.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
© Copyright 2025