserar en huvudlob i den riktningen. Liksom en fasad array består den av flera identiska element med fasskiftare i matningslinjerna, styrda av en dator.
  • Log-periodic dipole array (LPDA) - en endfire array som består av många dipoldrivna element i en linje, med gradvis ökande längd. Den fungerar som en bredbandsantenn med hög förstärkning. Används som TV-mottagningsantenner och för kortvågskommunikation.
  • En TV-antenn på taket , en parasitisk array som består av en kombination av en Yagi och en log periodisk antenn
    Parasitisk array - Detta är en endfire array som består av flera antennelement i en linje av vilka endast ett, det drivna elementet , är anslutet till sändaren eller mottagaren, medan de andra elementen, som kallas parasitiska element , inte är det. De parasitiska elementen fungerar som resonatorer , absorberar radiovågor från det drivna elementet och återutstrålar dem med en annan fas, för att modifiera strålningsmönstret hos antennen, vilket ökar effekten som utstrålas i önskad riktning. Eftersom dessa bara har ett driven element kallas de ofta "antenner" istället för "matriser".
    • Yagi–Uda-antenn eller Yagi-antenn - denna sluteldningsgrupp består av flera halvvågsdipolelement i en linje. Den består av ett enda drivet element med flera "direktor"-parasitiska element i strålningsriktningen, och vanligtvis ett enda "reflektor"-parasitelement bakom sig. De används ofta på HF- , VHF- och UHF -banden som tv-antenner, kortvågskommunikationsantenner och i radaruppsättningar.
    • Quad antenn - Denna består av flera slingantenner i en linje, med en driven loop och de andra parasitiska. Fungerar på samma sätt som Yagi-antennen.

Design av antennuppsättningar

I en antennuppsättning som tillhandahåller ett fast strålningsmönster kan vi anse att matningsnätverket är en del av antennuppsättningen. Således har antennuppsättningen en enda port. Smala strålar kan bildas, förutsatt att fasningen av varje element i arrayen är lämplig. Om dessutom amplituden för excitationen som tas emot av varje element (under emission) också är väl vald, är det möjligt att syntetisera en enportsuppsättning med ett strålningsmönster som nära approximerar ett specificerat mönster. Förändringar i strömfördelningen är kända för att påverka strålningsmönstret när de appliceras på arrayer. [ citat behövs ] Många metoder har utvecklats för arraymönstersyntes. Ytterligare frågor att överväga är matchning, strålningseffektivitet och bandbredd.

Utformningen av en elektroniskt styrbar antennuppsättning är annorlunda, eftersom fasningen av varje element kan varieras, och eventuellt även den relativa amplituden för varje element. Här har antennuppsättningen flera portar, så att ämnena matchning och effektivitet är mer involverade än i enportsfallet. Dessutom beror matchning och effektivitet på exciteringen, förutom när interaktionerna mellan antennerna kan ignoreras.

En antennuppsättning som används för rumslig diversitet och/eller spatial multiplexering (som är olika typer av MIMO-radiokommunikation) har alltid flera portar. Den är avsedd att ta emot oberoende excitationer under emission, och att leverera mer eller mindre oberoende signaler under mottagning. Även här är ämnena matchning och effektivitet inblandade, särskilt i fallet med en antennuppsättning av en mobil enhet (se kapitel 10 av ), eftersom, i detta fall, omgivningen av antennuppsättningen påverkar dess beteende och varierar över tid. Lämpliga matchningsmått och effektivitetsmått tar hänsyn till de värsta möjliga excitationerna.

Se även

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Antenna_array&oldid=1134326647 "