מערכי אנטנות
Transcription
מערכי אנטנות
.4מערכי אנטנות הקדמה מערך 2אלמנטים מערך מרובה אלמנטים מישקול המערך טבלאות עזר לתכנון מערכים דוגמאות של מערכים מיוחדים 1 הקדמה מערכי אנטנות ARRAYSבנויים ממספר אנטנות הממוקמות אחת בסמוך לשנייה .מערכי אנטנות מאפשרים להגדיל את הכיווניות תוך שליטה על אלומות הקרינה ורמת אונות הצד .בד"כ האנטנות הבודדות הן מאותו סוג והמרחק ביניהן הוא קבוע. מושגים יסודיים: אלמנט קורן – כל אחת מן האנטנות הבודדות מערך קווי – האנטנות מסודרות בשורה מערך מישורי – האנטנות מסודרות במטריצה מערך קונפורמי – מערך מותאם על פני מעטפת כלשהי 2 הקדמה סוגי אלמנטים קורנים: יאגי )מוטות( גלבו פתוח מיקרוסטריפ חריצים • • • • 3 הקדמה דוגמאות 4 הקדמה הגדרות הקשורות לכיוון הקרינה: Broadsideמערך שהאלומה הראשית שלו ניצבת למישור שבו נמצאים האלמנטים End-fireמערך שהאלומה הראשית שלו מקבילה למישור שבו נמצאים האלמנטים Phased Arrayמערך שבו ניתן לשלוט על כיוון האלומה באמצעות שינויי פאזת העירור של האלמנטים 5 Broadside (to z axis) Broadside and End-Fire (to xy plane) 6 הקדמה חישוב הקרינה ממערך אנטנות: עקום הקרינה מתקבל על ידי סיכום השדות של האלמנטים הבודדים )בדומה להתאבכות אופטית מסריג( .הבעייה היא שהאלמנט הקורן מתנהג אחר בנוכחות אלמנטים שכנים ולכן קיים צימוד הדדי ביניהם. חישוב מדויק של שדות הקרינה יכול להיעשות באופן מלא self consistentבעזרת כוח חישוב חזק במיוחד. לרוב הצרכים מסתפקים בקירובים שונים. 7 הקדמה קירובים מעשיים: .1הזנחה של הצימוד ההדדי .שדה הקרינה הוא מכפלה של עקום האלמנט הבודד בגורם המערך: Pattern = Element Factor x Array Factor השיטה הפשוטה ביותר אבל לא הכי מדויקת. .2מחשבים צימוד הדדי בין שכנים קרובים ומכניסים תיקון לעקום הקרינה של האלמנט עם שכנים Pattern = Element x Coupling Factor x Array Factor צריך להניח שהמערך אינסופי ולכל האלמנטים יש אותו גורם צימוד .פשרה סבירה בין דיוק וסיבוך. 8 הקדמה קירובים מעשיים: .3מטפלים באלמנטים מרכזיים עם שכנים קרובים )או אף עם שכנים מסדר שני( לחוד ובאלמנטי קצה לחוד .שיטה שעלולה להיות מסובכת אבל מתאימה למערכים קטנים. .4שיטה המשלבת חישוב ומדידה .מבצעים מדידה של עקומי הקרינה של אלמנטים שונים בתוך המערך ומתבססים על מדידות אלה לצורך סיכום הקרינה מן המערך כולו .שיטה מקובלת ויעילה. 9 מערך 2אלמנטים במסגרת זו נעסוק רק בקירוב הפשוט ביותר של התאבכות בין אלמנטים אידאליים )בהנחה שהצימוד ביניהם חלש וזניח( .נתחיל במקרה הפשוט ביותר של צירוף שני דיפולים זהים שהמרחק ביניהם הוא .d השדה המאוחד שלהם בנקודה כלשהי במרחב הוא: Et = E1 + E2 Et α A1 exp(-jkr1-jβ β1/2) x (k/r1) x cos(θ θ1) + β2/2) x (k/r2) x cos(θ )θ2 A2 exp(-jkr2-jβ כאשר: A1, A2 β1, β2 r1,r2 θ2 cosθ θ1,cosθ k = 2π π/λ λ 10 אמפליטודות של שני האלמנטים פאזות של שני האלמנטים מרחקים מנקודת הסיכום זויות אל נקודת הסיכום מספר הגל מערך 2אלמנטים סיכום שדות של שני אלמנטים חזית גל בשדה רחוק 11 אלמנטים2 מערך :קירובים נדרשים θ1≈ θ2 = θ r1 ≈ r2 = r r1 = r – d cosθ / 2 r2 = r + d cosθ / 2 A1 = A2 :לאחר קירובים אלה נקבל את השדה השקול Et α (k/r) cosθ {exp[+(jkdcosθ+jβ)/2] + exp[- (jkdcosθ - jβ)/2]} Et α (k/r) cosθ θ x 2 cos [(kd cosθ θ + β) / 2] Et = Element Pattern x 2 cos [(kd cosθ θ + β) /2] 12 מערך 2אלמנטים במקרה הכללי ,תמיד נוכל לרשום את גורם המערך של שני אלמנטים בצורה הבאה: AF (θ θ) = A1 exp[(+jkdcosθ θ + jβ β)/2] + A2 exp[(-jkdcosθ θ -jβ ]β)/2 ואם A1 = A2 AF (θ θ) = 2 cos [(kdcosθ ]θ + β)/2 כאשר βהוא הפרש הפאזה בעירור של שני האלמנטים. שדה הקרינה הכולל יהיה מכפלת האלמנט במערך: Far Field pattern = EF x AF 13 מערך 2 אלמנטים עקום קרינה של שני אלמנטים איזוטרופיים שווי פאזה 14 מערך 2 אלמנטים עקום קרינה של שני אלמנטים איזוטרופיים הפוכי פאזה 15 מערך מרובה אלמנטים מערך קווי אחיד: מערך לינארי בן Nאלמנטים ,אמפליטודת ערור שווה, הפרשי פאזה קבועים βומרחקים שווים .d גורם המערך: AF = 1 + exp [j(kdcosθ … θ + β)] + exp [2j(kdcos + β)] + exp [(N-1)j(kdcosθ ])θ + β ])Σ exp[(n-1)j(kdcosθθ + β = AF הסכום מ 1-עד N 16 מערך מרובה אלמנטים כתיבה נוחה יותר: AF = [(exp(jNΨ Ψ)-1]/[exp(jΨ ]Ψ)-1 = exp[jΨ Ψ(N-1)/2] x sin(NΨ Ψ/2) / sin(Ψ )Ψ/2 אם נבחר את ראשית הצירים במרכז המערך: AF = sin (NΨ Ψ/2) / sin (Ψ )Ψ/2 Ψ = kdcosθ θ+β 17 מערך מרובה אלמנטים ערך המכסימום של גורם המערך הקווי הוא N AF = sin (NΨ Ψ/2) / sin (Ψ )Ψ/2 אם רוצים לנרמל את עקום הקרינה כך שהמכסימום יהיה 1רושמים את גורם המערך לפי: AF (normalyzed) = sin (NΨ Ψ/2) / Nsin (Ψ )Ψ/2 18 מערך מרובה אלמנטים לעקום הקרינה )עבור Nאלמנטים זהים המרוחקים מרחק dזה מזה כאשר אורך הגל הוא (λיש תכונות קלאסיות של התאבכות בונה והורסת לסירוגין. נקודות מינימה )"אפסים"(: …where n=1,2,3… but n≠N, 2N, 3N θ nullls = arccos (± )±n λ/Nd נקודות מכסימה )"אונות צד"(: …where m = 0,1,2,3 19 θ sidelobes = arccos (± ±mλ )λ/d מערך מרובה אלמנטים רוחב אלומה ראשית בין שני אפסים ראשונים FNBW π/2 - arccos(λ ])λ/Nd Θ FNBW = 2 [π רוחב אלומה ראשית בנקודות מחצית ההספק HPBW Θ HPBW = 2 [π π/2 - arccos(1.4λ λ/π ])πNd 20 מערך 4 אלמנטים עקום קרינה של מערך 4אלמנטים איזוטרופיים במרווחים של λ/2 המכוון ל60º - 21 מערך 10אלמנטים מסוג End-Fire מרחק בין שכנים dz = λ/4 מקרה )(a β=108º D = 12.8 dBi מקרה )(b β=90º D = 10.4 dBi 22 מערך מרובה אלמנטים מערך מישורי: אותם שיקולים ואותן נוסחאות ניתנים להכללה עבור מערך מישורי שבו n x mאלמנטים קורנים .המרחקים בין שכנים יכולים להיות שונים בשני הצירים. :d≈λ ≈λ/4 קירוב שימושי עבור מערכים צפופים ≈λ D = 2L/λ λ כיווניות של מערך קווי באורך :L D = 4A/λ כיווניות של מערך מישורי בשטח λ² :A :d=0.6-0.8λ קירוב שימושי עבור מערכים מרווחים λ D = 3L/λ λ כיווניות של מערך קווי באורך :L D = 10A/λ כיווניות של מערך מישורי בשטח λ² :A כיווניות של Nאלמנטים = כיווניות אלמנט N x 23 מערך קווי מערך מישורי 24 מערך מרובה אלמנטים רוחב האלומה במערכים גדולים עם הארה אחידה )θ= 50 λ /d (degrees 25 מערך 5 x 5 אלמנטים מרחק בין שכנים d = λ/2 כל האלמנטים באותה פאזה ובאותה אמפליטודה 26 מישקול המערך נושא חשוב ביותר במערכים הוא שליטה על אונות הצד .כדי להקטין את אונות הצד מעוררים את האלמנטים באמפליטודות )או בהספקים( לא שוות. בעיקרון ,הארה שבה נותנים למרכז האנטנה משקל חזק יותר ,מקטינה את אונות הצד ומרחיבה את האלומה הראשית )"מישקול"(. קיימות פונקציות מישקול רבות הנבדלות ברמת אונות הצד שרוצים להשיג ,בפילוג אונות הצד )האם אחידות או דועכות( וכו' .במכ"מים צבאיים מעוניינים להשיג אונות צד ממוצעות נמוכות מ– -40 dBולכן מישקול המערך הוא אחד מנושאי התכן העיקריים. 27 הארה לא אחידה מישקול הקצה EDGE TAPER רוחב האלומה במעלות הרחבת האלומה ביחס להארה אחידה ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 0 dB 5 dB 7.5 dB 10 dB 12.5 dB 15 dB 17.5 dB 20 dB 28 50λ λ/d 55λ λ/d 59λ λ/d 62λ λ/d 65λ λ/d 69λ λ/d 72λ λ/d 76λ λ/d 1.00 1.10 1.18 1.23 1.30 1.37 1.43 1.51 אונות הצד עבור מפתח מלבני מואר אחיד: -13 dB אונת צד ראשונה -20 dB אונות צד רחוקות עבור מלבני עם מישקול: אונת צד ראשונה אונות צד רחוקות -17 to -25 dB -25 to -40 dB עבור מפתח עגול מואר אחיד: -17 dB אונת צד ראשונה -23 dB אונות צד רחוקות 29 מישקול המערך ואונות הצד נצילות המפתח הרחבת האונה אונת צד ראשונה מישקול --------------------------------------------------------------------------------------------------------------78% 1.07 20 dB Tschebyscheff 73% 1.12 25 dB Tschebyscheff 65% 1.20 30 dB Tschebyscheff 96% 90% 83% 1.12 1.18 1.30 20 dB 25 dB 30 dB Hamming Hamming Hamming 94% 86% 79% 1.15 1.26 1.35 20 dB 25 dB 30 dB Modified sinx/x Modified sinx/x Modified sinx/x 97% 92% 87% 1.06 1.16 1.25 20 dB 25 dB 30 dB Taylor Taylor Taylor 30 מישקול המערך ואונות הצד עקום קרינה מערך 16אלמנטים הארה אחידה 0.67λ מרחק בין אלמנטים λ רוחב אלומה 4.6°° אונת הצד הראשונה -13 dB 31 מישקול המערך ואונות הצד עקום קרינה מערך 16אלמנטים Tschebyscheff 20dB 0.67λ מרחק בין אלמנטים λ רוחב אלומה 4.9°° אונת הצד הראשונה -20 dB 32 מישקול המערך ואונות הצד עקום קרינה מערך 16אלמנטים Taylor 25 dB 0.67λ מרחק בין אלמנטים λ רוחב אלומה 5.5°° אונת הצד הראשונה -25 dB 33 מישקול המערך ואונות הצד עקום קרינה מערך 16אלמנטים Cosine edge taper 20dB 0.67λ מרחק בין אלמנטים λ רוחב אלומה 6.0°° אונת הצד הראשונה -24 dB 34 טבלת עזר לתכנון – 1,2,4דיפולים 35 טבלת עזר לתכנון רוחבי אלומה במערך קווי Broadside β=0 End-Fire β=kd End-Fire β=kd+π π/N 36 רוחב אלומה בין אפסים טבלת עזר לתכנון אונות צד והרחבת אלומה במערך Tschebyscheff הרחבת אלומה מול אונות צד כיווניות מול אורך המערך 37 טבלת עזר לתכנון מישקולים במערך קווי cosine² 38 cosine Triangle Uniform טבלת עזר לתכנון מישקולים במערך עם מפתח עגול radial² 39 radial Uniform בחירת המרווח בין שכנים 40 בחירת המרווח בין שכנים 41 בחירת המרווח בין שכנים 42 בחירת המרווח בין שכנים 43 דוגמאות תכן של מערכים מיוחדים 44 מערך רחב סרט במיוחד:דוגמת תכן Frequency range: Directivity: Elevation beamwidth: Azimuth beamwidth: Dimensions: 700 – 2100 MHz. 11.2 dBi – 13.4 dBi 12 – 24 degrees 72 – 88 degrees 39.5” x 6.2” x 6.6” 45 דוגמת תכן :תחנת בסיס סלולרית 46 דוגמת תכן :תחנת בסיס סלולרית 47 דוגמת תכן :תחנת בסיס סלולרית 48 דוגמת תכן :תחנת בסיס סלולרית 49 דוגמת תכן :תחנת בסיס סלולרית 50 דוגמת תכן :תחנת בסיס סלולרית 51 דוגמת תכן :תחנת שידור כלל כיוונית 52 דוגמת תכן :תחנת שידור כלל כיוונית 53 דוגמת תכן :תחנת שידור גזרתית 54 דוגמת תכן :תחנת שידור גזרתית 55 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה דרישות מחמירות לאנטנה שטוחה עם סקירת אלומה במרחב זוויתי גדול ערוץ עולה 1.65 GHz טלפון: ערוץ יורד 1.55 GHz ערוץ עולה 14.0-14.5 GHz וידאו: ערוץ יורד 11.7 – 12.7 GHz נדרשים שני קיטובים בו זמנית ו/או סיבוב אלקטרוני של מישור הקיטוב • • • • 56 בעיה קשה מאד להשיג את השבח הדרוש כאשר האלומה מוסטת דרושה אנטנה יעילה מאד עם הפסדים נמוכים טכניקת הסקירה :מכנית ,אלקטרונית ,משולבת שליטה ובקרה על הקיטוב דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה 57 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה 58 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה דרישות מחמירות לאנטנה שטוחה עם סקירת אלומה במרחב זוויתי גדול ערוץ עולה 1.65 GHz טלפון: ערוץ יורד 1.55 GHz ערוץ עולה 14.0-14.5 GHz וידאו: ערוץ יורד 11.7 – 12.7 GHz נדרשים שני קיטובים בו זמנית ו/או סיבוב אלקטרוני של מישור הקיטוב • • • • 59 בעיה קשה מאד להשיג את השבח הדרוש כאשר האלומה מוסטת דרושה אנטנה יעילה מאד עם הפסדים נמוכים טכניקת הסקירה :מכנית ,אלקטרונית ,משולבת שליטה ובקרה על הקיטוב דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה הערכה הנדסית של ירידת השבח של מערך מישורי בתלות בזוית מן הזניט: θ G(θ )θ example ---------------------------------------------------------------------------------0° - 30° cos θ cos (30) = - 0.6 dB 1.5 cos (45) = - 2.3 dB 2 cos (60) = - 6.0 dB 2.5 cos (75) = - 15 dB 60 1.5 cos (θ )θ 30° - 45° 2 cos (θ )θ 45° - 60° 2.5 cos (θ )θ 60° - 75° דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה 61 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה מערכי חריצים = יעילות גבוהה 62 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה הסטת אלומה 63 מערך רדיאלי = הפסדים נמוכים מאד 64 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה מערך רדיאלי = הפסדים נמוכים מאד 65 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה סריקה אלקטרונית של האלומה 66 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה סריקה אלקטרונית של האלומה 67 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה סריקה אלקטרונית של האלומה 68 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה סריקה אלקטרונית של האלומה 69 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה סריקה אלקטרונית של האלומה 70 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה מערכים מבוזרים עם הנעה מכנית 71 דוגמת תכן :תקשורת לווינים בתנועה שליטה מכנית או אלקטרונית על הקיטוב 72