Направленные радиоантенны: принцип работы и применение.

Введение

Радиоантенна с улучшенными характеристиками в определенных направлениях.

Направленная или лучевая антенна – это антенна, которая излучает или принимает большую мощность радиоволн в определенных направлениях. Направленные антенны могут излучать радиоволны в виде лучей, когда требуется большая концентрация излучения в определенном направлении, или в приемных антеннах принимать радиоволны только из одного конкретного направления. Это позволяет увеличить мощность, передаваемую приемникам в этом направлении, или уменьшить помехи от нежелательных источников. Это отличается от всенаправленных антенн, таких как дипольные антенны, которые излучают радиоволны под широким углом или принимают их из широкого угла. Степень концентрации углового распределения излучаемой антенной мощности, ее диаграммы направленности, измеряется параметром, называемым коэффициентом усиления антенны. Антенна с высоким коэффициентом усиления (HGA) – это направленная антенна с узким, сфокусированным лучом, обеспечивающим более точное нацеливание радиосигналов. Чаще всего упоминаемые в контексте космических миссий, эти антенны также широко используются на Земле, особенно успешно на ровных, открытых участках, где горы не препятствуют распространению радиоволн. Антенна с низким коэффициентом усиления (LGA) – это всенаправленная антенна с широкой диаграммой направленности, позволяющая сигналу достаточно хорошо распространяться даже в гористой местности и, следовательно, более надежна независимо от рельефа. Антенны с низким коэффициентом усиления часто используются на космических аппаратах в качестве резервной копии антенны с высоким коэффициентом усиления, которая передает гораздо более узкий луч и, следовательно, более подвержена потере сигнала. Все практические антенны в той или иной степени являются направленными, хотя обычно рассматривается только направление в плоскости, параллельной Земле, и практические антенны могут быть всенаправленными в одной плоскости. Наиболее распространенными типами направленных антенн являются антенна Яги-Уда, логопериодическая антенна и угловой рефлектор. Эти типы антенн, или комбинации нескольких одночастотных версий одного типа, или (редко) комбинации двух различных типов, часто продаются в коммерческих целях как бытовые телевизионные антенны. Сотовые репитеры часто используют внешние направленные антенны для получения гораздо более сильного сигнала, чем можно получить на стандартном мобильном телефоне. Приемники спутникового телевидения обычно используют параболические антенны. Для длинных и средних волн в большинстве случаев в качестве направленных антенн используются антенные решетки.

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.

Принцип действия

При передаче высокоусиливающая антенна позволяет большей части передаваемой мощности направляться в сторону приемника, увеличивая мощность принимаемого сигнала. При приеме высокоусиливающая антенна улавливает больше сигнала, что также повышает его силу. Благодаря принципу взаимности, эти два эффекта эквивалентны: антенна, которая усиливает передаваемый сигнал в 100 раз (по сравнению с изотропным излучателем), также улавливает в 100 раз больше энергии, чем изотропная антенна, при использовании в качестве приемной. Вследствие своей направленности, направленные антенны излучают меньше (и принимают меньше) сигнала в направлениях, отличных от главного лепестка диаграммы направленности. Это свойство позволяет избежать помех от других передатчиков, находящихся вне основного луча, и всегда снижает уровень шума антенны. (Шум приходит со всех направлений, а желаемый сигнал – лишь из одного приблизительного направления, поэтому чем уже диаграмма направленности антенны, тем выше критически важное отношение сигнал/шум.) Существует множество способов создания высокоусиливающей антенны; наиболее распространенными являются параболические антенны, спиральные антенны, антенны Яги-Уда и фазированные антенные решетки из небольших антенн любого типа. Рупорные антенны также могут быть изготовлены с высоким коэффициентом усиления, но встречаются реже. Существуют и другие конфигурации – например, в обсерватории Аресибо использовалась комбинация линейной подпитки с огромным сферическим отражателем (в отличие от более распространенного параболического отражателя) для достижения чрезвычайно высокого усиления на определенных частотах.

Антенная нагрузка

Усиление антенны часто указывается относительно гипотетической антенны, излучающей одинаково во всех направлениях, – изотропного излучателя. Это усиление, измеряемое в децибелах, называется dBi. Закон сохранения энергии требует, чтобы антенны с высоким усилением имели узкие диаграммы направленности. Например, если антенна с высоким усилением заставляет передатчик мощностью 1 Вт казаться передатчиком мощностью 100 Вт, то луч может покрывать не более чем часть неба (в противном случае общая излучаемая энергия во всех направлениях превысила бы мощность передатчика, что невозможно). В свою очередь, это означает, что антенны с высоким усилением должны быть физически большими, поскольку, согласно дифракционному пределу, чем уже требуется диаграмма направленности, тем больше должна быть антенна (измеряемая в длинах волн). Усиление антенны также можно измерять в dBd, что представляет собой усиление в децибелах по сравнению с направлением максимальной интенсивности полуволнового диполя. В случае антенн типа «Яги» это в значительной степени соответствует усилению, которое можно ожидать от тестируемой антенны, за вычетом всех ее директоров и рефлектора. Важно не путать dBi и dBd; они различаются на 2,15 дБ, причем значение dBi выше, поскольку диполь имеет усиление 2,15 дБ относительно изотропной антенны. Усиление также зависит от количества элементов и их настройки. Антенны можно настроить на резонанс в более широком диапазоне частот, но при прочих равных условиях это приведет к снижению усиления антенны по сравнению с антенной, настроенной на одну частоту или группу частот. Например, в случае широкополосных телевизионных антенн падение усиления особенно заметно в нижней части телевизионного передающего диапазона. В Великобритании эта нижняя треть телевизионного диапазона известна как группа А. На усиление также могут влиять другие факторы, такие как апертура (площадь, с которой антенна принимает сигнал, почти полностью связанная с размером антенны, но для небольших антенн ее можно увеличить, добавив ферритовый сердечник) и эффективность (которая также зависит от размера, но и от удельного сопротивления используемых материалов и согласования импеданса). Эти факторы легко улучшить, не изменяя другие характеристики антенны, или они могут быть улучшены одновременно с факторами, увеличивающими направленность, поэтому обычно не акцентируются.

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.

Приложения

Антенны с высоким коэффициентом усиления обычно являются самым крупным компонентом космических зондов для дальних полётов, а радиоантенны с наивысшим коэффициентом усиления представляют собой физически огромные сооружения, такие как обсерватория Аресибо. Сеть дальнего космоса (Deep Space Network) использует антенны диаметром 35 м на длинах волн около 1 см. Такое сочетание обеспечивает коэффициент усиления антенны примерно в 100 000 000 (или 80 дБ, как это обычно измеряется), что делает передатчик примерно в 100 миллионов раз мощнее, а приёмник – примерно в 100 миллионов раз более чувствительным, при условии, что объект находится в пределах луча. Этот луч может охватывать не более одной стомиллионной части неба, поэтому требуется очень точное наведение. Использование антенн с высоким коэффициентом усиления и миллиметрового диапазона связи в WPAN повышает вероятность одновременного планирования неинтерферирующих передач в локализованной области, что приводит к значительному увеличению пропускной способности сети. Однако оптимальное планирование одновременных передач является задачей класса NP-трудности.