Плоские антенны

Для приема телевизионных программ со спутников также приме­няются плоские (пленарные) антенны или так называемые фазиро­ванные антенные решетки (ФАРы) и активные фазированные ан­тенные решетки (АФАРы). Они состоят из множества резонаторных

излучателей, которые имеют самую разнообразную геометрическую форму: прямоугольную, круглую, эллиптическую, квадратную и т.п.

На рис. 5.12 показан излучающий элементарный резонатор пря­моугольной формы. Он представляет собой прямоугольную метал­лическую пластину 1, нанесенную на диэлектрическую подложку 2 и экранирующую сплошную поверхность 3. Толщина диэлектрической подложки меньше 0,1 , где - длина СВЧ волны в свободном пространстве. Излучатель возбуждается полосковой линией 4. Эта система представляет собой резонатор с излучением через края I и II прямоугольника. Расстояние I между излучающими краями при­близительно равно , где - длина волны в диэлектрике); размер b определяет входное сопротивление антенны, составляю­щее сотни ом.

Излучатель прямоугольной формы при резонансе имеет коэф­фициент усиления около 6 дБ при относительной диэлектрической проницаемости подложки = 2,35 и тангенсе угла потерь tg < 10 '³.

Элементарные излучатели¹⁷ соединяются между собой опреде­ленным образом, образуя так называемую фазированную антенную решетку. В точках соединения сигналы складываются в фазе и ре­зультирующая мощность сигнала в антенне равна сумме мощно­стей сигналов, принятых всеми излучателями. Основной лепесток излучения направлен перпендикулярно ее поверхности, т.е. к плос­костям элементарных излучателей. Плоские антенны могут отли­чаться друг от друга формой элементарных излучателей, а также способом их возбуждения. Применяя разнообразные формы излучателей (рис. 5.13) и схе­мы их включения, можно создать антенну, работающую в нужном относительно широком диапазоне частот. Из всех форм излучате-

Рис. 5.12. Конструкция излучающей элементарной структуры

Рис. 5.13. Различные геометрические формы элементарных антенных излучателей

лей наилучшей диапазонностью обладают излучатели эллиптиче­ской формы.

При необходимости иметь излучатели с круговой поляризацией электромагнитной волны выбирают излучатель в форме эллипса или квадрата. Питание их в этом случае осуществляется по осям, расположенным в излучателе перпендикулярно друг другу с фазо­вым сдвигом 90°.

Большое значение для элементарных излучателей имеет мате­риал диэлектрической подложки. Основными качественными пока­зателями подложки здесь являются: максимальная диэлектриче­ская проницаемость ( =2,35), минимальные потери в диэлектрике (tg< ), минимальные отклонения толщины подложки (мини­мальный разброс) и способность сохранять ее свою форму и пара­метры в различных климатических условиях эксплуатации. Наи­лучшие диэлектрические подложки, применяемые для элементар­ных излучателей, это подложки из фторопласта, ударного полисти­рола, органического стекла.

Соединяя элементарные излучатели определенным образом, получают плоскую антенну - так называемую антенную решетку. Если фазы всех элементарных излучателей равны, то сигналы от них будут суммироваться, и основной общий лепесток диаграммы направленности в этом случае будет перпендикулярен плоскости антенны и будет узким, так как в фазе складываются только сигна­лы, падающие перпендикулярно плоскости антенны. Такая антен­ная решетка называется фазированной (ФАР) - рис. 5.14.

Рассматриваемые плоские антенны на основе пассивных элемен­тарных излучателей обладают многими положительными свойства­ми. У плоских антенн отсутствуют первичный облучатель и волноводная система для передачи принятых электромагнитных волн, нет поляризатора, нет необходимости в волноводах прямоугольного

Рис. 5.14. Структура плоской антенны (ФАР)

сечения. Суммарная э.д.с, "собранная" со всех элементарных излу­чателей, подается непосредственно на вход малошумящего усили­теля-конвертера, который расположен с обратной стороны плоскости антенны, и не затеняет ее поверхности.

Кроме того, плоские антенны (ФАРы) весьма технологичны, так как для изготовления их используются прогрессивные способы: ме­тод печатного монтажа, напыление тонкопленочного металла на подложку из диэлектрика. Элементарные излучатели плоских ан­тенн, питающие цепи и другие соединения, изготавливаются в еди­ном технологическом процессе и имеют хорошую воспроизводи­мость (повторяемость). Это позволяет сделать плоскую антенну весьма дешевой и хорошего качества.

Однако у таких антенн наряду с достоинствами имеются и не­достатки, которые ограничивают их применение. У них:

• высокий уровень кроссполяризационных потерь, которые мо­гут быть по самым разным причинам: из-за появления паразитного резонанса при больших неоднородностях в полосковых линиях, из-за излучения поверхностных волн и т.п.;

• узкая частотная полоса, так как согласование возможно вы­полнить в полосе частот, не превышающей 7% от значения частоты несущей электромагнитной волны.

Такие антенны могут принимать электромагнитные волны толь­ко одного вида поляризации: горизонтальной, вертикальной или круговой (с правосторонним или левосторонним вращением векто­ра поляризации) и т.п. Это определяется формируемыми в про­цессе изготовления элементарными излучателями, формой, видом их возбуждения и местом подключения к ним возбуждающей линии. Для приема электромагнитных волн каждого вида поляризации требуется своя антенна.

Все же следует отметить, что ФАРы весьма удобны для пользо­вателей и по основным характеристикам, таким как диаграмма на­правленности основного лепестка, уровень боковых лепестков, шу­мовая температура, при небольших размерах (0,5 м ), сравнимы с офсетными антеннами диаметром 0,6 м.

Активные фазированные антенные решетки (АФАРы)

В настоящее время для индивидуального приема применяются и так называемые активные фазированные решетки (АФАРы). Принцип их работы основан на использовании фазовращателей, подключаемых к элементарным излучателям. Если в цепях питания элементарных излучателей включить фазовращатели, то, изменяя фазу в каждом излучателе, можно добиться усиления излучения в заданном направлении. Фазовращатели управляются микропро­цессорами по определенно заданной программе. В результате при изменении фазы некоторых элементарных излучателей изменяют­ся фазовые соотношения составляющих в основном лепестке диа­граммы направленности, и он поворачивается в заданном направ­лении. Так, система из 12 фазовращателей обеспечивает поворот основного луча диаграммы направленности в угловом секторе ±8°, а система из 24 фазовращателей - в секторе ±24°. Это дает воз­можность осуществлять электронное сканирование, что позволяет быстро, в доли секунды, и с высокой точностью изменять положе­ние основного лепестка диаграммы направленности и перенаправ­лять его с одного спутника на другой (в определенном угловом сек­торе) без механического поворота антенны. В этом главное пре­имущество АФАРов перед другими приемными антеннами СВЧ.

Надо полагать, что в недалеком будущем громоздкие массогабаритные параболоидные антенные системы с электромеханическим наведением на спутники уступят место АФАРам с электронным наве­дением. Однако, несмотря на свои неплохие характеристики, из-за высокой стоимости АФАРы пока не нашли широкого применения для индивидуального приема, но в будущем, вероятно, все изменится.