Антенны с фазированной решеткой

Антенны с фазированной решеткой: основы

Антенны с фазовой решеткой изменяют фазу между различными управляемыми элементами внутри антенны, чтобы обеспечить направленность и усиление для простых и очень сложных антенных систем. Концепция фазированных антенных решеток известна уже очень много лет, и на протяжении многих лет она использовалась в качестве основы для очень многих антенн. Конструкции фазированных антенных решеток могут варьироваться от базовых двухэлементных антенн, используемых для таких приложений, как любительское радио, прием телевидения и т. д., вплоть до многоэлементных управляемых решеток, которые сейчас используются для мобильной связи 5G, различных форм радаров и даже Wi-Fi. а также многие другие коммерческие приложения. Независимо от применения и уровня сложности, фазированные антенные решетки обеспечивают усиление и направленность, а также дают возможность управлять лучом либо механически, либо электронным способом. Электронное управление лучом представляет особый интерес для многих коммерческих приложений, поскольку его можно легко, эффективно и точно реализовать. Соответственно, фазированные антенные решетки становятся все более важными во многих областях радиосвязи и общей связи.

Ранняя разработка фазированных решеток

Концепция фазированных антенных решеток известна с первых дней радиотехнологий. Первые эксперименты были предприняты в 1905 году Карлом Брауном, который смог использовать методы фазирования для усиления излучения антенны в одном направлении. Дальнейшие разработки были сделаны во время Второй мировой войны, когда Германия построила свои радиолокационные системы дальнего действия Mammut, в которых в антенне использовались методы фазирования, чтобы обеспечить антенну, которой можно было управлять с помощью электроники по дуге около 100°. Также методы фазированных антенных решеток использовались для наземной системы захода на посадку, разработанной под руководством Луиса Альвареса. В последующие годы методы для фазированных антенных решеток были усовершенствованы, но только в 2004 году Калифорнийский технологический институт продемонстрировал первую интегрированную фазированную антенную решетку на основе кремния для приема на частоте 24 ГГц. Это проложило путь для более поздних разработок, в которых методы интегральных схем использовались в качестве основы для небольших интегрированных антенн с высокой управляемостью для использования во многих формах беспроводной связи. Вдобавок к этому использование более традиционных антенн, основанных на методах фазирования, с годами выросло до такой степени, что антенны, основанные на ряде управляемых антенных элементов, где фазирование так или иначе контролируется, составляют большую часть всех используемых антенн.

Широкие категории и использование фазированных решеток

Фазированные решетки используются во многих различных секторах промышленности и для большого количества различных типов систем.

В результате можно предположить, что существует два основных типа фазированных антенных решеток или два лагеря, в которые их обычно можно сгруппировать.

Пассивные антенные решетки: для пассивных фазированных антенных решеток все антенны подключены к одному передатчику, а фазирование между различными элементами антенны осуществляется пассивным образом, часто с использованием длин фидерных линий и т. д. Эти антенны имеют тенденцию следовать более традиционным линиям. Они могут быть в форме лучевой антенны и выглядеть как антенна типа Yagi, но использовать методы фазирования, при которых управляются два или более активных элемента. Они могут иметь форму вертикальной антенны, такой как коллинеарная антенна, в которой несколько элементов расположены вертикально друг над другом для направления луча. Они также могут иметь форму волновода, в котором вырезаны прорези для получения очень узкой ширины луча, как в случае антенн, используемых в радиолокационных системах. Конечно, существует множество других типов пассивных фазированных решеток.
Активные антенны с фазированной решеткой. В связи с потребностью в очень гибких антеннах с электронным управлением для всего, от мобильной связи до Wi-Fi и многих других профессиональных коммуникационных приложений, существует растущая технология, основанная на этих высокотехнологичных антеннах, которые не только используют методы фазирования, но и рулевое управление с электронным управлением и обычно под управлением процессора.

В дополнение к этим группам или классификациям для фазированных решеток также могут быть определены другие классификации и типы. Другие подклассы приведены на некоторых дополнительных страницах. К какой бы категории ни относилась антенна, основная концепция ее работы одинакова, а именно, управляя фазой сигнала для различных элементов, можно изменить ее диаграмму направленности и направление, в котором основной луч направлен. Оба типа антенн очень важны для различных приложений радиосвязи, и они способны обеспечить отличные характеристики.

Основная концепция фазированных антенных решеток

Антенны с фазированной решеткой любого типа работают, потому что они накладывают два или более излучаемых сигнала, зависящих от фазы. Когда сигналы находятся в фазе, они объединяются вместе, чтобы сформировать сигнал, в котором амплитуда была добавлена, но если они находятся в противоположной фазе, то сигналы компенсируют друг друга. Антенны с фазированной решеткой включают в себя два или более излучателей, и их фаза регулируется, чтобы обеспечить усиление и подавление в требуемых направлениях. Только с двумя излучателями, такими как два диполя с линией фазовой задержки между ними, управление относительно элементарно, но одна из этих антенн все же может обеспечить полезный уровень усиления и стать основой антенны с характеристиками, аналогичными направленным Yagi. антенна. С такими антеннами, которые обычно используют физическую фидерную линию, обрезанную по длине, чтобы обеспечить требуемую разность фаз, антенну необходимо будет физически повернуть, чтобы изменить направление, в котором активируется основной лепесток антенны. ФАР с несколькими антеннами или излучателями, в которых количество излучателей превышает два или три, обычно образуют довольно сложные антенны. Количество излучающих элементов или излучателей может достигать нескольких тысяч, и во многих из них можно электрически управлять основным лучом антенны, электрически изменяя фазу излучающих элементов. Процесс электрического изменения направления луча антенны называется управлением лучом и является особенно важным элементом многих современных систем связи и стандартов.

Как работает фазировка антенны

Какой бы ни была сложность фазированной антенной решетки, состоит ли она всего из двух элементов или из тысячи, основной принцип один и тот же. Как уже упоминалось, он основан на том факте, что когда сигналы находятся в одной фазе, они усиливают друг друга, а когда они находятся в противоположной фазе, они компенсируют друг друга. Таким образом, они будут производить повышенный уровень излучения сигнала в заданном направлении. Также в случае, когда сигналы не совпадают по фазе, они компенсируют друг друга. Если они имеют одинаковую амплитуду, то они полностью компенсируют друг друга. Чтобы увидеть, как это работает, рассмотрим случай, когда сигналы от двух элементов находятся в фазе — они складываются и усиливают друг друга. Сумма двух сигналов, если предположить, что они имеют одинаковую силу, в два раза больше индивидуального, и в результате происходит усиление сигнала. В случае, когда между двумя сигналами имеется фазовый сдвиг на 180°, они компенсируют друг друга и предполагают, что они полностью не совпадают по фазе и имеют одинаковую силу. Соответственно сигнал в этом направлении слышен не будет. При углах от 0° до 180° будет переход от нуля к максимуму. Надо сказать, что в реальности никогда не бывает полной отмены, так как никогда не удается полностью достичь идеала в реальной жизни. Это означает, что для двухэлементного луча, использующего подобные методы фазирования, диаграмма направленности может быть примерно такой, как показано ниже.

Пассивные антенные решетки

Как уже упоминалось, существует множество различных типов фазированных антенных решеток, которые используются в самых разных приложениях, от обычной радиосвязи до любительского радио и многого другого. Существует несколько различных конструкций и техник, которые можно использовать.

Коллинеарная антенна: Коллинеарная антенна представляет собой форму вертикальной фазированной антенной решетки, в которой несколько элементов, часто дипольных элементов, установлены друг над другом, где они параллельны и коллинеарны, т. е. имеют общую ось. Подавая их в нужной фазе, можно получить более узкий пучок и, следовательно, добиться усиления. Как правило, коллинеарные антенны предназначены для обеспечения максимального усиления под прямым углом к антенне, а поскольку антенна обычно расположена вертикально, это означает, что максимальная мощность излучается параллельно земле, что обеспечивает наилучшее покрытие. Можно изменить фазировку подачи на различные диаграммы направленности, которые могут потребоваться время от времени.

Коллинеарная антенна с фазированной антенной решеткой,

состоящая из четырех диполей, расположенных вертикально.

Этот тип антенны часто используется для мобильной радиосвязи, где коллинеарная антенна используется на базовой станции - эти антенны могут быть намного больше, чем четвертьволновые или аналогичные вертикальные антенны, которые, скорее всего, будут использоваться на мобильных станциях.

Специальная антенна ZL: Специальная антенна ZL представляет собой двухэлементную фазированную антенную решетку, которая пользуется популярностью среди радиолюбителей. Он был представлен в 1949 году и разработан Джорджем Причардом (ZL3MH, позже получившим позывной ZL2OQ). Фред Джадд, позывной G2BCX, исследовал антенну и назвал ее специальной ZL, потому что она была разработана новозеландцем с позывным "ZL".

Антенна HB9CV: Антенна HB9CV представляет собой двухэлементную фазированную антенную решетку, популярную среди радиолюбителей, и в ней используются два управляемых элемента. Антенна была представлена Рудольфом Баумгартнером, HB9CV, в 1950-х годах.

Активные фазированные антенные решетки

Антенны с использованием фазированных решеток с большим количеством элементов в настоящее время широко используются для приложений, варьирующихся от Wi-Fi до мобильной связи, а также в качестве антенн для передовых радиолокационных систем.

Формирование луча: Формирование луча — это метод, часто используемый с управлением лучом, при котором луч формируется, как правило, с использованием активных элементов для создания шаблона, необходимого для конкретной ситуации. Направление луча: базовые методы включают использование нескольких элементов (иногда большого количества элементов), которые часто контролируются фазовращателями, управляемыми процессором, для изменения фазы и амплитуды сигнала на разные антенны. Таким образом, луч можно контролировать и направлять туда, где это необходимо.

Есть много различных аспектов активных фазированных антенных решеток. В связи с более широким использованием узконаправленных РЧ-сигналов, необходимых для мобильной связи с высокой плотностью и высокой производительностью и других беспроводных систем, разработка этих антенн продолжается быстрыми темпами, и по мере того, как технология становится доступной, внедряются новые концепции и идеи. Эта конструкция антенн будет только быстро развиваться ввиду растущих требований ко всем типам беспроводной связи. Антенны с фазированной решеткой являются особенно важной формой антенны. В некоторых случаях они обеспечивают очень аккуратное и эффективное решение для небольших линий радиосвязи для профессионального использования и для радиолюбителей. Однако они также очень важны для многих гибких форм радиосвязи и каналов мобильной связи, беспроводных каналов связи и т.п., где возможность программирования фазовых сдвигов позволяет создавать управляемые и эффективные антенны, дополняющие другие используемые технологии. с этими системами.