Направленная антенна или лучевая антенна — это антенна , которая излучает или принимает большую мощность радиоволн в определенных направлениях. Направленные антенны могут излучать радиоволны в лучах, когда требуется большая концентрация излучения в определенном направлении, или в приемных антеннах принимать радиоволны только с одного определенного направления. Это может увеличить мощность, передаваемую на приемники в этом направлении, или уменьшить помехи от нежелательных источников. Это контрастирует с всенаправленными антеннами , такими как дипольные антенны , которые излучают радиоволны под большим углом или принимают под большим углом.
Степень, в которой угловое распределение излучаемой мощности антенны, ее диаграмма направленности , концентрируется в одном направлении, измеряется параметром, называемым коэффициентом усиления антенны . Антенна с высоким коэффициентом усиления ( HGA ) — это направленная антенна с узконаправленным лучом , позволяющая более точно направлять радиосигналы. [1] Чаще всего упоминается во время космических миссий , [2] эти антенны также используются по всей Земле , наиболее успешно на ровных открытых территориях, где нет гор, которые могли бы помешать прохождению радиоволн. [ требуется ссылка ]
Напротив, антенна с низким коэффициентом усиления ( LGA ) является всенаправленной антенной с широкой шириной луча радиоволн, что позволяет сигналу достаточно хорошо распространяться даже в горных районах и, таким образом, является более надежным независимо от рельефа местности. Антенны с низким коэффициентом усиления часто используются в космических аппаратах в качестве резервной копии антенны с высоким коэффициентом усиления , которая передает гораздо более узкий луч и, следовательно, подвержена потере сигнала. [3]
Все практические антенны являются по крайней мере в некоторой степени направленными, хотя обычно рассматривается только направление в плоскости, параллельной земле, и практические антенны могут быть легко всенаправленными в одной плоскости. Наиболее распространенными типами направленных антенн являются [ необходима цитата ]
Эти типы антенн или комбинации нескольких одночастотных версий одного типа или (реже) комбинации двух разных типов часто продаются в коммерческих целях как бытовые телевизионные антенны . Сотовые ретрансляторы часто используют внешние направленные антенны, чтобы обеспечить гораздо более сильный сигнал, чем можно получить на стандартном сотовом телефоне . Спутниковые телевизионные приемники обычно используют параболические антенны . Для длинных и средних волн в большинстве случаев в качестве направленных антенн используются башенные решетки .
При передаче антенна с высоким коэффициентом усиления позволяет направлять большую часть передаваемой мощности в направлении приемника, увеличивая мощность принимаемого сигнала. При приеме антенна с высоким коэффициентом усиления захватывает большую часть сигнала, снова увеличивая мощность сигнала. Из-за взаимности эти два эффекта равны — антенна, которая делает передаваемый сигнал в 100 раз сильнее (по сравнению с изотропным излучателем ), также захватит в 100 раз больше энергии, чем изотропная антенна при использовании в качестве приемной антенны. Вследствие своей направленности направленные антенны также посылают меньше (и принимают меньше) сигнала с направлений, отличных от главного луча. Это свойство позволяет избежать помех от других передатчиков вне луча и всегда снижает шум антенны. (Шум приходит со всех направлений, но нужный сигнал будет приходить только с одного приблизительного направления, поэтому чем уже луч антенны, тем лучше решающее отношение сигнал/шум .)
Существует много способов сделать антенну с высоким коэффициентом усиления; наиболее распространенными являются параболические антенны , спиральные антенны , антенны Яги-Уда и фазированные решетки меньших антенн любого типа. Рупорные антенны также могут быть построены с высоким коэффициентом усиления, но встречаются реже. Возможны и другие конфигурации — обсерватория Аресибо использовала комбинацию линейного фидера с огромным сферическим рефлектором (в отличие от более обычного параболического рефлектора), чтобы достичь чрезвычайно высокого коэффициента усиления на определенных частотах.
Коэффициент усиления антенны часто указывается по отношению к гипотетической антенне, которая излучает одинаково во всех направлениях, изотропному излучателю . Этот коэффициент усиления, измеряемый в децибелах , называется dBi. Сохранение энергии диктует, что антенны с высоким коэффициентом усиления должны иметь узкие лучи. [4] Например, если антенна с высоким коэффициентом усиления делает передатчик мощностью 1 Вт похожим на передатчик мощностью 100 Вт, то луч может покрыть максимум 1/100 неба (иначе общее количество энергии, излучаемой во всех направлениях, в сумме превысило бы мощность передатчика, что невозможно). В свою очередь, это подразумевает, что антенны с высоким коэффициентом усиления должны быть физически большими, поскольку согласно дифракционному пределу , чем уже желаемый луч, тем больше должна быть антенна (измеряемая в длинах волн).
Коэффициент усиления антенны также может быть измерен в dBd, что является коэффициентом усиления в децибелах по сравнению с максимальным направлением интенсивности полуволнового диполя. В случае антенн типа Yagi это более или менее соответствует коэффициенту усиления, который можно было бы ожидать от тестируемой антенны за вычетом всех ее директоров и рефлектора. Важно не путать dB i и dB d ; эти два показателя отличаются на 2,15 дБ, причем значение dBi выше, поскольку диполь имеет коэффициент усиления 2,15 дБ по отношению к изотропной антенне.
Коэффициент усиления также зависит от количества элементов и настройки этих элементов. Антенны можно настроить на резонанс в более широком диапазоне частот, но при прочих равных условиях это будет означать, что коэффициент усиления антенны будет ниже, чем у антенны, настроенной на одну частоту или группу частот. Например, в случае широкополосных телевизионных антенн падение коэффициента усиления особенно велико в нижней части телевизионного передающего диапазона. В Великобритании эта нижняя треть телевизионного диапазона известна как группа A. [5]
На усиление могут влиять и другие факторы, такие как апертура (площадь, с которой антенна собирает сигнал, почти полностью связанная с размером антенны, но для небольших антенн ее можно увеличить, добавив ферритовый стержень ) и эффективность (опять же, на которую влияет размер, а также удельное сопротивление используемых материалов и согласование импеданса). Эти факторы легко улучшить, не изменяя другие характеристики антенн или по совпадению улучшить теми же факторами, которые увеличивают направленность, и поэтому им обычно не уделяется особого внимания.
Высокоусиленные антенны обычно являются крупнейшим компонентом зондов дальнего космоса, а радиоантенны с самым высоким коэффициентом усиления — это физически огромные сооружения, такие как обсерватория Аресибо . Сеть дальнего космоса использует 35-метровые антенны на длинах волн около 1 см. Такое сочетание дает усиление антенны около 100 000 000 (или 80 дБ, как обычно измеряется), что делает передатчик примерно в 100 миллионов раз сильнее, а приемник — примерно в 100 миллионов раз более чувствительным, при условии, что цель находится в пределах луча . Этот луч может покрыть максимум одну стомиллионную (10 −8 ) неба, поэтому требуется очень точное наведение.
Использование высокого усиления и связи на миллиметровых волнах в WPAN увеличивает вероятность одновременного планирования не мешающих передач в локализованной области, что приводит к огромному увеличению пропускной способности сети. Однако оптимальное планирование одновременной передачи является NP-Hard проблемой. [6]
![Рупорная антенна Холмдела в Холмделе, штат Нью-Джерси (1960-е годы). Построенная для поддержки программы спутниковой связи Echo[7], она позднее использовалась в экспериментах, которые выявили космический микроволновый фон, пронизывающий вселенную.[8]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f7/Horn_Antenna-in_Holmdel,_New_Jersey_-_restoration1.jpg/1280px-Horn_Antenna-in_Holmdel,_New_Jersey_-_restoration1.jpg)
