Antennenarrays – Teil 1
Strahleigenschaften von linearen Antennenarrays und Arrayfaktor
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Element- und Arrayfaktoren kombinieren
Im vorherigen Abschnitt ging es lediglich um den Arrayfaktor. Um den gesamten Antennengewinn zu ermitteln, ist auch der Elementfaktor erforderlich. Bild 14 zeigt ein Beispiel. Hier dient eine einfache Cosinusform als Elementfaktor oder normierte Elementverstärkung GE(θ). Der Cosinus-Roll-off ist bei der Analyse von phasengesteuerten Antennenarrays üblich und kann bei einer ebenen Oberfläche visualisiert werden. An der Breitseite gibt es eine maximale Fläche. Wenn sich der Winkel von der Breitseite wegbewegt, verringert sich die sichtbare Fläche nach einer Cosinusfunktion.
Der Arrayfaktor GA(θ) wurde für ein lineares Antennenarray mit 16 Elementen, mit einem Abstand von λ/2 und einer gleichmäßigen Abstrahlcharakteristik verwendet. Die Gesamtcharakteristik ist eine lineare Multiplikation des Element- und des Arrayfaktors, so dass beide auf einer dB-Skala addiert werden können.
Wenn sich der Strahl von der Hauptrichtung wegbewegt, ergibt sich folgendes:
- Die Amplitude des Hauptstrahls verringert sich mit der Höhe des Elementfaktors.
- Bei den Nebenkeulen der Ausbreitungsrichtung entsteht kein Amplitudenverlust.
- Daraus ergibt sich eine Beeinträchtigung der Nebenkeulenleistung des gesamten Antennenarrays außerhalb der Hauptrichtung.
Antennendiagramme: Kartesische und Polarkoordinaten
Die bisher verwendeten Antennendiagramme sind im kartesischen Koordinatensystem angelegt. Üblich sind jedoch Antennendiagramme im Polarkoordinatensystem, da sie die von der Antenne räumlich nach außen abgestrahlte Energie besser zeigen.
Bild 15 ist eine neu gezeichnete Version von Bild 12, jedoch mit Polarkoordinaten. Zu beachten ist, dass es sich hierbei Punkt für Punkt um die gleichen Daten handelt, die nur mit einem Polarkoordinatensystem neu gezeichnet sind. Es ist nützlich, das Antennendiagramm in beiden Varianten zu zeichnen, da beide in der Literatur verwendet werden. Für den größten Teil dieses Beitrags werden kartesische Koordinaten verwendet, da es in dieser Darstellung einfacher sein kann, die Strahlbreite und die Leistung der Nebenkeule zu vergleichen.
Reziprozität des Antennenarrays
Bis zu diesem Punkt haben alle Diagramme und Texte ein Signal beschrieben, welches das Antennenarray empfängt. Aber wie würde sich das für ein Sende-Antennenarray verändern? Grundsätzlich sind die meisten Antennenarrays reziprok. Daher sind alle Diagramme und Gleichungen sowie die Terminologie für das Senden und Empfangen gleich. Manchmal ist es einfacher, sich vorzustellen, dass der Strahl vom Antennenarray empfangen wird. Und in manchen Fällen, beispielsweise bei Gitterkeulen, kann es vielleicht intuitiver sein, sich das Antennenarray so vorzustellen, dass es einen Strahl aussendet. In diesem Aufsatz wird das Antennenarray im Allgemeinen als Empfänger eines Signals beschrieben.
In den kommenden Teilen dieser Serie werden die Charakteristiken und Beeinträchtigungen von phasengesteuerten Antennenarrays weiter untersucht, speziell, wie die »Verjüngung« der Antenne (Antenna Tapering) die Nebenkeulen reduziert, wie Gitterkeulen gebildet werden und wie sich die Phasenverschiebung gegenüber der Zeitverzögerung in Breitbandsystemen auswirkt. Die Artikelserie wird mit einer Analyse der endlichen Auflösung des Verzögerungsblocks und der Frage abgeschlossen, wie er Quantisierungs-Seitenkeulen erzeugen und die Strahlauflösung herabsetzen kann.
Literatur
[1] Balanis, C. A.: Antenna Theory Analysis and Design. Dritte Auflage, John Wiley & Sons, 2005, ISBN 0-471-66782-X.
[2] Mailloux, R. J.: Phased Array Antenna Handbook. Zweite Auflage, Artech House, 2005, ISBN 1-58053-689-1.
[3] O’Donnell, R. M.: Radar Systems Engineering: Introduction. IEEE Coursees, June 2012, https://ieeexplore.ieee.org/courses/details/EDP303.
[4] Skolnik, M.: Radar Handbook. Dritte Auflage, McGraw-Hill, 2008, ISBN 978-0-07-148547-0.
Die Autoren
Peter Delos
ist technischer Leiter in der Aerospace and Defense Group bei Analog Devices in Greensboro, NC. Er erhielt 1990 seinen B.S.E.E. vom Virginia Tech und 2004 seinen M.S.E.E. vom NJIT. Peter Delos verfügt über mehr als 25 Jahre Branchenerfahrung. Den größten Teil seiner beruflichen Laufbahn hat er mit der Entwicklung fortschrittlicher HF-/Analog-Systeme auf Leiterplatten- und IC-Ebene verbracht. Aktuell konzentriert er sich auf die Miniaturisierung von Hochleistungsempfängern, Wellenformgeneratoren und Synthesizern für phasengesteuerte Antennenarrays.
peter.delos@analog.com
Bob Broughton
ist seit 1993 bei Analog Devices und hatte bisher Positionen als Produktingenieur und IC-Entwicklungsingenieur inne. Aktuell ist er Director of Engineering in der Aerospace and Defense Business Unit tätig. Bevor er zu ADI kam, arbeitete Bob Broughton bei Raytheon als HF-Entwicklungsingenieur und bei Peregrine Semiconductor als RFIC-Entwickler. Broughton schloss sein Studium 1984 an der West Virginia University mit einem B.S.E.E. ab.
bob.broughton@analog.com
Jon Kraft
ist Senior Staff FAE in Colorado und seit 13 Jahren bei Analog Devices tätig. Sein Schwerpunkt liegt auf softwaredefiniertem Funk sowie auf phasengesteuerte Radarantennenarrays für Luft- und Raumfahrt. Er erhielt seinen B.S.E.E. von Rose-Hulman und seinen M.S.E.E. von der Arizona State University. Er hält neun Patente, sechs mit Analog Devices und ein weiteres ist derzeit angemeldet.
jon.kraft@analog.com
- Strahleigenschaften von linearen Antennenarrays und Arrayfaktor
- Ein lineares Antennenarray mit gleichmäßigem Abstand
- Element- und Arrayfaktoren kombinieren
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Kunststoff statt Keramik
Turbo für GNSS-Antennen
Multibeam-Antennenarrays
Quantitative Analyse des Energieaufwands für die Strahlformung
