Антенная решетка

Совокупность дискретных элементов, каждый из которых осуществляет когерентно по отношению к остальным излучение или прием электромагнитных волн. Простейшими элементами антенной решетки служат отдельные, обычно слабонаправленные, антенны (вибраторы, щели, спирали, открытые концы волноводов, рупоры и т. п.). Иногда отдельные элементы решетки также являются составными, содержащими несколько одинаковых или разнотипных излучателей. В передающей антенной решетке элементы подсоединяются к источнику электромагнитных колебаний с помощью системы, осуществляющей возбуждение волн. В режиме приема элементы антенной решетки соединяются с приемным устройством системой суммирования принимаемых сигналов. Система возбуждения может быть многоканальной, причем ее различным каналам соответствуют различные распределения поля на элементах, а следовательно, и различные диаграммы направленности (ДН) антенной решетки. В антенных решетках используется фидерный или пространственный способ возбуждения элементов. В первом случае элементы соединяются с передатчиком через линии передачи, во втором - через пространство по схемам линзовой и зеркальной антенн. Аналогично выполняются системы суммирования принимаемых сигналов.

ДН формируется в результате интерференции волн, излучаемых элементами. Если излучатели идентичны и одинаково ориентированы, то ДН можно представить в виде произведения ДН элемента на т. н. множитель решетки, который имеет смысл ДН решетки, образованной изотропными излучателями.

Принципиальной особенностью антенной решетки является возможность управления ее ДН при изменении комплексных амплитуд и поляризации волн, излучаемых элементами. Для формирования узкого луча в заданном направлении фазовые сдвиги между элементами должны соответствовать распределению фаз, создаваемому на антенной решетке плоской волной, приходящей в этом направлении. Для изменения ориентации луча достаточно изменить сдвиги фаз. Управление ДН можно осуществлять, изменяя частоту излучаемых колебаний (частотное сканирование) либо применяя в элементах антенной решетки перестраиваемые фазовращатели (фазовый способ управления). И в том, и в другом случае изменяется сдвиг фаз; возможно сочетание этих способов управления.

Если элементы антенной решетки (или группы элементов) не содержат усилительных устройств, решетка называется пассивной. Элементы активной решетки содержат усилители мощности (передающая антенная решетка) или малошумящие усилители (приемная антенная решетка). Если регулируются не только фазовращатели, но и усилители, то обеспечивается наиболее эффективное управление ДН - одновременно за счет изменения фазовых сдвигов и амплитуд.

В приемных активных решетках могут использоваться преобразователи частоты, электронно-оптические, аналого-цифровые и другие преобразователи радиосигналов. В этих случаях операции когерентного суммирования и управления комплексными амплитудами выполняет соответствующая система обработки информации на промежуточной частоте (оптическая или цифровая). Если система обработки является многоканальной, антенная решетка может осуществлять одновременный обзор некоторого сектора пространства. Иногда прибегают к специальной обработке принятых сигналов, чтобы улучшить разрешающую способность или снизить уровень боковых лепестков (см. Антенна с обработкой сигналов и Адаптивная антенна).

Перестраиваемые фазовращатели, поляризаторы, усилители, а также преобразователи антенной решетки являются электрически управляемыми устройствами; поэтому антенные решетки приобретают еще одно важное качество - быстродействие. По такому показателю антенные решетки на несколько порядков превосходят поворотные и механически сканирующие антенны.

Излучатели антенной решетки можно располагать на поверхностях различной конфигурации, периодически, неэквидистантно, квазислучайно по отношению друг к другу. Антенным решеткам свойственна пространственная дискретность, что ухудшает ДН, в первую очередь, из-за появления в пространстве дифракционных лепестков. Их возникновение можно предотвратить, уменьшая междуэлементные расстояния в периодической решетке или располагая элементы непериодически (неэквидистантно). Фазированной антенной решетке свойственна также дискретность изменения фазового распределения поля на излучателях при управлении ДН, поскольку обычно перестраиваемые фазовращатели осуществляют регулировку фаз дискретно. Вследствие этого возникают искажения ДН решетки. Поскольку требуемые дискретные значения фаз и амплитуд воспроизводятся со случайными отклонениями, ДН решетки приобретает паразитную, фоновую составляющую.

Функциональные способности антенной решетки обеспечили их эффективное использование в радиолокации, технике связи, радиоастрономии. Однако применение антенных решеток вместо поворотных и механически сканирующих антенн в каждом случае требует обоснования, поскольку антенные решетки являются более дорогостоящими. При решении простых задач используют антенны, сочетающие функциональные достоинства антенных решеток и простоту поворотных антенн. Примером могут служить зеркальные антенны с управляемыми облучателями в виде решеток с относительно малым числом элементов.