Антенны и антенные решётки служат «глазами и ушами» для всех беспроводных систем. Согласно стандарту IEEE (145–1983), антенна может быть определена просто как «средство для передачи и приёма радиоволн». Антенна служит преобразователем между передатчиком и свободным пространством или между средой и приёмником. В широком смысле антенны можно разделить на три категории: изотропные, всенаправленные и направленные (см. рисунок 1). Изотропная антенна — это гипотетическая концепция с единичным усилением во всех направлениях. Она служит эталоном для измерения практических антенных элементов. Всенаправленная антенна является наиболее близкой реализацией изотропной антенны с почти постоянным усилением в одной плоскости отсчёта (азимут или высота), и широко используется в вещательных приложениях. Направленные антенны имеют более высокое направленное усиление и более узкие диаграммы направленности (лучи), что подходит для таких приложений, как радиолокация и связь точка-точка.
Майкл Фарадей в 1830 году использовал антенну в виде петли в рамках своих экспериментов по изучению связи электрических и магнитных полей. Позднее Генрих Герц обнаружил электромагнитные волны и сконструировал дипольную антенну. В 1901 году Гульельмо Маркони передал информацию через Атлантический океан с использованием нескольких вертикальных проводов, подключённых к земле. Это стало первым применением антенных решёток. Максвелл написал первый трактат по теории электромагнетизма, объединив принципы, предложенные Эрстедом, Фарадеем, Гауссом и другими учёными, известные как уравнения Максвелла (см. рисунок 2). Максвелл показал, что любой ускоренный заряд излучает, и поэтому антенна может быть определена как электромагнитное устройство, которое контролирует поток переменных токов, тем самым создавая электромагнитное излучение.
Уравнение Максвелла
Структура антенны может быть рассмотрена как состоящая из трёх частей: генератора электромагнитных волн, направляющей структуры и переходной области (см. рисунок 3). Рисунок 3 является результатом симуляции методом конечных элементов (МКЭ) рупорной антенны, показывающей поток радиочастотной энергии в соответствующих частях. Генератор электромагнитных волн вводит электромагнитную волну в направляющую структуру (вход раструбного рупора), которая направляет её в переходную область. Переходная область представляет собой согласующий трансформатор, согласовывающий импеданс направляющей структуры с импедансом свободного пространства, равным 377 Ом. Электромагнитная волна выходит из переходной области в свободное пространство, вызывая излучение антенны.
Рис 3. Механизм излучения антенны
Хотя список существующих типов антенн слишком обширен, чтобы его можно было здесь обобщить, рассмотрим несколько из них на основе их коммерческого и военного применения.
Основные работы с антеннами
Квалификационные параметры антенны (AQP) определяют характеристики излучения и импеданса антенны. Вот некоторые из них:
-
Коэффициент усиления антенны G и направленность (направленное усиление) D.
-
Температура антенны T.
-
Сопротивление излучения R.
-
Ширина луча половинной мощности BW3dB.
-
Направление наведения или угол сканирования.
-
Характеристики боковых лепестков (sidelobe level, SLL), например, пиковый уровень боковых лепестков (peak sidelobe level, PSLL) и средний уровень боковых лепестков (average sidelobe level, ASLL).
-
Характеристики кросс-поляризации (cross-polarization, x-pol).
-
Осевое отношение (axial ratio, AR).
Рис. 4. квалификационные параметры антенны
G измеряет направленность диаграммы направленности антенны относительно изотропной антенны (G=1), поэтому ее можно измерить в дБи (i для изотропной). Он отличается от D в том смысле, что он учитывает различные потери в проводниках, пространстве (излучение) и направляющих (диэлектрик или воздух), не включенные в директивный коэффициент усиления D. Следовательно, G всегда меньше, чем D. BW3dB — это угловое расстояние между двумя точками – 3 дБ от максимума или пика главного луча диаграммы направленности. Направление взгляда определяет направление, в котором направлен главный луч диаграммы направленности антенны во время сканирования решетки механическим (с использованием серводвигателей) или электронным способом (с использованием фазовых сдвигов, применяемых к элементам решетки с помощью цифровой технологии). На рисунке 5 показана типичная диаграмма направленности для направленной антенны. Помимо главного лепестка (ML), который является желательным, существуют другие нежелательные лепестки гораздо меньшей величины по сравнению с ML, называемые боковыми лепестками и характеризующиеся SLL.
Рис. 5 Диаграмма направленности антенны (в полярной форме).
Идеальная антенна не имеет боковых лепестков. Однако из-за конечной природы заземляющего слоя антенны ток, распространяющийся по апертуре антенны, отражается от ее конечных краев, что приводит к образованию боковых лепестков из-за конструктивной и деструктивной интерференции между током, идущим в прямом и обратном направлениях. Эту огибающую боковых лепестков (см. рисунок 5) можно охарактеризовать с точки зрения PSLL, ASLL и среднеквадратичного (RMS) SLL, измеренного относительно ML. Уровень кросс-поляризации (x-pol) определяет уровень интенсивности излучения в плоскости, ортогональной желаемой плоскости поляризации; Итак, для антенны с горизонтальной поляризацией x-pol представляет собой вертикальную поляризацию. Плоскость поляризации определяет плоскость, содержащую вектор электронного поля (см. рисунок 6). AR количественно определяет поляризацию антенны, которая может быть эллиптической, круговой (AR ~ 0 дБ) или линейной (AR ~ ∞).
Рис. 6. Распространение ЭМ волн с круговой поляризацией (а) и определение АО (б).
Классификация антенн
На рисунке 7 показана классификация антенн различной геометрии. Сюда входят проволочные антенны, антенны бегущей волны, рефлекторные антенны, микрополосковые антенны, логопериодические антенны, апертурные антенны и другие антенны, такие как антенны ближней радиосвязи (NFC) и фрактальные антенны. Отдельный антенный элемент может иметь коэффициент усиления от 0 дБи (монопольный) до 10–12 дБи (например, антенна с конической щелью и спиральная) в зависимости от типа.
В зависимости от технических характеристик, таких как допустимая мощность, G, SLL, размер, вес и объем, для определенных приложений может быть выбран класс. Например, антенны астрономических радиотелескопов требуют очень высокого усиления и мощной мощности, а также открытые установки на больших территориях, подверженных различным, и часто суровым, топологическим и экологическим условиям. Этим требованиям обычно отвечают решетки отражательных антенн. Для платформ с ограниченной площадью, таких как высотные платформы (HAPS) и истребители, полезны микрополосковые антенны, поскольку они легкие, имеют низкий профиль и удобны по своей природе. Антенны бегущей волны и логопериодические антенны очень полезны для сверхширокополосных и мощных приложений. Фрактальные антенны полезны для реализации встроенных антенных структур внутри мобильных телефонов. Плоская перевернутая складчатая антенна (PIFA) является хорошей конструкцией для носимых устройств. Антенные решетки полезны для таких приложений, как радар, где требуется высокий коэффициент усиления для обнаружения на больших расстояниях и направленные лучи для сопровождения целей.
Рис. 7 Типы антенных конструкций.
Антенные решетки
Для некоторых приложений требуются антенны с высоким коэффициентом усиления, узкой шириной полосы пропускания 3 дБ и электронным управлением лучом. Это требования, которые невозможно легко удовлетворить с помощью одной антенны. Для этих приложений необходимо использовать антенные кластеры, известные как антенные решетки. Для массива из N элементов G равен N, умноженному на коэффициент усиления одиночной антенны, Go, т. е.
BW3dB обратно пропорционален G, т.е.
обычно для одинаково питаемых элементов массива.
Антенные решетки можно разделить на три основные категории (см. рисунок 8):
- Линейная антенная решетка (ЛАА), состоящая из одномерного кластера антенных элементов.
- Фазированная антенная решетка (ФАР), состоящая из двумерного кластера антенных элементов.
- Конформная антенная решетка (CAA), состоящая из одно- или двумерного кластера антенных элементов, конформно расположенных по поверхности.
Рис. 8 Классификация антенных решеток.
Обобщенное выражение для направленности, D
D антенной решетки можно определить как
где Po — средняя излучаемая мощность и
— максимальная излучаемая мощность в данном направлении.
Направленность и усиление антенны связаны соотношением
представляет собой коэффициент отражения антенны (параметр цепи), определяющий рассогласование в переходной области антенны, которое согласовывает волновое сопротивление направляющей конструкции с волновым сопротивлением свободного пространства для максимальной передачи энергии в пространство от антенной конструкции. Таким образом, G < D из-за потерь в проводнике, диэлектрике и рассогласовании.
Рабочая полоса пропускания (OBW) антенны может быть определена как диапазон частотных точек, в которых пространство антенны и параметры схемы, измеряемые с точки зрения AQP, находятся в желаемых пределах, определенных пользователем. OBW можно классифицировать по полосе пропускания излучения и полосе сопротивления.
Тенденции исследований в области антенн и антенных решеток
Несколько текущих направлений исследований включают, но не ограничиваются:
- Микрополосковые отражательные решетки
- Реконфигурируемые микрополосковые антенны
- Антенны для носимых устройств
- Антенны с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO)
- Сверхширокополосные антенны (UWB)
- Антенны из метаматериалов
- Связанная антенная решетка
- Антенна с ветрозащитным экраном
- Фрактальные антенны
- Интеллектуальные антенны
- Антенны с дефектной структурой грунта (DGS)/электромагнитной запрещенной зоной (EBG)
- Конформные антенные решетки
- Антенны с общей апертурой
- Антенны радаров
Микрополосковые отражающие матрицы
Эта концепция была введена Берри и др. в 1963 году с использованием волновода, а позже был реализован с использованием микрополосковой технологии. Рефлекторные антенны и фазированные решетки образуют принцип работы отражающих антенных решеток (см. рисунок 9). Изменение размера и геометрии плоских антенных элементов приводит к эквивалентному фазовому сдвигу, имитирующему поведение параболического отражателя. Отражатель перехватывает падающую волну от излучателя, расположенного в его фокусе, и рассеивает обратно энергию, которая благодаря своей конструкции коллимируется и образует излучаемый луч. Это связано с потерей пространства и вторичными потерями. С другой стороны, фазированная решетка включает в себя радиочастотную сеть, включающую фазовращатели, аттенюаторы, усилители и сеть подачи для приема/передачи энергии; таким образом, возникают связанные с этим радиочастотные потери. Рефлекторная антенна решает эти проблемы. Отражающая решетка представляет собой структуру фазового преобразования, в которой большинство элементов находятся вблизи резонанса; следовательно, он представляет собой альтернативу обычной антенне с параболическим рефлектором.
Рис. 9. Отражающая решётка антенны.
Самайяр обсуждает применение отражающих матриц для реализации одновременной передачи и приема на частоте 5,8 ГГц в диапазоне ISM. Фукая описывает спутниковую антенну с отражающей решеткой Tx и Rx, содержащую несколько рупоров и однослойную плоскую отражающую решетку, которая излучает сканирующие лучи в разных направлениях по азимуту в зависимости от поляризации и частоты. Отражающая решетка, разработанная с использованием сильно связанных дипольных решеток (TCDA), работает в диапазоне от 3,4 до 10,6 ГГц. Было продемонстрировано, что микрополосковая отражательная антенная решетка является практической альтернативой громоздким отражательным антеннам и дорогостоящим фазированным решеткам.