Reflekterande matrisantenn
Inom telekommunikation och radar är en reflekterande gruppantenn en klass av direktivantenner där flera drivna element är monterade framför en plan yta utformad för att reflektera radiovågorna i en önskad riktning . De är en typ av arrayantenner . De används ofta i VHF- och UHF -frekvensbanden. VHF-exemplen är i allmänhet stora och liknar en motorvägsskylt, så de kallas ibland för skyltantenner . Andra namn är bedspring array och bowtie array beroende på vilken typ av element som utgör antennen. Gardinuppsättningen är en större version som används av kortvågsradiostationer .
Reflekterande arrayantenner har vanligtvis ett antal identiska drivna element, matade i fas , framför en platt, elektriskt stor reflekterande yta för att producera en enkelriktad stråle av radiovågor, vilket ökar antennförstärkningen och minskar strålningen i oönskade riktningar. Ju större antal element som används, desto högre förstärkning; ju smalare strålen är och desto mindre är sidoloberna . De individuella beståndsdelarna är oftast halvvågdipoler , även om de ibland innehåller parasitiska beståndsdelar såväl som drivna beståndsdelar. Reflektorn kan vara en metallplåt eller vanligare en trådskärm. En metallskärm reflekterar såväl radiovågor som en solid metallplåt så länge hålen i skärmen är mindre än cirka en tiondels våglängd, så skärmar används ofta för att minska vikten och vindbelastningen på antennen. De består vanligtvis av ett galler av parallella trådar eller stavar, orienterade parallellt med dipolelementens axel.
De drivna elementen matas av ett nätverk av transmissionsledningar , som delar kraften från RF-källan lika mellan elementen. Detta har ofta kretsgeometrin för en trädstruktur.
Grundläggande koncept
Radiosignaler
När en radiosignal passerar en ledare inducerar den en elektrisk ström i den. Eftersom radiosignalen fyller utrymmet, och ledaren har en ändlig storlek, adderas eller tar de inducerade strömmarna ut när de rör sig längs ledaren. Ett grundläggande mål med antenndesign är att få strömmarna att summera till ett maximum vid den punkt där energin tappas av. För att göra detta dimensioneras antennelementen i förhållande till radiosignalens våglängd, med syftet att sätta upp stående strömvågor som är maximerade vid matningspunkten.
Det betyder att en antenn som är designad för att ta emot en viss våglängd har en naturlig storlek. För att förbättra mottagningen kan man inte bara göra antennen större; detta kommer att förbättra mängden signal som fångas upp av antennen, vilket till stor del är en funktion av arean, men kommer att sänka effektiviteten för mottagningen (vid en given våglängd). Därför, för att förbättra mottagningen, använder antenndesigners ofta flera element, och kombinerar dem så att deras signaler räcker ihop. Dessa är kända som antennuppsättningar .
Array fasning
För att signalerna ska läggas ihop måste de komma i fas . Betrakta två dipolantenner placerade i en linje ände-till-ände, eller kolinjär . Om den resulterande matrisen riktas direkt mot källsignalen, kommer båda dipolerna att se samma momentana signal, och därför kommer deras mottagning att vara i fas. Men om man skulle rotera antennen så att den stod i vinkel mot signalen, innebär den extra vägen från signalen till den mer avlägsna dipolen att den tar emot signalen något ur fas. När de två signalerna sedan adderas, förstärker de inte längre strikt varandra, och utsignalen sjunker. Detta gör arrayen mer känslig horisontellt, samtidigt som att stapla dipolerna parallellt minskar mönstret vertikalt. Detta gör att designern kan skräddarsy mottagningsmönstret, och därmed vinsten, genom att flytta elementen.
Om antennen är korrekt inriktad med signalen, vid en given tidpunkt, kommer alla element i en array att ta emot samma signal och vara i fas. Utsignalen från varje element måste dock samlas vid en enda matningspunkt, och när signalerna färdas över antennen till den punkten ändras deras fas. I en två-elements array är detta inte ett problem eftersom matningspunkten kan placeras mellan dem; varje fasförskjutning som äger rum i transmissionsledningarna är lika för båda elementen. Men om man utökar detta till en fyra-elements array fungerar inte detta tillvägagångssätt längre, eftersom signalen från det yttre paret måste färdas längre och kommer därmed att vara i en annan fas än det inre paret när den når mitten. För att säkerställa att de alla anländer med samma fas är det vanligt att se ytterligare överföringstråd införd i signalvägen, eller att överföringsledningen korsas för att vända fasen om skillnaden är större än 1 ⁄ 2 en våglängd .
Reflexer
Förstärkningen kan förbättras ytterligare genom att lägga till en reflektor . Generellt kommer vilken ledare som helst i en platt plåt att fungera på ett spegelliknande sätt för radiosignaler, men av detta . gäller även för icke-kontinuerliga ytor så länge som gapen mellan ledarna är mindre än cirka 1/10 målvåglängden Detta innebär att trådnät eller till och med parallella trådar eller metallstänger kan användas, vilket är särskilt användbart både för att minska den totala mängden material och för att minska vindbelastningar.
På grund av förändringen i signalens utbredningsriktning vid reflektion, genomgår signalen en fasomkastning. För att reflektorn ska lägga till utsignalen måste den nå elementen i fas. I allmänhet skulle detta kräva att reflektorn placeras vid 1 ⁄ 4 av en våglängd bakom elementen, och detta kan ses i många vanliga reflektoruppsättningar som TV-antenner . Det finns dock ett antal faktorer som kan ändra detta avstånd, och den faktiska reflektorns placering varierar.
Reflektorer har också fördelen att de reducerar signalen som tas emot från antennens baksida. Signaler som tas emot från baksidan och återutsänds från reflektorn har inte genomgått en fasförändring och ökar inte signalen framifrån. Detta förbättrar avsevärt antennens fram-till-bak-förhållande , vilket gör den mer riktad. Detta kan vara användbart när en mer riktad signal önskas eller oönskade signaler finns. Det finns fall då detta inte är önskvärt, och även om reflektorer vanligtvis ses i gruppantenner, är de inte universella. Till exempel, medan UHF-televisionsantenner ofta använder en rad bowtie-antenner med en reflektor, är en bowtie-array utan en reflektor en relativt vanlig design i mikrovågsområdet .
Vinstgränser
När fler element läggs till i en array minskar strålbredden på antennens huvudlob, vilket leder till en ökning av förstärkningen. I teorin finns det ingen gräns för denna process. Men när antalet element ökar, ökar komplexiteten hos det erforderliga matningsnätverket som håller signalerna i fas. I slutändan blir de stigande inneboende förlusterna i matningsnätverket större än den ytterligare vinst som uppnås med fler element, vilket begränsar den maximala vinsten som kan uppnås.
Förstärkningen av praktiska gruppantenner är begränsad till cirka 25–30 dB. Två halvvågselement placerade en halvvåg från varandra och en kvartsvåg från en reflekterande skärm har använts som en standardförstärkningsantenn med cirka 9,8 dBi vid dess designfrekvens. Vanliga TV-antenner med 4 fack har förstärkningar på cirka 10 till 12 dB, och design med 8-fack kan öka detta till 12 till 16 dB. SCR-270 med 32 element hade en förstärkning på cirka 19,8 dB. Några mycket stora reflekterande arrayer har konstruerats, särskilt de sovjetiska Duga-radarerna som är hundratals meter över och innehåller hundratals element. Active array-antenner, i vilka grupper av element drivs av separata RF-förstärkare, kan ha mycket högre förstärkning, men är oöverkomligt dyra.
Sedan 1980-talet har versioner för användning vid mikrovågsfrekvenser gjorts med patchantennelement monterade framför en metallyta.
Strålningsmönster och strålstyrning
När den drivs i fas är strålningsmönstret för den reflekterande uppsättningen en enda huvudlob vinkelrät mot antennens plan, plus flera sidolober i lika vinklar mot vardera sidan. Ju fler element som används, desto smalare är huvudloben och desto mindre kraft utstrålas i sidloberna.
Antennens huvudlob kan styras elektroniskt inom en begränsad vinkel genom att fasförskjuta drivsignalerna som tillförs de individuella elementen. Varje antennelement matas genom en fasskiftare som kan styras digitalt, vilket fördröjer varje signal successivt. Detta gör att vågfronterna som skapas av överlagringen av de enskilda elementen är i en vinkel mot antennens plan. Antenner som använder denna teknik kallas fasstyrda arrayer och används ofta i moderna radarsystem.
Ett annat alternativ för att styra strålen är att montera hela antennstrukturen på en svängbar plattform och rotera den mekaniskt.
Se även
- Mars Cube One (2018 rymdfarkostdesign med reflekterande antenn)
- ^ US Navy (september 1998). NAVEDTRA 14183 - Navy Electricity and Electronics Training Series . Vol. Modul 11 - Mikrovågsprinciper. Lulu Press. sid. 236. ISBN 1-329-66770-0 .
- ^ "Effekterna av jordens övre atmosfär på radiosignaler" . NASA .
- ^ Raut, S. (juli 2014). "Bredbandstryckt bowtie-array för spektrumövervakning". 2014 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI) . Antenner and Propagation Society International Symposium . s. 235–236. doi : 10.1109/APS.2014.6904449 . ISBN 978-1-4799-3540-6 . S2CID 42085218 .
- ^ "Standard förstärkningsantenner" .
- ^ "ULTRAtenna 60" . Kanalmästare .
- ^ "EXTREMEtenna 80" . Kanalmästare .
- ^ Burrows, Chas. R. (2013-10-22). Radiovågsutbredning . sid. 460. ISBN 978-1-4832-5854-6 .
- ^ Huang, john. Reflekterande antenner .
Den här artikeln innehåller material från allmän egendom från Federal Standard 1037C . General Services Administration . (till stöd för MIL-STD-188) .
