Направленная антенна или лучевая антенна — это антенна , которая излучает или принимает большую мощность радиоволн в определенных направлениях. Направленные антенны могут излучать радиоволны лучами, когда желательна большая концентрация излучения в определенном направлении, или приемные антенны принимают 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 широким углом или принимают под широким углом.
Степень, в которой угловое распределение излучаемой мощности антенны, ее диаграмма направленности , сосредоточена в одном направлении, измеряется параметром, называемым коэффициентом усиления антенны . Антенна с высоким коэффициентом усиления ( HGA ) — это направленная антенна с узконаправленным лучом , обеспечивающая более точное нацеливание радиосигналов. [1] Чаще всего их используют во время космических полетов , [2] эти антенны также используются по всей Земле , наиболее успешно на плоских, открытых территориях, где нет гор, способных препятствовать распространению радиоволн. [ нужна цитата ]
Напротив, антенна с низким коэффициентом усиления ( LGA ) представляет собой всенаправленную антенну с широкой шириной луча радиоволн, которая позволяет сигналу достаточно хорошо распространяться даже в горных регионах и, следовательно, более надежна независимо от местности. Антенны с низким коэффициентом усиления часто используются в космических кораблях в качестве дублера антенны с высоким коэффициентом усиления , которая передает гораздо более узкий луч и, следовательно, подвержена потере сигнала. [3]
Все практические антенны, по крайней мере, в некоторой степени направлены, хотя обычно рассматривается только направление в плоскости, параллельной Земле, а практические антенны легко могут быть всенаправленными в одной плоскости. Наиболее распространенными типами направленных антенн являются [ нужна ссылка ]
Эти типы антенн или комбинации нескольких одночастотных версий одного типа или (редко) комбинации двух разных типов часто продаются на коммерческой основе как бытовые телевизионные антенны . В сотовых ретрансляторах часто используются внешние направленные антенны, чтобы обеспечить гораздо более сильный сигнал, чем можно получить на стандартном сотовом телефоне . Приемники спутникового телевидения обычно используют параболические антенны . Для длинноволновых и средневолновых частот в большинстве случаев в качестве направленных антенн используются башенные решетки .
При передаче антенна с высоким коэффициентом усиления позволяет направить большую часть передаваемой мощности в направлении приемника, увеличивая мощность принимаемого сигнала. При приеме антенна с высоким коэффициентом усиления улавливает большую часть сигнала, что снова увеличивает мощность сигнала. Благодаря взаимности эти два эффекта равны: антенна, которая усиливает передаваемый сигнал в 100 раз (по сравнению с изотропным излучателем ), также будет захватывать в 100 раз больше энергии, чем изотропная антенна, когда она используется в качестве приемной антенны. Вследствие своей направленности направленные антенны также передают 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 исходит со всех направлений, но полезный сигнал будет исходить только с одного приблизительного направления, поэтому чем уже луч антенны, тем лучше решающее соотношение сигнал/шум .)
Есть много способов сделать антенну с высоким коэффициентом усиления; наиболее распространенными являются параболические антенны , спиральные антенны , антенны Яги-Уда и фазированные решетки из антенн любого типа. Рупорные антенны также могут быть сконструированы с высоким коэффициентом усиления, но встречаются реже. Возможны и другие конфигурации: обсерватория Аресибо использовала комбинацию линейного перевода с огромным сферическим отражателем (в отличие от более обычного параболического отражателя) для достижения чрезвычайно высокого усиления на определенных частотах.
Коэффициент усиления антенны часто указывается относительно гипотетической антенны, которая излучает одинаково во всех направлениях, — изотропного излучателя . Это усиление, измеряемое в децибелах , называется дБи. Сохранение энергии требует, чтобы антенны с высоким коэффициентом усиления имели узкие лучи. [4] Например, если антенна с высоким коэффициентом усиления делает передатчик мощностью 1 Вт похожим на передатчик мощностью 100 Вт, то луч может охватывать не более1/100неба (иначе общее количество энергии, излучаемой во всех направлениях, в сумме превысило бы мощность передатчика, что невозможно). В свою очередь, это означает, что антенны с высоким коэффициентом усиления должны быть физически большими, поскольку в соответствии с пределом дифракции , чем уже желаемый луч, тем больше должна быть антенна (измеряется в длинах волн).
Усиление антенны также можно измерить в дБд, что представляет собой усиление в децибелах по сравнению с направлением максимальной интенсивности полуволнового диполя. В случае антенн типа Яги это более или менее соответствует усилению, которое можно было бы ожидать от тестируемой антенны за вычетом всех ее направляющих и рефлектора. Важно не путать dB i и dB d ; они различаются на 2,15 дБ, при этом показатель дБи выше, поскольку диполь имеет усиление 2,15 дБ по сравнению с изотропной антенной.
Усиление 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 усиление антенны будет ниже, чем у антенны, настроенной на одну частоту или группу частот. Например, в случае широкополосных телевизионных антенн падение усиления особенно велико в нижней части полосы телевизионной передачи. В Великобритании эта нижняя треть телевизионного диапазона известна как группа А. [5]
На усиление также могут влиять другие факторы, такие как апертура (область, из которой антенна собирает сигнал, почти полностью зависит от размера антенны, но для небольших антенн ее можно увеличить, добавив ферритовый стержень ) и эффективность (опять же, зависит от размера, но также удельное сопротивление используемых материалов и согласование импедансов). Эти факторы легко улучшить без корректировки других характеристик антенн или случайно улучшить с помощью тех же факторов, которые увеличивают направленность, и поэтому обычно на них не обращают внимания.
Антенны с высоким коэффициентом усиления обычно являются крупнейшим компонентом космических зондов, а радиоантенны с самым высоким коэффициентом усиления представляют собой физически огромные конструкции, такие как обсерватория Аресибо . Сеть дальнего космоса использует 35-метровые антенны с длиной волны около 1 см. Эта комбинация дает коэффициент усиления антенны около 100 000 000 (или 80 дБ, как обычно измеряется), благодаря чему передатчик выглядит 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 связи с высоким коэффициентом усиления и связи в миллиметровом диапазоне для усиления WPAN увеличивает вероятность одновременного планирования немешающих передач в локализованной области, что приводит к огромному увеличению пропускной способности сети. Однако оптимальное планирование одновременной передачи является проблемой NP-Hard . [6]
![Рупорная антенна Холмдела в Холмделе, штат Нью-Джерси (1960-е). Созданный для поддержки программы спутниковой связи «Эхо»,[7] он позже использовался 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)
