¿Cuál es la causa de las "pérdidas de exploración" en un conjunto de antenas de fase lineal?

Dirigir cualquier conjunto real fuera de la mira induce una pérdida de escaneo o una pérdida de directividad. En la imagen que publicó con los haces múltiples, es probable que ese gráfico esté normalizando los patrones, por lo que todos alcanzan un máximo de 0 dB. Sin embargo, muestra el ensanchamiento del haz principal, que es una consecuencia de dirigir una matriz.

Por ahora, olvídese del término "factor de matriz", ya que podría causar confusión. Cuando se habla de un arreglo compuesto por elementos isotrópicos, el factor del arreglo y el patrón de la antena son matemáticamente lo mismo. Este no es el caso de las antenas reales. Pero, de nuevo, la terminología no es demasiado importante para comprender el concepto de pérdida de escaneo. Tenemos un patrón de antena y eso es todo.

Actualizar

Lo que sigue es una actualización que corrige y aclara lo que otros podrían haber leído ya. Se afirmó que los arreglos lineales uniformes tienen pérdida de escaneo y fue el resultado de un error en un modelo. Vea los comentarios en la respuesta de Jason para conocer algunos antecedentes.

Tanto para matrices uniformes lineales como planas, no hay pérdida de exploración si la dirección se produce a lo largo de los ejes principales, suponiendo una separación entre elementos de$\lambda/2$. Esto es trivial con un arreglo lineal 1-D, y con un arreglo plano, escanear solo en azimut o elevación preservará la ganancia máxima de la antena. Sin embargo, todavía amplía el haz. Tenga en cuenta que este espaciado de elementos es un caso muy especial y no se puede lograr en la práctica .

Hagamos un ejemplo rápido con una matriz plana uniforme de 32 x 32, cuyos elementos isotrópicos están espaciados$\lambda/2$metros de distancia. A continuación, se muestra un gráfico que muestra el conjunto nominal no dirigido junto con el mismo conjunto dirigido 20°, 40° y 60° fuera de la mira solo en acimut . Cada una de las matrices se normaliza al valor máximo de la matriz no dirigida. Dado que nos dirigimos a lo largo de uno de los ejes principales, no inducimos una pérdida de exploración:

Si ahora aplicamos los ángulos de dirección de 20°, 40° y 60° a los ejes de azimut y elevación, se obtiene un ángulo de puntería compuesto$\Theta$. En este caso sí vemos pérdida de escaneo. Para la gráfica, se toma un corte de acimut en la ubicación máxima de cada patrón:

La expresión de pérdida de exploración dada por$10\ log_{10}(cos^N(\Theta ))$es una aproximación que es bastante buena para el análisis inicial. Después de construir la antena, puede caracterizarla con mayor precisión a partir de las mediciones. A continuación se muestra un gráfico de la pérdida de escaneo para esta matriz en particular y puede ver que sigue una tendencia similar a la aproximación. Como se trata de una matriz teórica, un valor menor de$N = 0.9$muestra un buen partido:

Caso especial de pérdida de escaneo de ULA:$d = \lambda/2$

Aquí está la referencia de Optimum Array Processing, Part IV of Detection, Estimation, and Modulation Theory de Harry L. Van Trees con respecto a ULA con$\lambda/2$espaciado:

El factor de matriz no muestra la pérdida de exploración. El factor de matriz es simplemente un multiplicador. En realidad, es un error común que los ingenieros utilicen el factor de matriz como valor de ganancia. ¡La ganancia del factor de matriz no cambia con el ángulo de exploración o el espaciado de los elementos!

Para ver la pérdida de escaneo, debe calcular la directividad. Sin embargo, para una matriz lineal uniforme (ULA) de elementos isotrópicos , no verá ninguna pérdida de escaneo cuando calcule la directividad. Debe usar una matriz 2-D o usar un patrón de elementos no isotrópicos.

Físicamente hablando, se produce una pérdida de directividad debido a que el área menos efectiva apunta en la dirección de interés. La pérdida de escaneo ocurre cuando la matriz tiene área (por ejemplo, no es un ULA isotrópico).