Бағытталған антенналар және олардың артықшылықтары

Кіріспе

Радиоантенна, белгілі бір бағытта жақсырақ жұмыс істейтін

Бағытталған антенна немесе сәулелік антенна – радио толқындарын белгілі бір бағытта күштірек сәулеленетін немесе қабылдайтын антенна. Бағытталған антенналар, егер белгілі бір бағытта сәулеленуді күшейту қажет болса, радио толқындарын сәуле түрінде таратуы мүмкін, ал қабылдағыш антенналар тек бір белгілі бағыттан радио толқындарын қабылдайды. Бұл сол бағыттағы қабылдағыштарға берілетін қуатты арттыруға немесе қажетсіз көздерден келетін кедергіні азайтуға мүмкіндік береді. Бұл дипольдік антенналар сияқты, кең бұрышта радио толқындарын сәулелендіретін немесе кең бұрышта қабылдайтын жан-жақты антенналардан өзгеше. Антеннаның сәулеленген қуатының бұрыштық таралуы, яғни оның сәулелену үлгісінің бір бағытта қаншалықты шоғырланғаны антеннаның күші (антенна пайдасы) деп аталатын параметрмен өлшенеді. Жоғары күшті антенна (ЖҚА) – радиосигналдарды дәл бағыттауға мүмкіндік беретін, шоғырланған, тар сәуле ені бар бағытталған антенна. Көбінесе ғарыш миссияларында қолданылатын бұл антенналар Жер бетінде де кеңінен қолданылады, әсіресе радио толқындарды бұзатын таулар жоқ, тегіс және ашық жерлерде тиімдірек. Ал төмен күшті антенна (ТҚА) – кең радио толқындар сәулелену ені бар, сигналдың тіпті таулы аймақтарда да жақсы таралуын қамтамасыз ететін және жер бедеріне қарамастан сенімдірек болатын жан-жақты антенна. Төмен күшті антенналар көбінесе ғарыш кемелерінде жоғары күшті антеннаның қосымша нұсқасы ретінде қолданылады, себебі жоғары күшті антенна тар сәуле таратады және сигналдың жоғалтуына осал. Барлық қолданыстағы антенналар белгілі бір деңгейде бағытталған болады, бірақ көбінесе тек Жерге параллель жазықтықтағы бағыт ескеріледі, ал практикалық антенналар бір жазықтықта жан-жақты болуы мүмкін. Ең көп таралған бағытталған антенна түрлері:
Яги-Уда антеннасы,
лог-периодтық антенна және
бұрыштық рефлектор антеннасы. Бұл антенна түрлері немесе бір типтің бірнеше жиіліктік нұсқаларының комбинациясы, немесе (сирек) екі түрлі типтің комбинациясы тұрғын үйге арналған теледидар антенналары ретінде коммерциялық түрде жиі сатылады. Ұялы байланыс репитерлері стандартты ұялы телефоннан гөрі әлдеқайда күшті сигнал алу үшін сыртқы бағытталған антенналарды жиі пайдаланады. Спутниктік теледидар қабылдағыштары көбінесе параболалық антенналарды қолданады. Ұзақ және орташа толқынды жиіліктер үшін мұнаралардың жиынтығы бағытталған антенна ретінде көбінесе қолданылады.

A directional antenna or beam antenna is an antenna which radiates or receives greater radio wave power in specific directions. Directional antennas can radiate radio waves in beams, when greater concentration of radiation in a certain direction is desired, or in receiving antennas receive radio waves from one specific direction only. This can increase the power transmitted to receivers in that direction, or reduce interference from unwanted sources. This contrasts with omnidirectional antennas such as dipole antennas which radiate radio waves over a wide angle, or receive from a wide angle. The extent to which an antenna's angular distribution of radiated power, its radiation pattern, is concentrated in one direction is measured by a parameter called antenna gain. A high gain antenna (HGA) is a directional antenna with a focused, narrow beam width, permitting more precise targeting of the radio signals. Most commonly referred to during space missions, these antennas are also in use all over Earth, most successfully in flat, open areas where there are no mountains to disrupt radiowaves. In contrast, a low gain antenna (LGA) is an omnidirectional antenna, with a broad radiowave beam width, that allows the signal to propagate reasonably well even in mountainous regions and is thus more reliable regardless of terrain. Low gain antennas are often used in spacecraft as a backup to the high gain antenna, which transmits a much narrower beam and is therefore susceptible to loss of signal. All practical antennas are at least somewhat directional, although usually only the direction in the plane parallel to the earth is considered, and practical antennas can easily be omnidirectional in one plane. The most common directional antenna types are
the Yagi Uda antenna,
the log periodic antenna, and
the corner reflector antenna. These antenna types, or combinations of several single frequency versions of one type or (rarely) a combination of two different types, are frequently sold commercially as residential TV antennas. Cellular repeaters often make use of external directional antennas to give a far greater signal than can be obtained on a standard cell phone. Satellite television receivers usually use parabolic antennas. For long and medium wavelength frequencies, tower arrays are used in most cases as directional antennas.

Жұмыс істеу принципі

Жіберу кезінде жоғары күшті антенна жіберілген қуаттың көбірек бөлігін қабылдағыш бағытына жіберуге мүмкіндік береді, бұл қабылдаған сигналдың күшін арттырады. Қабылдау кезінде жоғары күшті антенна сигналдың көбірек бөлігін ұстайды, бұл да сигналдың күшін арттырады. Өзара байланыс принципіне сәйкес, бұл екі эффекті тең: жіберілген сигналды 100 есе күшті ететін антенна (изотроптық сәулелендіргішке қарағанда) қабылдағыш антенна ретінде қолданылғанда, изотроптық антеннаға қарағанда 100 есе көп энергияны ұстайды. Бағытты антенналардың бағыттылығының нәтижесінде, олар негізгі сәуледен басқа бағыттардан аз сигнал жібереді (және аз қабылдайды). Бұл қасиет басқа сәуледен тыс трансляциялардан кедергілерді болдырмауы мүмкін және әрқашан антенна шуын азайтады. (Шу барлық бағыттан келеді, бірақ қажетті сигнал тек шамамен бір бағыттан келеді, сондықтан антеннаның сәулесі неғұрлым тар болса, сигнал-шу қатынасы соғұрлым жақсы болады.) Жоғары күшті антенна жасаудың көптеген тәсілдері бар; ең көп таралғандары – параболалық антенналар, спиральді антенналар, Яги-Уда антенналары және кез келген антенналардың фазалық тізімдері. Мүйіз тәрізді антенналар да жоғары күшпен жасалуы мүмкін, бірақ олар жиі кездеспейді. Басқа конфигурациялар да мүмкін: Аресибо обсерваториясы белгілі бір жиіліктерде өте жоғары күш алу үшін үлкен шар тәрізді рефлектормен (әдеттегі параболалық рефлектормен салыстырғанда) сызықтық желіні қолданды.

Антенналық пайда

Антеннаның күші көбінесе барлық бағытта теңдей сәуле шығаратын гипотетикалық антеннаға, яғни изотроптық сәуле шығарушыға қатысты айтылады. Бұл күш, децибелмен өлшенгенде, dBi деп аталады. Энергия сақталу заңына сәйкес, жоғары күшті антенналардың сәулесі тар болуы керек. Мысалы, егер жоғары күшті антенна 1 Ватттық бергішті 100 Ватттық бергіштей етіп көрсетсе, онда сәуле аспанның ең көп дегенде белгілі бір бөлігін қамтуы мүмкін (әйтпесе, барлық бағытта сәулеленген энергияның жалпы сомасы бергіштің қуатынан асып кетеді, бұл мүмкін емес). Бұл өз кезегінде жоғары күшті антенналардың физикалық тұрғыдан үлкен болуы керек екенін білдіреді, өйткені дифракция шегіне сәйкес, қалаған сәуле неғұрлым тар болса, антенна соғұрлым үлкен болуы керек (толқын ұзындығымен өлшенеді). Антенна күші dBd арқылы да өлшенуі мүмкін, бұл жарты толқынды дипольдің максималды интенсивтілік бағытына қарағанда децибелмен көрсетілген күштің айырмасы. Яги типіндегі антенналар үшін бұл сынақтан өткізіліп жатқан антеннаның күшінен оның барлық директорлары мен рефлекторын алып тастағанда күтілетін күшке шамалас. dB және dBi арасындағы айырмашылықты шатастырмау маңызды; екеуінің арасындағы айырма 2,15 дБ-ға тең, dBi көрсеткіші жоғары, себебі дипольдің изотроптық антеннаға қатысты 2,15 дБ күші бар. Күш элементтердің санына және олардың реттелуіне де байланысты. Антенналарды жиіліктердің кең диапазонында резонансқа келтіруге болады, бірақ қалған барлық факторлар бірдей болса, бұл антеннаның күші бір жиілікке немесе жиіліктер тобына реттелгеннен төмен болады дегенді білдіреді. Мысалы, кең жолақты теледидар антенналарының жағдайында күштің төмендеуі теледидар тарату жолағының төменгі бөлігінде ерекше айқын байқалады. Ұлыбританияда теледидар жолағының төменгі үштен бірі А тобы деп аталады. Апертура (антеннаның сигналды жинақтайтын ауданы, көбінесе антеннаның мөлшерімен байланысты, бірақ кішкентай антенналар үшін феррит таяқшасын қосу арқылы ұлғайтуға болады) және тиімділік (қайтадан, мөлшеріне әсер етеді, сонымен қатар қолданылатын материалдардың кедергісі және кедергілерді сәйкестендіру) сияқты басқа факторлар да күшке әсер етуі мүмкін. Бұл факторларды антеннаның басқа ерекшеліктерін өзгертусіз жақсарту оңай немесе бағыттылықты арттыратын бірдей факторлармен бірдей уақытта жақсартуға болады, сондықтан оларға көбінесе назар аударылмайды.

Antenna gain is often quoted with respect to a hypothetical antenna that radiates equally in all directions, an isotropic radiator. This gain, when measured in decibels, is called dBi. Conservation of energy dictates that high gain antennas must have narrow beams. For example, if a high gain antenna makes a 1 Watt transmitter look like a 100 Watt transmitter, then the beam can cover at most of the sky (otherwise the total amount of energy radiated in all directions would sum to more than the transmitter power, which is not possible). In turn this implies that high gain antennas must be physically large, since according to the diffraction limit, the narrower the beam desired, the larger the antenna must be (measured in wavelengths). Antenna gain can also be measured in dBd, which is gain in decibels compared to the maximum intensity direction of a half wave dipole. In the case of Yagi type aerials this more or less equates to the gain one would expect from the aerial under test minus all its directors and reflector. It is important not to confuse dB and dB; the two differ by 2.15 dB, with the dBi figure being higher, since a dipole has 2.15 dB of gain with respect to an isotropic antenna. Gain is also dependent on the number of elements and the tuning of those elements. Antennas can be tuned to be resonant over a wider spread of frequencies but, all other things being equal, this will mean the gain of the aerial is lower than one tuned for a single frequency or a group of frequencies. For example, in the case of wideband TV antennas the fall off in gain is particularly large at the bottom of the TV transmitting band. In the UK this bottom third of the TV band is known as group A. Other factors may also affect gain such as aperture (the area the antenna collects signal from, almost entirely related to the size of the antenna but for small antennas can be increased by adding a ferrite rod), and efficiency (again, affected by size, but also resistivity of the materials used and impedance matching). These factors are easy to improve without adjusting other features of the antennas or coincidentally improved by the same factors that increase directivity, and so are typically not emphasized.

Қолданбалар

Жоғары күшті антенналар әдетте терең ғарыш зерттеу құралдарының ең ірі бөлігі болып табылады, ал ең жоғары күшті радиоантенналар физикалық тұрғыдан өте үлкен құрылымдар, мысалы, Аресибо обсерваториясы. Deep Space Network шамамен 1 см толқын ұзындығында 35 метрлік тарелкаларды пайдаланады. Бұл комбинация антеннаның шамамен 100 000 000 (немесе қалыпты өлшем бойынша 80 дБ) күшін қамтамасыз етеді, бұл хабар жібергішті шамамен 100 миллион есе күшті, ал қабылдағышты 100 миллион есе сезімтал етеді, нысана сәуле ішінде болған жағдайда. Бұл сәуле аспанның ең көп дегенде 100 миллионнан бір бөлігін қамти алады, сондықтан өте дәл бағыттау қажет. WPAN-да жоғары күшті және миллиметрлік толқынды байланысты пайдалану, шектеулі аумақта бір-біріне кедергі келтірмейтін берілімдерді бір уақытта жоспарлау мүмкіндігін арттырады, бұл желінің өткізу қабілетін едәуір арттырады. Дегенмен, бір уақытта берілістерді оңтайлы жоспарлау NP-қиын мәселе болып табылады.