Логпериодическая антенна: принцип работы и применение

Введение

Многоэлементная направленная антенна, пригодная для использования в широком диапазоне частот.

Логарифмически-периодическая антенна (LP), также известная как логарифмически-периодический массив или логарифмически-периодическая антенна, представляет собой многоэлементную направленную антенну, разработанную для работы в широком диапазоне частот. Она была изобретена Джоном Данлави в 1952 году. Наиболее распространенной формой логарифмически-периодической антенны является логарифмически-периодический дипольный массив (LPDA). LPDA состоит из ряда полуволновых дипольных излучателей постепенно увеличивающейся длины, каждый из которых состоит из пары металлических стержней. Диполи устанавливаются близко друг к другу в линию и подключаются параллельно к фидеру с чередующейся фазой. Электрически она имитирует серию двух- или трехэлементных антенн Яги-Уда, соединенных вместе, причем каждый набор настроен на свою частоту. Антенны LPDA внешне похожи на антенны Яги, поскольку обе состоят из дипольных стержневых излучателей, установленных в линию вдоль опорной балки, но принцип их работы существенно различается. Добавление элементов к антенне Яги увеличивает её направленность или усиление, в то время как добавление элементов к LPDA увеличивает её частотную характеристику или полосу пропускания. Одной из основных областей применения LPDA является использование в наземных телевизионных антеннах, устанавливаемых на крышах, поскольку им требуется большая полоса пропускания для охвата широких телевизионных диапазонов примерно 54–88 и 174–216 МГц в диапазоне ВЧ и 470–890 МГц в диапазоне УВЧ, а также высокое усиление для обеспечения уверенного приема сигнала на периферии зоны покрытия. Одна из широко используемых конструкций для приема телевизионного сигнала объединяла антенну Яги для приема сигнала УВЧ перед более крупной LPDA для приема сигнала ВЧ.

Основная концепция

LPDA обычно состоит из серии полуволновых дипольных "элементов", каждый из которых представляет собой пару металлических стержней, расположенных вдоль опорной балки, ориентированной вдоль оси антенны. Элементы располагаются на интервалах, подчиняющихся логарифмической функции частоты, известной как d или сигма. Длина последовательных элементов и расстояние между ними постепенно уменьшаются вдоль балки. Зависимость между длинами элементов описывается функцией, известной как тау. Сигма и тау являются ключевыми конструктивными параметрами LPDA. Диаграмма направленности антенны однонаправленная, с основным лепестком вдоль оси балки, от конца с самыми короткими элементами. Каждый дипольный элемент резонирует на длине волны, приблизительно равной удвоенной его длине. Пропускная способность антенны, то есть диапазон частот, в котором она обеспечивает почти максимальный коэффициент усиления, приблизительно соответствует диапазону между резонансными частотами самого длинного и самого короткого элементов. Каждый элемент в LPDA является активным, то есть электрически подключен к линии питания. Обычно вдоль центральной балки прокладывается параллельная двухпроводная линия передачи, и каждый последовательный элемент подключается к ней в противофазе. Часто можно увидеть, как линия питания изгибается зигзагом по опорной балке, удерживающей элементы. Существуют и другие конструкции, в которых в качестве активного элемента используется провод линии передачи. Конструкции Yagi и LPDA на первый взгляд очень похожи, поскольку обе состоят из ряда дипольных элементов, установленных вдоль опорной балки. Однако антенна Yagi имеет только один активный элемент, подключенный к линии передачи, обычно второй от задней части массива, а остальные элементы являются пассивными. Антенна Yagi отличается от LPDA очень узкой полосой пропускания. В общем случае, на любой заданной частоте конструкция с логарифмическим периодом работает аналогично трехэлементной антенне Yagi: дипольный элемент, ближайший к резонансу на рабочей частоте, действует как активный элемент, а два соседних элемента по обе стороны – как директор и рефлектор для увеличения коэффициента усиления, более короткий элемент спереди выполняет роль директора, а более длинный элемент сзади – рефлектора. Однако система несколько сложнее, и все элементы вносят свой вклад в определенной степени, поэтому коэффициент усиления на любой заданной частоте выше, чем у антенны Yagi тех же размеров, что и любой отдельный участок логарифмически периодической антенны. Однако антенна Yagi с тем же количеством элементов, что и логарифмически периодическая, обеспечит гораздо более высокий коэффициент усиления, поскольку все эти элементы улучшают характеристики единственного активного элемента. При использовании в качестве телевизионной антенны было распространено комбинировать логарифмически периодическую конструкцию для ВЧ с антенной Yagi для УВЧ, при этом обе части были примерно одинакового размера. Это обеспечивало значительно более высокий коэффициент усиления для УВЧ, обычно порядка 10–14 дБ на стороне Yagi и 6,5 дБ для логарифмически периодической антенны. Однако это дополнительное усиление было необходимо для компенсации ряда проблем с сигналами УВЧ. Важно отметить, что логарифмически периодическая форма, согласно определению IEEE, не соответствует широкополосным свойствам антенн. Широкополосные свойства логарифмически периодических антенн обусловлены их самоподобием. Плоская логарифмически периодическая антенна также может быть сделана самодополняющейся, например, логарифмическая спиральная антенна (которая сама по себе не классифицируется как логарифмически периодическая, но относится к частотно-независимым антеннам, которые также являются самоподобными) или логарифмически периодическая зубчатая конструкция. Ю. Мушиаке обнаружил, что для того, что он назвал "самой простой самодополняющейся плоской антенной", входное сопротивление составляет η0/2 = 188,4 Ом на частотах, значительно находящихся в пределах ее полосы пропускания.

The LPDA normally consists of a series of half wave dipole "elements" each consisting of a pair of metal rods, positioned along a support boom lying along the antenna axis. The elements are spaced at intervals following a logarithmic function of the frequency, known as d or sigma. The length of the successive elements and the spacing between them gradually decrease along the boom. The relationship between the lengths is a function known as tau. Sigma and tau are the key design elements of the LPDA design. The radiation pattern of the antenna is unidirectional, with the main lobe along the axis of the boom, off the end with the shortest elements. Each dipole element is resonant at a wavelength approximately equal to twice its length. The bandwidth of the antenna, the frequency range over which it has near maximum gain, is approximately between the resonant frequencies of the longest and shortest elements. Every element in the LPDA antenna is a driven element, that is, connected electrically to the feedline. A parallel wire transmission line usually runs along the central boom, and each successive element is connected in opposite phase to it. The feedline can often be seen zig zagging across the support boom holding the elements. Many other forms using the transmission wire as the active element also exist. The Yagi and the LPDA designs look very similar at first glance, as they both consist of a number of dipole elements mounted along a support boom. The Yagi, however, has only a single driven element connected to the transmission line, usually the second one from the back of the array, the remaining elements are parasitic. The Yagi antenna differs from the LPDA in having a very narrow bandwidth. In general terms, at any given frequency the log periodic design operates somewhat similar to a three element Yagi antenna; the dipole element closest to resonant at the operating frequency acts as a driven element, with the two adjacent elements on either side as director and reflector to increase the gain, the shorter element in front acting as a director and the longer element behind as a reflector. However, the system is somewhat more complex than that, and all the elements contribute to some degree, so the gain for any given frequency is higher than a Yagi of the same dimensions as any one section of the log periodic. However, a Yagi with the same number of elements as a log periodic would have far higher gain, as all of those elements are improving the gain of a single driven element. In its use as a television antenna, it was common to combine a log periodic design for VHF with a Yagi for UHF, with both halves being roughly equal in size. This resulted in much higher gain for UHF, typically on the order of 10 to 14 dB on the Yagi side and 6.5 dB for the log periodic. But this extra gain was needed anyway in order to make up for a number of problems with UHF signals. It should be strictly noted that the log periodic shape, according to the IEEE definition, does not align with broadband property for antennas. The broadband property of log periodic antennas comes from its self similarity. A planar log periodic antenna can also be made self complementary, such as logarithmic spiral antennas (which are not classified as log periodic per se but among the frequency independent antennas that are also self similar) or the log periodic toothed design. Y. Mushiake found, for what he termed "the simplest self complementary planar antenna," a driving point impedance of η0/2=188.4 Ω at frequencies well within its bandwidth limits.

История

Джон Данлави изобрел логопериодическую антенну в 1952 году, работая в Военно-воздушных силах США, но не был признан ее изобретателем из-за ее секретности. Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн запатентовал антенны Isbell и Mayes-Carrel и предоставил лицензию на дизайн в виде пакета исключительно компании JFD Electronics в Нью-Йорке. Компании Channel Master и Blonder Tongue Labs проигнорировали патенты и выпустили широкий спектр антенн, основанных на этой конструкции. Судебные иски, касающиеся патента на антенну, которые Фонд Университета Иллинойса проиграл, привели к формированию доктрины Blonder Tongue 1971 года. Этот прецедент регулирует судебные разбирательства по патентным спорам.

Антенны для коротковолнового вещания

Логпериодическая антенна широко используется в качестве передающей антенны на высокомощных коротковолновых радиостанциях, поскольку её широкая полоса пропускания позволяет одной антенне передавать сигналы на частотах в нескольких диапазонах. Применяется логпериодическая зигзагообразная конструкция, состоящая до 16 секций. Эти большие антенны обычно рассчитаны на работу в диапазоне от 6 до 26 МГц, однако были созданы и более крупные антенны, работающие начиная с 2 МГц. Доступны модели с мощностью до 500 кВт. В отличие от параллельного питания элементов, подключенных к центральной линии передачи, элементы данной антенны питаются последовательно, при этом соседние элементы соединены по внешним краям. Антенна, представленная на рисунке, имеет коэффициент усиления около 14 дБи. Массив из двух таких антенн, расположенных одна над другой и запитанных в фазе, обеспечивает усиление до 17 дБи. Благодаря логпериодической структуре, основные характеристики антенны (диаграмма направленности, коэффициент усиления, входное сопротивление) остаются практически неизменными во всем рабочем диапазоне частот, а согласование с фидерной линией сопротивлением 300 Ом обеспечивает коэффициент стоячей волны (КСВ) не хуже 2:1 во всем этом диапазоне.