Направленная антенна

Многоэлементная логопериодическая дипольная решетка.

70-метровая Кассегрена радиоантенна в GDSCC , Калифорния.

Диаграмма усиления патч-антенны

или Направленная антенна 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. Чаще всего упоминается во время космических полетов . эти антенны также используются по всей Земле , наиболее успешно на равнинных открытых территориях, где нет гор, способных препятствовать распространению радиоволн.

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.

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

• антенна Яги -Уда ,
• логопериодическая антенна и
• антенна с угловым рефлектором .

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 большинстве в частот башенные решетки случаев в качестве направленных антенн используются .

Принцип работы

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 улавливать 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.

Усиление антенны

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. Например, если антенна с высоким коэффициентом усиления делает передатчик мощностью 1 Вт похожим на передатчик мощностью 100 Вт, то луч может охватывать не более ⁠ 1/100 . ) ⁠ неба (иначе общее количество энергии, излучаемой во всех направлениях, в сумме превышало 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.

Другие факторы также могут влиять на усиление, 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.

Приложения

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 охватывать максимум стомиллионную (10 ⁻⁸ ) неба, поэтому требуется очень точное наведение.

Использование миллиметровом диапазоне для связи с высоким коэффициентом усиления и связи в усиления 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 проблемой NP-Hard .

Галерея

• 
  Ранний пример (1922 г.) направленного AM-радиопередатчика с длинной проводной антенной , построенный для WOR , затем в Ньюарке, штат Нью-Джерси, и нацеленный не только на Ньюарк, но и на Нью-Йорк и Филадельфию.
• 
  Карл Янский и его вращающаяся направленная радиоантенна (1932 г.) в Холмделе, штат Нью-Джерси , которая была первым в мире радиотелескопом, обнаружившим радиоизлучение Млечного Пути .
• 
  Гроте Ребера Самодельная антенна в Уитоне, штат Иллинойс (1937 г.), второй в мире радиотелескоп и первый параболический радиотелескоп.
• 
  Рупорная антенна Холмдела в Холмделе, штат Нью-Джерси (1960-е). Создан для поддержки программы спутниковой связи Echo . Позже его использовали в экспериментах, которые выявили космический микроволновый фон, пронизывающий Вселенную.
• 
  Параболическая антенна - 70-метровая антенна в комплексе глубокой космической связи Голдстоун в пустыне Мохаве, Калифорния.
• 
  Космический корабль «Вояджер-2» . HGA (параболическая антенна) представляет собой большой объект чашеобразной формы.
• 
  Гигантский радар с фазированной решеткой на Аляске
• 
  Антенна Яги -Уда . Слева направо элементы, установленные на штанге, называются отражателем, приводным элементом и директором. Рефлектор легко определить: он немного длиннее (5% или более), чем все остальные элементы, а директор(ы) немного короче (5% или более).

См. также

• Радиолюбительская радиопеленгация
• Антенна визирования
• Усиление антенны
• Кантенна
• Кардиоида
• Антенна Кассегрена
• Рефлектор Кассегрена
• Направленность
• Рамочная антенна
• Всенаправленная антенна
• Параболическая антенна
• Фазированная решетка
• Радиопеленгатор
• Модель распространения радиоволн , подраздел Антенна
• Диаграмма направленности

Внешние ссылки

• «Что такое высокий и низкий коэффициент усиления?» . qrg.northwestern.edu . Коммуникации. Эванстон, Иллинойс: Северо-Западный университет .