Оснащение производства
Промышленный контроль
Лаборатория и Тестирование
Связь и Телекоммуникации
Безопасность и Спецтехника
Энергетика и Электротехника
Зачем антенну собирают в решётку
Один излучатель имеет небольшое усиление и широкую диаграмму. Если поставить несколько одинаковых элементов и подать на них согласованный сигнал, волны складываются в заданном направлении, а в других ослабляются. Удвоение числа элементов при правильном питании добавляет около 3 дБ и примерно вдвое сужает луч в плоскости решётки. Это видно на наших моделях: KADAMM AD2150 имеет усиление 5,15 дБи и ширину луча 35° в вертикальной плоскости, а AD4150 с вдвое большим числом вибраторов — 8,15 дБи и 18°.
Антенная решётка не обязательно современная и не обязательно с электронным лучом. Обычная антенна базовой станции УКВ на мачте тоже может быть решёткой. Здесь мы разбираем виды решёток для связи и СВЧ, чем они различаются и как выбрать. Про электронное управление лучом подробно написано в статье о радиолокационных антеннах и ФАР.
Линейная решётка
Элементы стоят в один ряд. В плоскости ряда луч сужается, в поперечной диаграмма определяется самим элементом. Если выстроить вертикально вибраторы для сети радиосвязи, получается антенна с большим усилением, которая излучает к горизонту, а не вверх и вниз. Именно так устроены коллинеарные и дипольные решётки базовых станций. Для такой решётки важно правильно рассчитать наклон: при очень узком вертикальном луче абоненты, стоящие близко к мачте, могут попасть в провал диаграммы.
Дипольные и кольцевые решётки для связи
В диапазонах VHF и UHF элементы велики, поэтому решётка занимает несколько метров. Серия дипольных решёток работает в сетях профессиональной радиосвязи (DMR и аналоговых системах).
| Модель | Диапазон | Усиление | Ширина луча (верт.) | Размеры, масса |
|---|---|---|---|---|
| AD2150 | 146–174 МГц | 5,15 дБи | 35° | 2900 × 1003 мм, 7 кг |
| AD4150 | 146–174 МГц | 8,15 дБи | 18° | 4953 × 900 мм, 13 кг |
| ACR-150-4 | 134–173 МГц | 9 дБи всенапр. / 12 дБи напр. | 13,5° | 5,8 м, 22,5 кг; 500 Вт |
| ACR-150-8 | 134–173 МГц | 10 дБи всенапр. / 13 дБи напр. | 10° | 5,8 м, 22,5 кг; 500 Вт |
Вибраторы, закреплённые со стороны мачты, дают разные формы диаграммы в зависимости от расстановки. Смещением элементов относительно мачты можно сделать диаграмму всенаправленной или направленной: как видно по таблице, у кольцевых решёток указаны оба значения. При заказе сообщите необходимую форму зоны. Масса и парусность таких антенн сопоставимы с небольшими конструкциями: крепёж и мачту считают заранее. Для СВЧ-диапазонов кольцевая форма используется и в пеленгации: кольцевая решётка АПЛ на 0,3–18 ГГц даёт круговой обзор.
Щелевая антенная решётка
В стенке волновода прорезают щели, каждая из которых излучает. Положение и наклон щелей задают форму диаграммы. Такая конструкция плоская, прочная, не имеет выступающих облучателей, а её потери малы, так как энергия идёт по волноводу. Поэтому щелевые решётки востребованы в морской и другой радиолокации X-диапазона, в радиоканалах и при измерениях.
| Модель | Диапазон, ГГц | Усиление | Мощность | Луч | Габариты, мм |
|---|---|---|---|---|---|
| АЩ-10700/12750-15 | 10,7–12,75 | 15 дБ | 1400 Вт | 90,9° (H), 9° (E) | 138 × 32 × 33 |
| АЩ-10700/12750-18 | 10,7–12,75 | 18 дБ | 1400 Вт | 45° (H), 9° (E) | 138 × 34 × 40 |
| АЩ-8600/9600-20 | 8,6–9,6 | более 20 дБ | 50 Вт | не менее 20 × 7° | 205,7 × 77,7 × 48,8 |
| АЩ-9000/10000-22-SMA(р) | 9–10 | 22 дБ | 10 Вт (имп.) | плоскость E: 27,8° | 260 × 89 × 20 |
Полоса такой антенны обычно узкая: щели работают как резонансные элементы. Сравните данные таблицы: при близких частотах усиление и ширина луча определяются длиной и числом щелей. Для широкополосной задачи обычно лучше другие виды антенн.
Плоская решётка с фиксированным лучом
Плоская решётка не обязательно сканирует. Если направление на корреспондента не меняется, луч задают при изготовлении, а антенну просто наводят. Так устроена KADAMM АРП-26500/40000-35-ДКП — плоская антенная решётка спутниковой связи Ka-диапазона 26,5–40 ГГц с фиксированным лучом для связи через геостационарные спутники. Полотно 500 × 400 × 60 мм содержит по 96 линейных канальных строк на каждую из двух поляризаций; усиление во всей полосе — не менее 36,5 дБи на передачу и 35,5 дБи на приём.
Передача ведётся на правой круговой поляризации, приём — на левой, развязка портов вместе с фильтрами — не хуже 65 дБ, поэтому одна апертура работает в обоих режимах. На спутник антенну наводят положением полотна: относительно земной станции геостационарный спутник неподвижен, и менять направление луча не нужно. По сравнению с зеркальной антенной облучателя перед апертурой нет, толщина — 60 мм.
Микрополосковая решётка
Излучатели выполнены на печатной плате вместе с линиями питания. Так получается тонкая и лёгкая антенна, удобная для серийного изготовления: например, серия KADAMM АМП-Р — микрополосковые решётки высокого усиления. Ограничения известны: диэлектрик даёт потери, и при большом размере полотна они заметнее, а допустимая мощность меньше, чем у волноводной конструкции. Характеристики приведены в таблице карточки.
Вибраторные решётки СВЧ
Серия АВД-КР использует кольцевые вибраторы. Такие элементы компактны и дают симметричную диаграмму, поэтому применяются там, где важна форма и устойчивость конструкции. Выбор между ними и щелевыми или микрополосковыми решётками определяется частотой, полосой и условиями работы.
Цифровая и адаптивная решётки
Цифровая антенная решётка имеет приёмник или передатчик с преобразователем на каждом канале, а луч вычисляется в процессоре. Поэтому можно формировать несколько лучей одновременно и менять их программно. Плата за это — объём данных и потребляемая мощность: при большом числе каналов и широкой полосе поток становится огромным. Адаптивная решётка рассчитывает веса по реально принятому сигналу и способна подавлять направление помехи. В каталоге пример такого решения для навигации — GNSS-AJ: четыре элемента и блок обработки. Подробнее — статья о CRPA-антеннах.
ФАР в каталоге
Из решёток с электронным управлением лучом в разделе радиолокационных антенн есть АФР-24000/24250-РЛ-В на 24–24,25 ГГц для FMCW-радара.
Что такое элемент и излучатель решётки
Запросы «элемент антенной решётки» и «излучатели» часто означают одно и то же, но в проектировании разница есть: излучатель — это сама антенна, а элемент включает ещё и его окружение, поскольку соседние излучатели влияют друг на друга. Такое взаимное влияние меняет входное сопротивление и диаграмму, причём сильнее всего на краях полотна. Поэтому параметры отдельного излучателя не равны его параметрам в составе решётки, и расчёт ведут с учётом всей структуры.
Шаг между элементами — ещё одно ключевое решение. При шаге меньше половины длины волны взаимное влияние растёт, а при большем появляются дифракционные лепестки. Для решёток без управления лучом допустимый шаг больше, для сканирующих — меньше. Это одна из причин, почему электронно сканирующие решётки сложнее обычных.
Как выбрать вид антенной решётки
- Частота. На VHF и UHF элементы большие: вибраторные решётки. На СВЧ — щели и микрополоски.
- Полоса. Узкополосная щель не подойдёт для широкой задачи.
- Мощность. Волноводная конструкция лучше переносит большую мощность, чем плата.
- Форма зоны. Определяет расположение элементов и усиление.
- Механика и среда. Масса и парусность часто определяют выбор на мачте.
- Управление. Нужна ли смена направления, и как быстро.
Что прислать инженеру. Частоту, полосу, мощность, форму зоны или требуемое усиление, допустимые размеры и способ крепления.
Распределение амплитуд и боковые лепестки
Одинаковое питание всех элементов даёт наибольшее усиление, но боковые лепестки при этом сравнительно высоки: первый лепесток равномерной линейной решётки находится примерно на −13 дБ (расчёт по множителю решётки для большого числа элементов). Если элементы к краям питать слабее, лепестки снижаются, а луч немного расширяется и усиление падает. Такой приём называют амплитудным распределением. Он важен там, где помехи и отражения приходят с других направлений: в радиолокации и при работе рядом с другими сетями. В паспорте поэтому смотрят не только усиление, но и уровень боковых лепестков.
Наклон луча в решётках базовых станций
В сотовой и профессиональной связи луч часто наклоняют вниз, чтобы покрыть нужную зону и не мешать соседним сайтам. Механический наклон поворачивает всю антенну, а электрический задаётся разностью фаз между элементами. По сути это простейшая форма фазирования, применённая в обычной антенне. Узкий вертикальный луч, например 10° у ACR-150-8 или 18° у AD4150, требует аккуратной установки: погрешность в несколько градусов уже заметно меняет уровень сигнала вдали. На высокой мачте ветер и изгиб конструкции также приходится учитывать.
Питание решётки и потери
Сигнал поступает к элементам через делители и кабели или через печатные линии. Каждый делитель и каждая линия вносят потери, поэтому при большом размере полотна реальное усиление растёт медленнее, чем теоретические 3 дБ на удвоение. Волноводное питание уменьшает потери, но увеличивает размер и стоимость; печатное удобнее и дешевле в серии, но проигрывает на высоких частотах. Для приёмных решёток малошумящий усилитель близко к элементу снижает влияние таких потерь на чувствительность. Это одна из причин появления активных решёток, в которых усилитель и фазовращатель расположены рядом с излучателем.
Решётки в каталоге
