Opracowanie :
dr inż. Adam Konrad Rutkowski mgr inż. Adam Słowik
ANTENY I SYSTEMY ANTENOWE ANTENY I SYSTEMY ANTENOWE
(wybrane zagadnienia)
ANTENY
Rys. 1.Antena paraboliczna firmy TECOM na pasmo 1-18 GHz (średnica 120cm).
Rys. 2. Przykład anteny pętlowej wykorzystanej do układu namiaru opartego na metodzie Watsona-Watta.
Anteny ze skrzyżowaną pętlą i pracujące w oparciu o metodę Watsona-Watta są zwykle wykorzystywane w zestawach przenośnych
ze względu na małe rozmiary.
Rys. 3. Przykład realizacji systemu anten Adcocka.
Wybrane układy formowania charakterystyki kierunkowej systemów antenowych
Macierz Blassa
Macierz Blassa jest macierzą niesymetryczną o wymiarach NxM, gdzie N jest liczbą anten dołączonych do macierzy natomiast M-liczbą portów wyjścio- wych. Zbudowana jest ona jedynie ze sprzęgaczy i linii transmisyjnych. Liczba użytych sprzęgaczy wynosi C=NxM. Przykładową strukturę macierzy Blassa po- kazano na rys. 5.
Rys. 5. Schemat strukturalny macierzy Blassa.
Macierz Butler’a
Strukturę jednej z odmian systemu z elektronicznym przemieszczaniem wiązki przedstawiono na rys. 1. System składa się z czterech anten A1-A4 oraz z tzw.
macierzy Butler’a zbudowanej z czterech kwadraturowych sprzęgaczy kierun- kowych SK1-SK4 i dwóch przesuwników fazy.
0o
A1 A2 A3 A4
1 2 3 4
- 45o - 45o
SK1 SK2
SK3 SK4
Rys. 6. Ogólna struktura szyku liniowego czterech anten zasilanych poprzez macierz Butler’a.
Po pobudzeniu jednego z wrót wejściowych 1-4 macierzy Butler’a (rys.6.) po- ziomy sygnałów zasilających poszczególne anteny będą jednakowe, natomiast wystąpi zróżnicowanie ich faz. Różnica faz sygnałów, a konkretnie kąty wklęsłe
φi,i+1 jakie tworzą wektory sygnałów docierających do sąsiednich anten jest stała
i zależy od tego, do których wrót macierzy Butler’a podany został sygnał
z generatora. Wartości tych kątów w odniesieniu do układu przedstawionego na rys. 6. wynoszą:
φi,i+1 = - 45° gdy pobudzane są wrota 1 macierzy
φi,i+1 = 135° gdy pobudzane są wrota 2 macierzy
φi,i+1 = - 135° gdy pobudzane są wrota 3 macierzy
φi,i+1 = 45° gdy pobudzane są wrota 4 macierzy
Dzięki temu, w punktach leżących na określonych kierunkach, sygnały emito- wane z anten będą występowały z fazami zbliżonymi, a na innych kierunkach, z fazami różnymi. Będzie to efektem różnicy dróg propagacji sygnałów z po- szczególnych anten do danego punktu w przestrzeni. Uzyska się w ten sposób wypadkową wiązkę oświetlającą, której kątowe położenie Ψ związane będzie z różnicą faz φi,i+1 sygnałów pobudzających sąsiednie anteny, co z kolei zdetermi- nowane jest numerem pobudzanych wrót wejściowych macierzy Butler’a. Ponad- to położenie wiązki Ψ zależeć będzie od częstotliwości nadawanego sygnału i od odległości między antenami.
Rozwiązanie takie pozwala na realizację szybkiego elektronicznego skanowa- nia przestrzeni poprzez przełączanie źródła sygnału mikrofalowego do jednego lub kilku odpowiednich wrót wejściowych macierzy.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60
Θ = 45 o
wy1 wy4
wy3 wy2
U U max
ϕ [ °]
d / = 0.5 λ
2 4 1 3
Ψ Ψ Ψ Ψ
Rys. 7. Unormowane charakterystyki kierunkowe systemu czterech anten zasilanych poprzez macierz Butler’a MB 4x4
(d – odległość między sąsiednimi antenami, Θ - szerokość charakterystyki pojedynczej anteny).
1 2 3 4 5 6 7 8
-67.5 o -67.5 o
-45 o -45 o
-45 o -45 o
-22.5 o
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
Rys. 8. Ogólna struktura szyku liniowego ośmiu anten połączonych z macierzą Butler’a MB 8x8 (linie pogrubione oznaczają przesuwniki fazy).
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60
Θ = 45 o
U U max
ϕ [ °]
wy1 wy5
wy3
wy7 wy8
wy4
wy6
wy2
d / = 0.5 λ
Rys. 9. Unormowane charakterystyki kierunkowe systemu ośmiu anten zasilanych poprzez macierz Butler’a MB 8x8
(d – odległość między sąsiednimi antenami, Θ - szerokość charakterystyki pojedynczej anteny).
Macierz Nolena
Macierz Nolena może być uważana jako kombinacja macierzy Butlera i Blassa. Elementarne anteny są połączone z N-tego elementu do M-tego portu wejściowego. Tak jak macierz Blassa, macierz Nolena może mieć różną liczbę anten, nie tę samą co liczba portów wejściowych. Jest ona rzadko stosowana ze względu na dużą liczbę elementów i trudności z zestrojeniem obwodu. Przykła- dową strukturę takiej macierzy przedstawia rys. 10.
Rys. 10. Schemat strukturalny macierzy Nolena.
Soczewki form ujące wiązkę
Soczew ki formujące tworzą wiązkę stałą w kącie, podczas gdy szerokość w iązki i poziom skrzyżow ań w systemach z macierzami Butler’a lub Blassa zmienia się z częstotliwością.
Rys. 11. Zasada funkcjonowania soczewki Bootlace’a.
Soczewka Rotmana (Rys. 12.) jest modyfikacją soczewki Bootlace’a z dodatkowym szykiem pobudzającym porty wejściowe.
Rys. 12. Zasada funkcjonowania soczewki Rotmana.
Adaptacyjne szyki antenowe
Adaptacyjne szyki antenowe wykorzystują złożony proces formowania wiązki szyku antenowego za pomocą wagowego sumowania sygnałów z poszczególnych elementów antenowych. Wagi mogą być w trakcie pracy dy- namicznie zmieniane w celu osiągnięcia najlepszych warunków odbioru. Można stwierdzić, że formowanie adaptacyjne wiązki antenowej jest iteracyjną realiza- cją formowania optymalnego. Na rysunku 13 przedstawiono blokowy schemat przykładowego adaptacyjnego układu formowania wiązki szyku antenowego.
