반사 어레이 안테나

Reflective array antenna
이 반사 어레이 텔레비전 안테나는 와이어 스크린 반사기 앞에 장착된 8개의 "보티" 쌍극형 구동 소자로 구성된다. X자형 쌍극자는 VHF(174–216 MHz)와 UHF(470–700 MHz) 대역 모두를 커버할 수 있는 넓은 대역폭을 제공한다. 5dB VHF와 12dB UHF의 이득과 18dB의 전후비율을 가진다. 표시된 예는 수평 편광이다.
초기 미군 레이더 시스템인 SCR-270 레이더의 반사 어레이 '빌보드' 안테나. 17m(55ft) 높이의 스크린 반사체 앞에 장착된 32개의 수평 반파 쌍극으로 구성된다. 106MHz의 작동 주파수와 3m(10ft)의 파장을 가진 이 대형 안테나는 적 항공기의 위치를 파악할 수 있을 정도로 좁은 빔 폭을 생성하기 위해 필요했다.

통신과 레이더에서 반사 어레이 안테나는 여러 개의 구동 요소가 원하는 방향으로 전파를 반사하도록 설계된 평평한 표면 앞에 탑재되는 지시 안테나 종류다. 그것들은 배열 안테나의 일종이다. 그것들은 VHF와 UHF 주파수 대역에서 자주 사용된다. VHF의 예는 일반적으로 크고 고속도로 전광판과 비슷하여 빌보드 안테나라고 부르기도 한다. 다른 이름으로는 안테나를 구성하는 요소의 종류에 따라 베드프링 배열과[1] 보타이 배열 등이 있다. 커튼 배열은 단파 라디오 방송국에서 사용하는 더 큰 버전이다.

반사 어레이 안테나는 일반적으로 평평하고 전기적으로 큰 반사 표면 앞에서 위상에서 공급되는 다수의 동일한 구동 원소를 가지고 있어 단방향 전파 빔을 생성하여 안테나 이득을 증가시키고 원하지 않는 방향으로 방사선을 감소시킨다. 사용된 원소의 수가 클수록 이득이 커지며, 빔이 좁고 사이드로브가 작다. 개별 원소는 대부분 반파 쌍극형이지만, 때로는 추진 원소뿐만 아니라 기생 원소를 포함하고 있다. 반사경은 금속 시트 또는 더 일반적으로 전선 스크린일 수 있다. 금속 스크린은 화면의 구멍이 파장의 약 10분의 1보다 작은 한 고체 금속 시트는 물론 전파를 반사하기 때문에 안테나의 무게와 풍하중을 줄이기 위해 스크린을 사용하는 경우가 많다. 그것들은 보통 쌍극자 원소의 축에 평행한 방향으로 평행한 와이어 또는 로드의 그릴로 구성된다.

피동 요소는 송신선 네트워크에 의해 공급되며, 이 네트워크는 RF 선원의 전력을 소자 간에 균등하게 나눈다. 이것은 종종 나무 구조의 회로 기하학을 가지고 있다.

기본개념

무선 신호

무선 신호가 도체를 통과할 때 도체에 전류를 유도한다. 무선 신호가 공간을 채우고 도체의 크기가 한정적이기 때문에 유도 전류는 도체를 따라 이동하면서 합산되거나 취소된다. 안테나 설계의 기본 목표는 에너지를 태핑하는 지점에서 전류를 최대값까지 합하는 것이다. 이를 위해 안테나 소자의 크기를 무선 신호의 파장과 관련하여, 피드 포인트에서 최대화되는 전류의 스탠딩 파장을 설정하기 위한 목적으로 한다.

특정 파장을 수신하도록 설계된 안테나의 크기가 자연스럽다는 뜻이다. 수신을 향상시키기 위해서는 단순히 안테나를 크게 할 수 없다; 이는 안테나가 가로채는 신호의 양을 향상시키지만 (주어진 파장에서) 수신의 효율을 떨어뜨릴 것이다. 따라서 수신 개선을 위해 안테나 설계자는 여러 요소를 함께 결합하여 신호가 더해지도록 사용하는 경우가 많다. 이것들은 안테나 배열이라고 알려져 있다.

배열 단계화

신호가 합쳐지려면 단계별로 도착해야 한다. 엔드 투 엔드 라인 또는 시준기에 있는 두 쌍극 안테나에 대해 고려하십시오. 결과 배열이 소스 신호를 직접 가리킬 경우, 두 쌍극 모두 동일한 순간 신호를 볼 수 있으며, 따라서 이들의 수신은 상이 된다. 그러나 안테나를 회전시켜 신호와 각도가 되도록 한다면 신호에서 더 먼 쌍극자까지의 여분의 경로는 신호를 위상 밖으로 약간 수신하는 것을 의미한다. 그런 다음 두 신호를 합치면 더 이상 서로를 엄격하게 보강하지 않고 출력이 떨어진다. 이것은 배열을 수평으로 더욱 민감하게 만드는 반면, 쌍끌이를 병렬로 쌓으면 패턴이 수직으로 좁아진다. 이를 통해 설계자는 요소를 이리저리 이동함으로써 수신 패턴, 즉 이득을 맞춤화할 수 있다.

안테나가 신호와 적절하게 정렬된 경우, 주어진 순간에 배열의 모든 원소가 동일한 신호를 수신하여 위상 안에 있게 된다. 그러나 각 원소의 출력은 단일 공급 지점에서 모아야 하며 신호가 안테나를 가로질러 그 지점까지 이동함에 따라 위상이 변화하고 있다. 2요소 배열에서 이것은 문제가 되지 않는다. 왜냐하면 공급점은 그들 사이에 위치할 수 있기 때문이다. 전송선에서 일어나는 위상 변화는 두 요소 모두에 대해 동일하다. 그러나 이것을 4요소배열로 확장하는 경우, 외부 쌍으로부터의 신호가 더 멀리 이동해야 하고 따라서 중심에 도달했을 때 내부 쌍과 다른 단계에 있게 되기 때문에 이 접근법은 더 이상 작동하지 않는다. 모두 동일한 위상으로 도착하도록 하기 위해 신호 경로에 추가 전송 와이어를 삽입하거나, 차이가 다음보다 클 경우 위상을 역전시키기 위해 송신 라인을 교차하는 것을 보는 것이 일반적이다. 파장 1⁄2

반사체

그 이득은 반사체의 추가를 통해 더욱 개선될 수 있다. 일반적으로 평평한 시트의 모든 도체는 무선 신호에 대해 거울과 같은 방식으로 작용하지만, 도체 사이의 간극이 목표 파장의 약 1/10 미만이면 비연속 표면에도 적용된다.[2] 이는 와이어 메시 또는 심지어 병렬 와이어 또는 금속 막대를 사용할 수 있다는 것을 의미하며, 이는 특히 바람 부하를 줄일 뿐만 아니라 재료의 총량을 줄이는 데 유용하다.

반사 시 신호 전파 방향의 변화로 신호는 위상 반전을 겪는다. 반사경이 출력 신호에 추가되려면 위상 내 원소에 도달해야 한다. 일반적으로 이것은 반사경을 원소 뒤에 파장의 1/4로 배치해야 하며, 이것은 텔레비전 안테나 같은 많은 일반적인 반사경 배열에서 볼 수 있다. 그러나 이 거리를 변화시킬 수 있는 요인은 여러 가지가 있으며, 실제 반사기 위치도 다양하다.

반사경은 안테나 뒤쪽에서 수신되는 신호를 줄일 수 있는 장점도 있다. 후방에서 수신된 신호와 반사경에서 재방송된 신호는 위상변화를 거치지 않았으며, 전면에서 수신한 신호에는 추가되지 않는다. 이렇게 하면 안테나의 앞뒤 비율이 크게 향상되어 방향성이 더욱 높아진다. 이것은 방향 신호가 더 많이 필요하거나 원하지 않는 신호가 있을 때 유용할 수 있다. 이것이 바람직하지 않은 경우가 있으며, 어레이 안테나에서 반사체가 흔히 볼 수 있지만 보편적인 것은 아니다. 예를 들어 UHF 텔레비전 안테나는 반사경이 있는 보타이 안테나를 사용하는 경우가 많지만 반사경이 없는 보타이 배열은 마이크로파 영역에서 비교적 일반적인 설계다.[3]

이득한계

배열에 더 많은 원소가 추가되면 안테나 주엽의 광폭은 감소하여 이득이 증가한다. 이론적으로 이 과정에는 한계가 없다. 그러나 원소의 수가 증가함에 따라 신호를 상상으로 유지하는 필수 공급망의 복잡성은 증가한다. 궁극적으로, 공급망에서 증가하는 고유 손실은 더 많은 요소들로 달성되는 추가 이득보다 더 커져서 달성될 수 있는 최대 이득을 제한한다.

게인 표준으로 사용되는 1파장 사각 반사기 앞의 2요소 쌍극형 배열

실제 어레이 안테나의 이득은 약 25~30dB로 제한된다. 반파 간격의 두 개의 반파 소자와 반사 스크린의 1/4 파형은 설계 주파수에서 약 9.8dBi의 표준 게인 안테나로 사용되어 왔다.[4] 일반적인 4-베이 텔레비전 안테나는 약 10~12dB의 이득을 가지며,[5] 8-베이 디자인은 이를 12~16dB로 증가시킬 수 있다.[6] 32element SCR-270은 약 19.8dB의 상승률을 보였다.[7] 일부 매우 큰 반사 어레이가 건설되었는데, 특히 가로 수백 미터, 세로 수백 개의 원소를 포함하고 있는 소비에트 듀가 레이더가 특히 그러하다. 개별 RF 증폭기에 의해 요소 그룹이 구동되는 액티브 어레이 안테나는 훨씬 더 높은 이득을 얻을 수 있지만 엄청나게 비싸다.

1980년대 이후 마이크로파 주파수에서 사용하기 위한 버전은 금속 표면 앞에 장착된 패치 안테나 요소로 만들어졌다.[8]

방사선 패턴 및 빔 스티어링

위상에서 구동될 때 반사 어레이의 방사선 패턴은 안테나 평면에 수직인 단일 주엽과 양쪽에 동일한 각도로 여러 개의 측엽이 추가된다. 원소를 많이 사용할수록 주엽은 좁아지고 사이드로브에서 방사되는 힘이 적어진다.

안테나의 주엽은 개별 요소에 적용되는 구동 신호를 위상 이동시켜 제한된 각도에서 전자적으로 조향할 수 있다. 각 안테나 소자는 디지털 방식으로 제어할 수 있는 위상 시프터를 통해 공급되며, 각 신호를 연속적으로 지연시킨다. 이로 인해 개별 원소의 중첩에 의해 생성된 파동선이 안테나 평면에 각도를 이루게 된다. 이 기법을 사용하는 안테나를 단계적 배열이라고 하며, 현대의 레이더 시스템에서는 자주 사용된다.

빔을 조종하는 또 다른 옵션은 전체 안테나 구조를 선회 플랫폼에 장착하고 기계적으로 회전시키는 것이다.

참고 항목

  • Mars Cube One(2018년 우주선 디자인 및 반사 어레이 안테나를 포함)

참조

  1. ^ US Navy (September 1998). NAVEDTRA 14183 - Navy Electricity and Electronics Training Series. Vol. Module 11 - Microwave principles. Lulu Press. p. 236. ISBN 1-329-66770-0.
  2. ^ "The Effects of Earth's Upper Atmosphere on Radio Signals". NASA.
  3. ^ Raut, S. (July 2014). "Wideband printed bowtie array for spectrum monitoring". 2014 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI). Antennas and Propagation Society International Symposium. pp. 235–236. doi:10.1109/APS.2014.6904449. ISBN 978-1-4799-3540-6. S2CID 42085218.
  4. ^ "Standard Gain Antennas".
  5. ^ "ULTRAtenna 60". Channel Master.
  6. ^ "EXTREMEtenna 80". Channel Master.
  7. ^ Burrows, Chas. R. (2013-10-22). Radio Wave Propagation. p. 460. ISBN 978-1-4832-5854-6.
  8. ^ Huang, john. Reflectarray antennas.

Public Domain 이 문서는 일반 서비스 관리 문서의 공용 도메인 자료를 통합한다. (MIL-STD-188 지원)

반사 배열의 현대적인 형태는 "보우 타이" UHF 텔레비전 안테나다. 이 예에는 그릴 반사기 앞에 두 개의 쌍극자 구동 요소가 있다. 두 개의 V자 원소로 구성된 "궁태" 쌍극자는 일반 쌍극자보다 대역폭이 커서 안테나가 넓은 UHF 텔레비전 대역을 커버할 수 있다. 이 예는 수직 편광 TV 송신 수신을 위해 설치된다.
소련 조기경보망의 일부인 우크라이나 체르노빌의 두가 또는 "철골 야드" 레이더 시스템의 거대한 반사 어레이 안테나. 그것은 7에서 19 MHz 사이의 주파수에서 전송된다. 오른쪽에 있는 원통형 새장 쌍은 반파 쌍극자 구동 원소들이다. 그 뒤로는 가로선의 반사경 스크린이 있는데, 가운데로 바로 보인다.
ALLISS 안테나, 국제 단파 방송국이 하늘 파동에 의해 먼 지역으로 방송하기 위해 사용하는 모듈형 커튼 배열이다.
1954년식 VHF 반사 어레이 TV 안테나 피동 요소는 접힌 쌍극점이며, 두 개의 긴 요소는 54–88 MHz, 네 개의 짧은 요소는 174–216 MHz이다.
"패널 어레이" VHF TV 방송 안테나. 이 타입은 오늘날 UHF에 널리 사용된다.
1954년부터 "Bowtie" UHF TV 안테나
1950년대 SCR-20 반사 어레이 클로즈업