Антенна решетка (АР) е сложна антена, съдържаща съвкупност от антенни елементи (единични антени или групи антени), разположени в пространството в определен ред, ориентирани и възбудени по такъв начин, че да се получи дадена диаграма на насоченост при предаване или приемане на електромагнитни вълни.ГОСТ 23282-91. Решетки антенные. Термины и определения (на руски). Антенната решетка е дискретна антенна система.
Антенната решетка позволява постигането на желаните радиотехнически параметри на антената (посока, форма и ширина на лъча, коефициент на насочено действие, ниво на страничните листи и др.) чрез оформяне на специфично разпределение на амплитудите и фазите на токовете или полетата, възбуждащи излъчващите елементи (амплитудно-фазово разпределение, АФР). Антенните елементи обикновено са свързани към един предавател или приемник чрез захранващи линии, които подават мощност към елементите в определено амплитудно-фазово съотношение. Радиовълните, излъчвани от всяка отделна антена, се комбинират и наслагват, като се сумират (интерферират конструктивно), за да увеличат мощността, излъчвана в желаните посоки, и се елиминират (интерферират деструктивно), за да намалят мощността, излъчвана в други посоки. По подобен начин, когато се използват за приемане, отделните радиочестотни токове от отделните антени се комбинират в приемника с правилното фазово съотношение, за да усилят сигналите, получени от желаните посоки, и да елиминират сигналите от нежелани посоки. По-сложните антенни решетки могат да имат множество предавателни или приемни модули, всеки от които е свързан към отделен антенен елемент или група елементи. Това е различно от единичните антени (напр. рупорни или огледални антени), където същият проблем се решава чрез избор на тяхната форма, размер, материали и конструкции.
Антенната решетка може да постигне по-висок коефициент на усилване (насочено действие), т.е. по-тесен лъч радиовълни, отколкото би могъл да се постигне с един елемент. Като цяло, колкото по-голям е броят на използваните отделни антенни елементи, толкова по-високо е усилването и толкова по-тесен е лъчът. Някои антенни решетки (като военни фазирани радари) са съставени от хиляди отделни антени. Решетките могат да се използват за постигане на по-високо усилване, за осигуряване на разнообразие на пътя (наричано още МВМИ), което увеличава надеждността на комуникацията, за елиминиране на смущения от определени посоки, за електронно насочване на радиолъча към различни посоки и за радиопеленгация.
Антенната решетка най-често е с активно захранване, като всичките нейни елементи са свързани към предавателя или приемника. Антенната решетка с пасивно захранване се състои от един активен елемент (или група елементи), свързан към захранващата линия, и пасивни елементи, които не са свързани, а се възбуждат ефирно от неговото поле при предаване (или възбуждат в него поле при приемане). Обикновено това е директорна антена.
В обикновената антенна решетка АФР е фиксирано и няма начин за неговото управление по време на работа. Например, за да се промени бързо посоката на диаграмата на насоченост в пространството, излъчващата част (апертурата) на антенната решетка трябва да се завърта механично. По-сложна антена е фазираната антенна решетка (ФАР), която позволява произволни изменения на АФР или внедряването на няколко фиксирани варианта на АФР последователно или едновременно. Фазирана решетка обикновено означава електронно сканираща решетка – управлявана антенна решетка, в която всеки отделен елемент е свързан към предавателя или приемника чрез дефазатори (фазови регулатори), управлявани от компютър. Лъчът от радиовълни може да бъде управляван електронно, за да се насочи мигновено във всяка посока под широк ъгъл, без да се движат антените.
Терминът „фазирана решетка“ обаче понякога се използва за означаване на обикновена антенна решетка. Отличителна черта на антенната решетка е разпространение на сигнала от предавателя до всички излъчващи елементи при предаване или събиране на сигналите от антенните елементи на входа на приемника IEEE Std 145-2013. IEEE Standard for Definitions of Terms for Antennas. IEEE Antennas and Propagation Society, 2013. (например, с помощта на разпределител или чрез ефирно захранване), затова многолъчевата антенна решетка и моноимпулсната антенна решетка със сумарно-разликови входове с механично сканиране на лъча се класифицират като фазирани антенни решетки, защото при тях се изменя фазата на сигналите, макар и не чрез електронно управление.
Според разположението на елементите антенните решетки биват линейни, плоски или пространствени, а според разстоянието между елементите – еквидистантни и нееквидистантни.
Принцип на действие Според критерия на Релей, широчината на диаграмата на насочеността на антената (ъгловата ширина на лъча от вълни, които тя излъчва) е пропорционална на дължината на вълната, разделена на дължината на апертурата (напречния размер, ширината на антената). Малките антени с размер до около една дължина на вълната нямат голяма насоченост (усилване), като например четвъртвълнови и полувълнови вибратори (мòнополи и диполи). Те са слабо насочени антени, които излъчват вълни в широк сектор. За да се създаде насочена антена (антена с висок коефициент на усилване), която излъчва радиовълни в тесен лъч, могат да се използват две общи техники:
Отражение от големи метални повърхности, като рефлектор или рупор, или пречупване от леща, за да се промени посоката на радиовълните от една антена с ниска насоченост и да се фокусират в лъч. Този клас се нарича апертурни антени и включва вълноводно-рупорни, огледални и лещови антени. Използване на множество антени, които се захранват от един и същ предавател или приемник; това се нарича антенна система или антенна решетка. За предаваща антена електромагнитната вълна, получена във всяка точка, е векторната сума на електромагнитните вълни от всеки от елементите на антената. За приемаща антена електромагнитната вълна, получена от всяка точка, е векторната сума на електромагнитните вълни във всеки от елементите на антената. Ако токовете се подават към антените на антенната решетка с еднаква фаза, поради явлението интерференция вълните от отделните антени се сумират геометрично в пространството (с отчитане на амплитудите и фазите) и създават плоска вълна, която се разпространява в посока, перпендикулярна на плоския фазов фронт. В посоки, в които вълните от отделните антени пристигат във фаза, вълните се сумират (конструктивна интерференция) и се увеличава излъчената мощност. Във фаза означава с еднаква фаза, когато изминават равни пътища, или с фазова разлика ψ четно число пъти π, когато изминават пътища , различаващи се с цяло число дължини на вълната: ψ=2mπ, Δ=mλ (m=0, 1, 2, ...). В посоки, в които отделните вълни пристигат в противофаза (с фазова разлика 180°, т.е. ψ=mπ, Δ=mλ/2, m=0, 1, 2, ...), като пикът (максимумът) на една вълна съвпада с долината (минимума) на друга, вълните се изваждат (деструктивна интерференция), намалявайки излъчената мощност в тази посока. По подобен начин, при приемане осцилиращите токове, приемани от отделните антени от радиовълни, получени от желаните посоки, са във фаза и когато се сумират в приемника, се усилват взаимно, докато токовете от радиовълни, приемани от други посоки, са в противофаза и когато се извадят в приемника, се неутрализират взаимно.
Диаграмата на насоченост на такава антена се състои от силен лъч в една посока, главния лист, плюс серия от по-слаби лъчи под различни ъгли, наречени странични листи, обикновено представляващи остатъчно излъчване в нежелани посоки. Колкото по-големи са ширината на антената и броят на компонентните антенни елементи, толкова по-тесен е главният лист, по-високо е усилването и по-малки са страничните листи.
Решетките, в които антенните елементи се захранват във фаза, са синфазни антени; главният лист се излъчва перпендикулярно на равнината на елементите.
Най-големите антенни решетки са радиоинтерферометри, използвани в областта на радиоастрономията. При тях множество радиотелескопи, състоящи се от големи огледални антени, са свързани заедно в антенна решетка, за да се постигне по-висока разделителна способност. Използвайки метод, наречен апертурен синтез, такава решетка може да има разделителна способност на антена с диаметър, равен на разстоянието между антените. При техниката, наречена интерферометрия с много дълга базова линия /ИМДБ/ (), са свързани антени на отделни континенти, създавайки синтезирани антенни решетки с размер хиляди километри.
Видове Антенните решетки могат да бъдат класифицирани според типа, разположението и ориентирането на елементите, разстоянието между тях, принципа на действие и захранването (посоката на максимално излъчване).
Според типа на елементите вибраторни (диполни, мòнополни) вълноводни (отворени краища на вълноводи) рупорни процепни вълноводно-процепни (резонансни и нерезонансни) коаксиално-процепни (резонансни и нерезонансни) спирални с повърхностни вълни диелектрични с периодична структура комбинирани.
Според разположението на елементите линейни (едномерни) – антенните елементи са разположени в права линия (ос на решетката); плоски (двумерни) – елементите са подредени в една равнина; пространствени (тримерни) – елементите са разположени в пространството. Използва се разполагане на елементите по криви линии с определена форма (дъга, окръжност, парабола, елипса и др.), във върховете на геометрични фигури (триъгълник, правоъгълник, квадрат, шестоъгълник) или по геометрични повърхности (сферична, цилиндрична, конична, параболична и др.)
Според ориентирането на елементите В зависимост от пространственото ориентиране на антенните компоненти са възможни два вида решетки: с еднакво ориентирани елементи. Ако това са вибратори или процепи, решетката се нарича колинеарна, например всички са ориентирани успоредно или перпендикулярно на нейната ос. Възможно е обаче размерите им да се различават. Ако излъчвателите са абсолютно еднакви, понякога антенната решетка се нарича идентична; с различно ориентирани елементи, например различен наклон на вибраторите или процепите.
Според захранването и посоката на излъчване Посоката на максимално излъчване/приемане θm зависи от фазовата разлика в захранването на антенните елементи ψ, разстоянието между тях d и дължината на вълната λ:
където e вълновото число, а ъгълът се отчита от оста на антената решетка. Ако той се отчита от нормалата, се заменя косинуса със синус:
Антенните решетки могат да бъдат разделени на три вида въз основа на това как се отнася посоката на излъчване към оста на решетката. синфазни антенни решетки – антенните елементи се захранват синфазно (във фаза, ψ=0) и посоката на максимално излъчване на вълните (главният лист на диаграмата на насоченост /ДН/) е перпендикулярна на равнината на антените: ° ; антенни решетки с бягаща вълна – съседните антенни елементи се захранват с фазова разлика ψ=kd и посоката на максимално излъчване е по оста на антената °,
затова се наричат антени с осево излъчване. Типичен представител на тези решетки са директорните антени.
сканиращи антенни решетки. При тях посоката на максимално излъчване и приемане се изменя от захранването. Изменението на посоката на главния лист на диаграмата на насоченост се нарича сканиране. Ако това става по електронен път чрез захранването, антенната решетка е с електронно сканиране. От формулата се вижда, че може да има три вида електроно сканиращи АР: – с изменение на фазовата разлика ψ (ако фазовата разлика в захранването на елементите е междинна на предните два вида 0 < ψ < 180°, тогава и посоката на максимума на диаграмата на насоченост е под някакъв друг ъгъл спрямо оста на антената 0 < θm < 90°) – фазирани антенни решетки; – с изменение на дължината на вълната λ/честотата f – АР с честотно сканиране (например антената на съветската трикоординатна РЛС СТ-68 „Луна“);