Antena direccional
Una antena direccional o antena de feix és una antena que irradia o rep una major potència d'ones de ràdio en direccions específiques. Les antenes direccionals poden irradiar ones de ràdio en feixos, quan es desitja una major concentració de radiació en una determinada direcció, o en antenes receptores rebre ones de ràdio només d'una direcció específica. Això pot augmentar la potència transmesa als receptors en aquesta direcció o reduir la interferència de fonts no desitjades. Això contrasta amb les antenes omnidireccionals com les antenes dipol, que irradien ones de ràdio en un angle ampli o reben des d'un angle ampli.[1]
El grau en què la distribució angular de la potència radiada d'una antena, el seu patró de radiació, es concentra en una direcció es mesura mitjançant un paràmetre anomenat guany d'antena. Una antena d'alt guany (HGA) és una antena direccional amb una amplada de feix enfocada i estreta, que permet una focalització més precisa dels senyals de ràdio.[2] Més comunament utilitzades durant les missions espacials,[3] aquestes antenes també s'utilitzen a tota la Terra, amb més èxit en zones planes i obertes on no hi ha muntanyes que interrompin les ones de ràdio.[4]
En canvi, una antena de baix guany (LGA) és una antena omnidireccional, amb un ample de feix d'ones de ràdio ampli, que permet que el senyal es propagui raonablement bé fins i tot en regions muntanyoses i, per tant, és més fiable independentment del terreny. Les antenes de baix guany s'utilitzen sovint en naus espacials com a còpia de seguretat de l' antena d'alt guany, que transmet un feix molt més estret i, per tant, és susceptible a la pèrdua de senyal.[5]
Totes les antenes pràctiques són com a mínim una mica direccionals, tot i que normalment només es considera la direcció en el pla paral·lel a la terra, i les antenes pràctiques poden ser fàcilment omnidireccionals en un pla. Els tipus d'antenes direccionals més comuns són
Aquests tipus d'antenes, o combinacions de diverses versions de freqüència única d'un tipus o (rarament) una combinació de dos tipus diferents, es venen sovint comercialment com a antenes de televisió residencials. Els repetidors cel·lulars sovint utilitzen antenes direccionals externes per donar un senyal molt més gran que el que es pot obtenir en un telèfon mòbil estàndard. Els receptors de televisió per satèl·lit solen utilitzar antenes parabòliques. Per a freqüències de longitud d'ona llarga i mitjana, els conjunts de torres s'utilitzen en la majoria dels casos com a antenes direccionals.
Principi de funcionament
[modifica]Quan transmet, una antena d'alt guany permet que més potència transmesa s'enviï en direcció al receptor, augmentant la intensitat del senyal rebut. Quan rep, una antena d'alt guany captura més senyal, augmentant de nou la intensitat del senyal. A causa de la reciprocitat, aquests dos efectes són iguals: una antena que fa que un senyal transmès 100 vegades més fort (en comparació amb un radiador isotròpic) també capturarà 100 vegades més energia que l'antena isotròpica quan s'utilitza com a antena receptora. Com a conseqüència de la seva directivitat, les antenes direccionals també envien menys (i reben menys) senyal des de direccions diferents del feix principal. Aquesta propietat pot evitar interferències d'altres transmissors fora del feix i sempre redueix el soroll de l'antena. (El soroll prové de totes les direccions, però un senyal desitjat només vindrà d'una direcció aproximada, de manera que com més estret sigui el feix de l'antena, millor serà la relació senyal-soroll crucial.)
Hi ha moltes maneres de fer una antena d'alt guany; les més comunes són les antenes parabòliques, les antenes helicoïdals, les antenes Yagi-Uda i les matrius en fase d'antenes més petites de qualsevol tipus. Les antenes de banya també es poden construir amb alt guany, però es veuen amb menys freqüència. Encara són possibles altres configuracions: l'Observatori d'Arecibo va utilitzar una combinació d'una alimentació de línia amb un enorme reflector esfèric (a diferència d'un reflector parabòlic més habitual), per aconseguir guanys extremadament alts a freqüències específiques.
Guany de l'antena
[modifica]El guany d'antena sovint es cita respecte a una antena hipotètica que irradia igualment en totes direccions, un radiador isotròpic. Aquest guany, quan es mesura en decibels, s'anomena dBi. La conservació de l'energia dicta que les antenes d'alt guany han de tenir feixos estrets. Per exemple, si una antena d'alt guany fa un 1watts, el transmissor sembla un transmissor de 100 watts, el feix pot cobrir com a màxim del cel (en cas contrari, la quantitat total d'energia radiada en totes direccions seria superior a la potència del transmissor, cosa que no és possible). Al seu torn, això implica que les antenes d'alt guany han de ser físicament grans, ja que segons el límit de difracció, com més estret sigui el feix desitjat, més gran ha de ser l'antena (mesurada en longituds d'ona).
El guany de l'antena també es pot mesurar en dBd, que és el guany en decibels en comparació amb la direcció de la intensitat màxima d'un dipol de mitja ona. En el cas de les antenes de tipus Yagi, això equival més o menys al guany que s'esperaria de l'antena sota prova menys tots els seus directors i reflector. És important no confondre dB i i dB d; els dos difereixen en 2,15 dB, amb una xifra de dBi més alta, ja que un dipol té 2,15 dB de guany respecte a una antena isotròpica.
El guany també depèn del nombre d'elements i de l'afinació d'aquests elements. Les antenes es poden sintonitzar per ser ressonants en una gamma més àmplia de freqüències, però, si totes les altres coses són iguals, això significarà que el guany de l'antena és inferior al d'una sintonitzada per a una sola freqüència o un grup de freqüències. Per exemple, en el cas de les antenes de televisió de banda ampla, la caiguda de guany és particularment gran a la part inferior de la banda de transmissió de televisió. Al Regne Unit, aquest terç inferior de la banda de televisió es coneix com a grup A.
Altres factors que també poden afectar el guany inclouen l'obertura (l'àrea des de la qual l'antena recull el senyal, gairebé totalment relacionada amb la mida de l'antena, però per a antenes petites es pot augmentar afegint una vareta de ferrita) i l'eficiència (de nou, afectada per la mida, però també per la resistivitat dels materials utilitzats i l'adaptació d'impedància). Aquests factors són fàcils de millorar sense ajustar altres característiques de les antenes o, casualment, es milloren pels mateixos factors que augmenten la directivitat, per la qual cosa normalment no s'emfatitzen.
Aplicacions
[modifica]Les antenes d'alt guany solen ser el component més gran de les sondes espacials profundes, i les antenes de ràdio de guany més alt són estructures físicament enormes, com ara l'Observatori d'Arecibo. La Xarxa de l'Espai Profund utilitza 35 m plats a aproximadament 1cm de longituds d'ona. Aquesta combinació dóna un guany d'antena d'uns 100.000.000 (o 80 dB, tal com es mesura normalment), fent que el transmissor sembli uns 100 milions de vegades més fort, i un receptor uns 100 milions de vegades més sensible, sempre que l'objectiu estigui dins del feix . Aquest feix pot cobrir com a màxim una cent milionèsima (10−8) del cel, per la qual cosa cal una apuntada molt precisa.
L'ús de la comunicació d'alt guany i d'ones mil·limètriques en el guany WPAN augmenta la probabilitat de programació simultània de transmissions no interferents en una àrea localitzada, cosa que resulta en un augment immens del rendiment de la xarxa. Tanmateix, la programació òptima de la transmissió simultània és un problema NP-hard.[6]
Galeria
[modifica]
Un exemple primerenc (1922) d'un transmissor de ràdio AM direccional que utilitzava una antena de fil llarg, construït per a WOR, aleshores a Newark, Nova Jersey, i dirigit tant a la ciutat de Nova York com a Filadèlfia, a més de Newark.
Karl Jansky i la seva antena de ràdio direccional giratòria (1932) a Holmdel, Nova Jersey, que va ser el primer radiotelescopi del món, descobrint emissions de ràdio de la Via Làctia.
Antena casolana de Grote Reber a Wheaton, Illinois (1937), segon radiotelescopi del món i primer radiotelescopi parabòlic
Antena de banya Holmdel a Holmdel, Nova Jersey (dècada del 1960). Construïda per donar suport al programa de comunicació per satèl·lit Echo,[7] posteriorment es va utilitzar en experiments que van revelar el fons còsmic de microones que impregnava l'univers.[8]
Antena parabòlica – la 70 antena m al Goldstone Deep Space Communications Complex al desert de Mojave, Califòrnia
Nau espacial Voyager 2. L'HGA (una antena parabòlica) és el gran objecte amb forma de bol.
Un radar de matriu en fase gegant a Alaska
Una antena Yagi-Uda . D'esquerra a dreta, els elements muntats al braç s'anomenen reflector, element accionat i director. El reflector s'identifica fàcilment com una mica més llarg (5% o més) que tots els altres elements, i el director o directors una mica més curts (5% o més).
Referències
[modifica]- ↑ «What are the differences between omni-directional and uni-directional antennas?» (en anglès). [Consulta: 1r desembre 2025].
- ↑ Zainah Md Zain. Proceedings of the 11th National Technical Seminar on Unmanned System Technology 2019: NUSYS'19. Springer Nature, 2020, p. 535. ISBN 978-981-15-5281-6. Extract of page 535
- ↑ Joseph A. Angelo. Encyclopedia of Space and Astronomy. Infobase Publishing, 2014, p. 364. ISBN 978-1-4381-1018-9. Extract of page 364
- ↑ «What is a Directional Antenna? Types, Structure, and Design» (en anglès). [Consulta: 1r desembre 2025].
- ↑ «Low-gain antenna». A: Oxford Reference (oxfordreference.com).
- ↑ Bilal, Muhammad; etal ETRI Journal, 36, 3, 2014, p. 374–384. arXiv: 1801.06018. DOI: 10.4218/etrij.14.0113.0703.
- ↑ Crawford, A.B.; Hogg, D.C.; Hunt, L.E. The Bell System Technical Journal, 7-1961, p. 1095–1099. DOI: 10.1002/j.1538-7305.1961.tb01639.x.
- ↑ «Horn antenna» (en anglès). U.S. National Park Service, 05-11-2001. Arxivat de l'original el 2008-05-12. [Consulta: 23 maig 2008].