58Научно-технические разработки

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Фазированные антенные решетки


М. Парнес Теле-Спутник - 8(22) Август 1997 г.


Кратко излагается история и прогноз развития фазированных антенных решеток. Главный вопрос, рассматриваемый в статье, - определение технической и экономической целесообразности использования антенн с электронным сканированием в системах непосредственного телевещания (СНТВ).

Если кто и заслуживает звания отца телевидения, то это Владимир Кузьмич Зворыкин, ученик профессора Санкт-Петербургского технологического института Бориса Розинга - ученого, предложившего в 1907 г. идею телевидения с электромеханической разверткой. Эмигрировав в США и работая там в фирме Wеstinghоusе, Зворыкин в 1923 г. изобрел кинескоп, став тем самым создателем главного элемента телевидения с электронным движением луча [1] .

Идею антенны с электронным движением луча обосновал тоже русский эмигрант, американский ученый Сергей Александрович Щелкунов. Уже в 1935 г. удалось изготовить ФАР с шириной главного луча 2,50 , а затем и с шириной 10. Антенны такой конструкции в то время применялись для радиоприема в коротковолновом диапазоне [2]. Последующие четыре десятилетия ФАРы применялись преимущественно в системах военного назначения: ракетно-космических, авиационных и т.п. Однако с запусками телевизионных спутников ситуация изменилась.

Антенная решетка представляет собой ряд излучателей, соединенных между собой фидерной линией (рис. 1а). Если фазы всех излучателей равны, то суммарный луч направлен перпендикулярно к плоскости антенны. Такое устройство называют синфазной антенной решеткой (АР). Если ввести в фидерные линии фазовращатели и менять фазу сигнала в каждом излучателе, то при этом в определенном направлении сигналы придут в фазе и усилят друг друга. Таким образом в это направление, где все излучатели в фазе, повернется суммарный луч (рис. 1б). Такая антенная решетка называется фазированной (ФАР). Диаграмма направленности (ДН) ФАР определяется из соотношения (см. формулу).

Отклонение луча в ФАР на угол j можно обеспечить путем изменения фазы сигнала от излучателя к излучателю так, чтобы разность фаз в соседних излучателях составляла 2p(s/l) sinj (см. рис. 1).

Параболические антенны с элек-тромеханическим сканированием традиционно используются для приема программ со спутника, однако они имеют ряд недостатков, в частности, связанных с устойчивостью к воздействию окружающей среды. Плоские же антенны обладают большей устойчивостью к воздействию ветра, дождя и снега, и их легче размещать на поверхности зданий (см. табл. 1). Поэтому уже в 1986 г. было предложено применять для СНТВ синфазные плоские антенные решетки (АР), не содержащие фазовращателей (рис. 1а). Фирма Маtsushita Electric Works занимается разработкой и сбытом таких антенн для СНТВ с 1987 года. В апреле 1987 г. АР этой фирмы для приема передач со спутника BSB были закуплены в Англии, а для приема со спутника TV-SAT - в ФРГ.

Фирма Маtsushita выбрала для своих АР печатную многослойную конструкцию, где имеются слои из пеноматериала, а также печатные платы из тонкой фольгированной пленки с антенными излучателями. В настоящее время эта конструкция находит применение в коммерчески доступных АР. Фирма выпускает антенны, имеющие к.п.д. 60 - 70% в трех модификациях - с левой, правой и линейной поляризациями, размером от 35х35 см до 60х60 см. Коэффициент усиления (КУ) этих АР составляет в зависимости от рабочей частоты и габаритов от 31 до 36 дБ [3]. Данные для двух антенн такого класса приведены в табл. 2.

Конечно, в самой технологии АР заложена возможность установки управляемых фазовращателей (ФВ) одновременно с излучающими элементами. Современный ФВ изготавливается из полупроводниковых диодов или варакторов. В последние годы готовятся к выпуску ФВ в виде интегральных микросхем. Таким образом стала возможна распайка ФВ на той же печатной плате, где вытравлены излучатели, - правда, это увеличивает стоимость антенны. Поэтому для массового пользователя, в отличие от военного, чрезвычайно важно определить - в чем же заключаются новые функциональные возможности ФАР и какова цена такого усложнения. Для этого определим требуемое количество ФВ с помощью формулы для ДН.

Далее приведем результаты проектирования ФАР размером 65х65 см, проведенного специалистами фирмы "Резонанс" (Петербург). Результаты расчетов представлены в табл. 3.

Анализ этих расчетов показывает, что коммерческий интерес представляет, например, ФАР, содержащая 12 ФВ и позволяющая принимать в Западной Европе спутники, расположенные в секторе ±80,- в частности, это сектор от ASTRA 1A-1B (19,20 в.д.) до TELECOM 1C (30 в.д.). Другой интересный вариант - ФАР на 24 ФВ, перекрывающая сектор ±160, например, от EUTELSAT2-F1 (130 в.д.) до TVSAT2 (190 з.д.). Такая ФАР будет принимать на территории Западной Европы девять спутников, как это показано на рис. 2.

На печатной плате размером 65х3 см устанавливаются диодные ФВ, предназначенные для управления лучом (рис. 3). Такой ФВ управляется трехразрядным цифровым кодом и поэтому наиболее удобен для совмещения с цифровым позиционером, имеющимся в тюнере. Важным следствием цифровой совместимости ФВ и тюнера является режим автопоиска спутников, расположенных в секторе сканирования, с запоминанием в соответствующих ячейках памяти значений углов. Последующее обращение пользователя к этой ячейке приведет к быстрой (доли секунды) установке ФАР на этот спутник. Этот режим представляет существенное удобство для пользователя и похож на известный режим автопоиска в частотном диапазоне телевизора, только проводится в угловом диапазоне перестройки фазовращателей ФАР. Наличие режимов автопоиска и по частоте, и по пространству, безусловно, необходимо - по крайней мере, в престижных, дорогостоящих моделях СНТВ.

С помощью данных, приведенных в табл. 3, зная необходимый сектор сканирования, можно определить количество ФВ - и далее, исходя из стоимости диодов и изготовления микрополосковых ФВ (например, восьмидиодных), цену всего электронного блока сканирования. Эту величину следует прибавить к стоимости собственно печатной антенны, цену которой определяют исходя из ее площади (в качестве ориентира можно пользоваться данными из табл. 2 ).

Важным отличием ФАР от используемых сегодня парабол с электромеханическим управлением являются микросекундные длительности при переключении луча. Такая высокая скорость перемещения луча в пространстве позволяет использовать ФАР в системах СНТВ, устанавливаемых на подвижных объектах: самолетах, крупных автомобилях, автобусах, кораблях и т.д. В подтверждение этого можно отметить ФАР, серийно выпускаемую в США для установки на самолет фирмы "The Boeing Co.". Эта решетка представляет собой модульную конструкцию стоимостью 9100$ и предназначена для приема телевизионного сигнала непосредственно в полете пассажирского самолета [4] .

Интерес к антенным решеткам в последние годы значительно возрос в связи с заметными успехами в области технологии изготовления печатных плат, а также благодаря созданию новых высококачественных диэлектрических материалов. Немаловажным обстоятельством является простота их изготовления, поскольку печатная технология обеспечивает создание одновременно большого количества антенных элементов и всех линий фидерной сети в едином технологическом цикле. По своим технологическим характеристикам антенные решетки уже могут конкурировать с параболическими антеннами такого же размера. И хотя стоимость их еще недостаточно низка, массовый выпуск подобных антенн сулит большие выгоды, поскольку применяемая для этого технология изготовления печатных плат обеспечивает не только высокую воспроизводимость параметров, но и существенное снижение стоимости при массовом выпуске.

Выводы:

  1. Анализ развития СНТВ показывает, что с каждым годом количество спутников будет расти, и это приведет к необходимости принимать с помощью одной антенны сигналы с разных направлений. Для решения этой задачи наибольшую перспективу представляют фазированные антенные решетки с печатной платой в качестве излучающего полотна и диодными фазовращателями. Такие ФВ полностью совместимы с позиционером тюнера и будут иметь невысокую стоимость при массовом выпуске.
  2. Использование ФАР позволит получить новые, удобные для пользователя режимы работы, такие как автопоиск спутников с последующим запоминанием координат и микросекундное переключение на нужный спутник, для сравнения отметим, что переход со спутника на спутник в электромеханической системе с параболическим зеркалом занимает десятки секунд или даже несколько минут.
  3. Фазированные антенные решетки имеют высокую скорость переключения луча, что позволяет использовать их в СНТВ, устанавливаемых на подвижных объектах: автобусах, автомобилях, кораблях.

Список литературы:

  1. Electronics. Special Commemorative Issue. 1980, Vol. 53, №9 (587), p. 28.
  2. Щелкунов С.А., Фриис Г. Антенны, "Сов. радио", М., 1955, с. 471.
  3. TEI, 1990, V111, №8, p. 63, 64.
  4. Fitzsimmons G.W. " Phase-Array Antenna "Microwave Journal, January 1994, Vol. 37, №1, p. 114-128.


 
Теле-Спутник Август 1997
наверх
 

Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Рейтинг@Mail.ru   Rambler's Top100 Rambler's Top100