Назначение и принцип работы антенны ЛПА
Антенна ЛПА предназначена для приёма и передачи радиосигналов при работе в составе мобильных радиотехнических комплексов связи на стоянке в диапазоне частот от 30 до 80 МГц.
Логопериодические антенны относятся к классу сверхширокополосных антенн с логарифмической периодичностью параметров в зависимости от частоты. Общий вид логопериодической антенны показан на рисунке 2.1, где n — номер вибратора; N — общее число вибраторов; Rn — расстояние от первого вибратора до вибратора с номером n; In — длина вибратора с номером n. Типовые диаграммы направленности логопериодической антенны в Е и Н плоскостях (Е — плоскость, содержащая вибраторы, Н — плоскость, перпендикулярная осям вибраторов) приведены на рисунке2.2.
Антенна состоит из ряда симметричных параллельных вибраторов монотонно изменяющейся длины, расположенных в одной плоскости. Длина вибраторов и их расстояние от вершины антенны образуют геометрическую прогрессию со знаменателем ф, называемым периодом ЛПА:
Длина антенны определяется углом б, образуемым линией, соединяющей концы излучающих элементов с осью антенны, и самой длинной волной заданного рабочего диапазона.
Вибраторы логопериодической антенны возбуждаются двухпроводным фидером, который возбуждается со стороны коротких вибраторов и образован двумя параллельными трубками, внутри одной из которых проложен коаксиальный кабель. Внешний проводник кабеля присоединяется к трубке, внутри которой он проложен, а внутренний проводник кабеля к другой трубке. Подобная конструкция антенны очень удобна, так как не требует применения специального симметрирующего устройства.
Рисунок — 2.1 Логопериодическая антенна (ЛПА)
Рисунок — 2.2 Типовые диаграммы направленности логопериодической антенны
Из-за шунтирующего действия вибраторов постоянная распространения волны в линии питания и, следовательно, длина волны изменяются. Известна следующая зависимость длины волны в линии питания от геометрических параметров ЛПА:
где лл — длина волны в линии питания;
л — длина волны в свободном пространстве;
Wл — волновое сопротивление линии питания;
WB — волновое сопротивление вибраторов полотна;
б — угол раскрыва логопериодической антенны;
ф — период логопериодической антенны.
Рабочая полоса частот логопериодической антенны с нижней стороны ограничивается размерами самых длинных вибраторов lмакс ? лмакс/4 и с верхней стороны — размерами самого малого вибратора lмин ? лмин/4. Для сохранения удовлетворительного направленного действия на крайних частотах диапазона следует дополнительно применять по два лишних длинных и коротких вибратора. Это объясняется тем, что в логопериодической антенне на какой-либо заданной частоте возбуждается активная область, которая включает в себя вибратор, длина которого примерно равна л/4, и пару вибраторов, примыкающих к нему с двух сторон. Другие вибраторы из-за значительной расстройки возбуждаются слабее, и их влияние на излучаемое поле невелико. В активной области более длинный вибратор является рефлектором, а более короткий — директором. Совместное излучение нескольких вибраторов активной области усиливается в направлении вершины антенны и компенсируется в обратном направлении. Диаграмма направленности ЛПА (рисунок 2.2) из-за направленных свойств вибратора в плоскости Е (в плоскости, содержащей вибраторы) уже диаграммы в плоскости Н (в плоскости, перпендикулярной осям вибраторов).
Достоинством логопериодической антенны является ее сверхширокополосность. При правильном выборе размеров антенны удается в десятикратном диапазоне волн получать почти неизменные характеристики направленности при коэффициенте стоячей волны менее 1,5—1,7.
Недостатком логопериодической антенны является сравнительно низкое значение ее коэффициента усиления, так как активная область включает только небольшую часть всех вибраторов антенны (обычно от трех до пяти) [7].
Мини-лекции. Антенны. Логопериодические
Самое больное место обычных антенн, это узкая полоса частот. Попытки расширить полосу простыми способами, конечно же были. Например, увеличением диаметра вибратора как в случае с диполем Надененко. Но они не принесли желаемого результата. По данным из различных источников диполь Надененко перекрывает частоты всего лишь в 2,5-3,0 раза. Причём условие широкополосности должно выполняться с постоянным входным сопротивлением и ДН (диаграммы направленности). А, вот тут-то и началось. Короче на все 100% пятилетку в три года не получилось. Если радиолюбители как-то выкручиваются, охватывая только участки диапазона, то служебных станций меняющих свои частоты, такое положение явно не устраивает!
1957 г. Некто Р. Г. Дюамель и Д. Э. Избелл из университета штата Иллинойс представили широкой радиотехнической общественности совершенно новый тип антенны! Так называемую ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКУЮ АНТЕННУ (ЛПА). Наибольшее распространение получила ЛПА на основе вибраторов и получившую погоняло ЛПВА (логопериодическая вибраторная антенна). О такой вот антенне мы и поговорим. Вот такие антенны (если есть ещё какие-то?) называют ЧАСТОТНО-НЕЗАВИСИМЫМИ
Чем же такая антенна отличается от других широкополосных? Отличается тем, что может быть изготовлена и рассчитана на сколь угодно широкую полосу частот. И главное, на рабочей области частот не изменяет свои электрические параметры при перекрытии частот 20:1 и более. Что же такого хитрого таит в себе наша ЛПВА? На рис.1 Вы и видите схему такой вот ЛПВА. Внешне антенна напоминает директорную антенну с той лишь разницей, что питание подключено не только к основному вибратору, но и ко всем остальным. Во-первых, за счёт пространственной связи ток в вибраторе 6 опережает ток в вибраторе 5, а в 4 отстаёт. Во-вторых, все они с точки зрения фазовых соотношений кроме пространсвенных связей добавляется сдвиг через фидер. Кроме того подключение вибраторов к противоположным проводам создаётся дополнительный сдвиг на 180°. Итак, каждый вибратор железно настроен на свою резонансную частоту. В СССР существовал радиоприёмник 1-го класса «МИР» большой сундук, легко переносимый двумя военнослужащими! :-)) У него была, естественно и большая вертикальная шкала. И такая же большая и широкая стрелка-указатель которая и указывала на какой частоте (волне) Вы сейчас и находитесь?. А, теперь, посмотрите на рис.1 вдоль вибраторов широкая (как в «МИРЕ») полоса-указатель на какой частоте (волне) мы и находимся. В том смысле, что по линии питания приходит ток частоты равной резонансной вибратора 5 (ламбда 0). А почему полоса захватывает ещё два вибратора 4 и 6? Ну в «МИРЕ» мы как бы тоже захватываем частоты с двух сторон, но это только зрительно. На самом деле лишь небольшую полосу самого сигнала. А широкая стрелка лишь для солидности! И ширина не имеет никакого значения в выборе частот.
А, Вам три вибратора захваченных жёлтой полосой ничего не напоминает рис.2? Совершенно верно! Это трёхэлементная антенна «волновой канал». И если в ней фазовые сдвиги в рефлекторе и директоре регулируются расстоянием от вибратора, то в нашей антенне они забиты намертво скрещивающимися линиями. И вибратор 6 работает как рефлектор, а 4 — директор. Да и остальные как-то участвуют. Но чем дальше от вибратора, тем слабее. Так, что жёлтую полосу назовём АКТИВНОЙ областью. Меняя скажем в генераторе частоту мы как бы двигаем и жёлтую «стрелочку-указатель». А наша антенна не особо напрягаясь спокойно работает на частотах задаваемых генератором. И в каждый момент у нас работают, передавая эстафету три вибратора. Роли конечно с изменением частоты меняются. А, какой же диапазон частот у такой антенны? Во-первых это зависит от числа вибраторов и их резонансных частот. Во-вторых, учитывая работу трёх вибраторов, для их нормальной работы должны быть выполнены условия рис.6e.
Усилительные свойства вот такой, экспериментальной антенны примерно равны той самой трёхэлементной антенне рис.2! Ведь остальные только добавляют комплексные сопротивления, не влияющие на работу антенны. Так, что в любой момент работают только три вибратора. Особенность такой антенны, её постоянство входного сопротивления и главное ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ. Что в случае других широкополосных антенн такого постоянства (ДН) добиться не получается, увы! Увеличение усилительных свойств антенны можно добиться увеличением числа вибраторов. И здесь число рефлекторов и директоров увеличится. Если честно, то расчёт такой антенны весьма затруднительный. Исходя из экспериментальных данных такая антенна имеет усиление до 10dBd. Трёхэлементная только 4,5 dBd! Здесь имеется в виду усиление антенны относительно ПОЛУВОЛНОВОГО ДИПОЛЯ [d]! Если Вы встретите оценку усиления в виде dBi то это относительно СФЕРИЧЕСКОГО (ИЗОТРОПНОГО) ИСТОЧНИКА [i]! Если он, конечно у Вас есть?! :-))
Так, почему же наша антенна называется ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКОЙ? Во-первых, посмотрите на рис.1 и в сравнение рис.3. Вы не видите некоторого сходства? На рис.3 логарифмическая шкала частот. Во-вторых все эти чёртовы вибраторы собраны до кучи не от балды, а по определённому закону! А, именно? Вот на рис.6 три формулы основные, раскрывающие «тайну» ЛОГО?! Начнём с 6а. Здесь безразмерный коэффициент подобия [тау] связывает длины вибраторов l и расстояния от вершины треугольника и до каждого вибратора R. Отчего, по формуле 6b видим зависимость очередной частоты от предыдущей. Где [тау] выступает как множитель. В нашем случае, если взять самую высокую частоту из частотного диапазона антенны, то следующая частота будет ниже в [тау] раз. И стало быть длина вибратора будет длиннее предыдущего также в [тау] раз!
Из этой же формулы выведем зависимость [тау] от соотношения частот. После чего прологарифмируем и получим формулу 6c. На логарифмической шкале наши частоты будут повторяться через одинаковые интервалы. Теперь понятно почему антенне дали такое погоняло как ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ?! С большой погрешностью для нашей антенны рис.1 ln(тау) равен 0,22!
В свою очередь [тау] зависит от выбранного нами острого угла [а], формулы рис.6d. Уменьшение угла ведёт к увеличению [тау], что в свою очередь к увеличению числа вибраторов и увеличению усиления. Вот такая ЗАГАГУЛИНА получается?!
И напоследок. Такой тип ЛОГО не единственный. Вот на рис.5,7 варианты: треугольная и трапецеидальная антенны. На рис.4 две ДН для Е и Н плоскости. При а=14° и [тау] равного 0,86. Как видите, очень сильно подавлены как задний, так и боковые лепестки! Вот только основной лепесток, с точки зрения ширины ДН оставляет желать лучшего!
На рис.8 фото антенны (как бы промышленного изготовления). Такая у меня купленная где-то в начале девяностых. Сейчас она немного укороченная по ширине, убраны самые длинные вибраторы. Короче смотрю цифровое TV. халявное. Два мультиплекса с частотами: 546 мГц и 770 мГц. А, причём здесь голубая штучка? Это наследие аналогового телевидения. У нас долгое время (с 1958-го?) были каналы метрового диапазона с горизонтальной поляризацией. И из-за какого-то дебила в соседней области, канал районного ретранслятора назначен был точно такой же как и у нас! И если в городе мы это не ощущали, то в районах граничащих с соседним очень даже! Каким местом идиоты думали? Долго-долго думали, и? И построили в 30 км. от города новую вышку с высотой в 300 м. Кроме того антенны стояли уже с вертикальной поляризацией, ну, чтобы там на границе хоть как-то развязать частоты. Вот почему именно для нашей области и присобачили к ЛОГО с горизонтальной поляризацией, штыри для вертикальной. А, уже позже моча цифровая стукнула и началось.
4.7. ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ
Направленные свойства большинства антенн изменяются при изменении длины волны принимаемого сигнала. У узкополосных антенн резко падает коэффициент усиления, а у широкополосных его изменение носит монотонный характер. Один из типов антенн с неизменной формой диаграммы направленности в широком диапазоне частот — антенны с логарифмической периодичностью структуры ЛПА. Эти антенны отличаются широким диапазоном: отношение максимальной длины волны принимаемого сигнала к минимальной превосходит десять. Во всем диапазоне обеспечивается хорошее согласование антенны с фидером, а коэффициент усиления практически остается постоянным.
Внешний вид ЛПА показан на рис. 4.11,а. Она образована собирательной линией в виде двух труб, расположенных одна над другой, к которым крепятся плечи вибраторов поочередно через один. Схематически такая антенна показана на рис. 4.11,6. Сплошными линиями изображены плечи вибраторов, соединенные с верхней трубой собирательной линии, а штриховой линией — соединенные с нижней трубой. Рабочая полоса частот антенны со стороны наибольших длин волн зависит от размеров наиболее длинного вибратора В1, а со стороны наименьших длин волн — от размера, наиболее короткого вибратора. Вибраторы вписаны в равнобедренный треугольник с углом при вершине а и основанием, равным наибольшему вибратору. Для логарифмической структуры полотна антенны должно быть выполнено определенное соотношение между длинами соседних вибраторов, а также между расстояниями от них до вершины структуры. Это соотношение носит название периода структуры т:
Таким образом, размеры вибраторов и расстояния до них от вершины треугольника уменьшаются в геометрической прогрессии. Характеристики антенны определяются периодом структуры и углом при вершине описанного треугольника. Чем меньше угол а и чем больше период структуры т (который всегда остается меньше единицы), тем больше коэффициент усиления антенны и меньше уровень заднего и боковых лепестков диаграммы направленности. Однако при этом увеличивается число вибраторов структуры, растут габариты и масса антенны. Поэтому при выборе угла и периода структуры приходится принимать компромиссное решение. Наиболее часто угол а выбирают в пределах 30. 60°, а период структуры т -в пределах 0, 7. 0, 9.
Подключение фидера к ЛПА, показанной на рис. 4. 11, а, производится без специального симметрирующего и согласующего устройства следующим образом. Кабель с волновым сопротивлением 75 Ом вводится внутрь нижней трубы с конца А и выходит у конца Б. Здесь оплетка кабеля припаивается к концу нижней трубы, а центральная жила — концу верхней трубы. В зависимости от длины волны принимаемого сигнала в структуре антенны возбуждаются несколько вибраторов, размеры которых наиболее близки к половине длины волны сигнала. Поэтому ЛПА по принципу действия напоминает несколько антенн «Волновой канал», соединенных вместе, каждая из которых содержит вибратор, рефлектор и директор. На данной длине волны сигнала возбуждается только одна тройка вибраторов, а остальные настолько расстроены, что не оказывают влияния на работу антенны. Это приводит к тому, что коэффициент усиления ЛПА оказывается меньше, чем коэффициент усиления антенны «Волновой канал» с таким же числом элементов, но зато полоса пропускания получается значительно шире.
Как видно из приведенных конструкций антенн бегущей волны и логопериодических, для достижения широкополосности используется принцип взаимной расстройки элементов антенны подобно тому, как в широкополосных усилителях расширение полосы пропускания достигается взаимной расстройкой контуров. Как для усилителей, так и для антенн можно считать общим принципом постоянство для данной конструкции произведения коэффициента усиления на полосу пропускания. Чем шире полоса пропускания, тем меньше коэффициент усиления при данных габаритах антенны.
В радиолюбительской литературе проводилось много различных вариантов ЛПА. Здесь можно предложить конструкцию ЛПА, рассчитанной на работу в диапазоне 12-метровых каналов, размеры которой сведены в табл. 4. 8.
Таблица 4. 8 Размеры 12-канальной ЛПА, мм
В таблице приводится длина В каждого вибратора в соответствии с рис. 4. 11, 6, а также расстояние от данного вибратора до следующего — А. Собирательная линия образована двумя трубами диаметром 30 мм при расстоянии между осевыми линиями труб 45 мм. Антенна содержит 10 вибраторов (20 половинок), которые выполнены из трубок диаметром 8. 15 мм. Расчет антенны проведен, исходя из значении угла при вершине описанного треугольника а = 45° и периода структуры т = 0, 84. Расчетный коэффициент усиления антенны составляет 6 дБ, что соответствует увеличению напряжения сигнала на выходе этой антенны в 2 раза по сравнению с полуволновым вибратором. Коэффициент усиления практически не изменяется по диапазону. Длина труб собирательной линий составляет 2900 мм. Трубы немного выступают за точки установки самых коротких полувибраторов. Для обеспечения параллельности труб собирательной линии и их стяжки используют три пары брусков из оргстекла высотой 120 мм, шириной 50 мм и толщиной 25 мм, в которых делаются полуцилиндрические проточки глубиной 14 мм на расстоянии, соответствующем расстоянию между трубами. Каждая пара брусков стягивается винтами с гайками. Среднюю пару этих брусков устанавливают в центре тяжести антенны и крепят к мачте.
Антенна приведенной выше конструкции является плоской. Существуют также объемные конструкции логопериодических антенн, которые характеризуются тем, что трубы собирательной линии не параллельны, а разведены под некоторым углом. Вместо жестких вибраторов полотно антенны может быть выполнено из провода или антенного канатика. Описание конструкций двух таких антенн приводилось в журнале «Радио», 1960 г., № 8, а описание плоской упрощенной проволочной ЛПА — в журнале «Радио», 1963 г., № 5.
Но самая простая логопериодическая антенна может быть быстро выполнена из подручных материалов. Такая антенна показана на рис. 4. 12 и рассчитана на прием телевизионных передач дециметрового диапазона с 24-го по 51-й канал. Несущая конструкция треугольной формы собирается из деревянных брусков квадратного сечения 15х15 мм. Бруски скрепляются между собой треугольными фанерными косынками, прибитыми к брускам с одной стороны треугольника гвоздиками. С другой стороны в бруски 1 и 2 вбиваются гвоздики на расстояниях от точки А, указанных на рисунке. Полотно антенны образуют два куска медного провода 6 диаметром 1-1, 5 мм. Один кусок прямой формы прокладывается по бруску 4 до точки А, а второй, огибая гвоздики зигзагом, припаивается к прямому проводу в точке А и на пересечениях с ним. К вершине треугольника гвоздиками прибивается диск 5 из белой жести диаметром 40 мм с маленьким отверстием в центре. Антенна крепится к мачте из дерева или металла в центре тяжести, лежит в горизонтальной плоскости и вершиной треуголь-
Рис. 4. 12. Логопериодическая антенна ДМВ
ника направлена на передатчик. Полотно антенны располагается на верхней поверхности треугольника. Телевизионный кабель поднимается по мачте, подходит к середине бруска 3, подвязывается к бруску 4 по его нижней поверхности капроновой леской. В вершине треугольника оплетка кабеля припаивается к точке А, а центральная жила — к центру диска.
Антенну можно выполнить комнатной или наружной. В комнатном варианте вместо мачты применяется вертикальная стойка на тяжелой подставке. Антенну в комнате необходимо тщательно ориентировать и подобрать место установки, так как часто, сдвигая антенну, удается значительно улучшить изображение. На равнинной местности такая наружная антенна обеспечивает уверенный прием телепередач на расстоянии до 30 км от телецентра, хотя имеются сообщения телезрителей, принимающих этой антенной дециметровые программы Останкинского телецентра на расстоянии 80 км при хорошем качестве изображения.
10. Широкополосные антенны
Для построения многих современных систем радиосвязи, радиолокации и радиомониторинга ОВЧ—СВЧ диапазонов необходимы антенны, обладающие широкой полосой рабочих частот с коэффициентом перекрытия до 5—10 и более. Типичными представителями класса широкополосных антенн являются вибраторные логопериодические антенны (ЛПА), спиральные антенны, ТЕМ-рупоры, полосковые антенны Вивальди [2—5, 10].
10.1. Логопериодические вибраторные антенны
Логопериодические антенны относятся к классу сверхширокополосных антенн, обладающих практически постоянными формой ДН и входным сопротивлением при изменении частоты. Принцип действия ЛПА основан на принципе электродинамического подобия, согласно которому при изменении длины волны и размеров антенны в определенное одинаковое число раз характеристики антенны остаются неизменными. Существует множество модификаций ЛПА. Рассмотрим вариант вибраторной ЛПА, приведенной на рис. 10.1 [10].
Рис. 10.1. Вибраторная ЛПА
Антенна выполняется в виде решетки из симметричных электрических вибраторов, подключенных к двухпроводной линии передачи. Возбуждение осуществляется без симметрирующего устройства с помощью коаксиальной линии, проложенной внутри одного из цилиндрических проводников двухпроводной линии. Длины вибраторов независимо от номера n (n=1; 2; . ) удовлетворяют соотношению
где τ — пространственный период структуры. Линии, соединяющие концы вибраторов, образуют угол α.
По принципу действия подобная ЛПА напоминает директорную антенну. На частоте f0 резонирует, т.е. возбуждается наиболее интенсивно вибратор, длина плеча которого близка к λ0/4, поскольку входное сопротивление этого вибратора можно считать активным. Другие вибраторы возбуждаются менее интенсивно, так как входное сопротивление их велико из-за большой реактивной компоненты. Активная область антенны, формирующая ЭМП излучения, включает обычно 3—5 вибраторов, в том числе резонирующий и соседние слева и справа. Фазовые соотношения токов в вибраторах активной области определяются длиной вибраторов, взаимным влиянием и переменно-фазным (поочередным) подключением их к разным проводникам питающей линии. При этом оказывается, что токи в более коротких вибраторах отстают, а в более длинных — опережают по фазе ток в резонансном вибраторе. Поэтому более короткие вибраторы работают как директоры, а более длинные — как рефлекторы. Максимальное излучение направлено в сторону вершины антенны (от самого длинного до самого короткого вибратора).
Если частота входных колебаний уменьшится и станет равной τf0, то начнет резонировать следующий, более длинный вибратор; при этом активная область переместится в сторону более длинных вибраторов. Напротив, при увеличении частоты активная область сместится к вершине антенны. На всех частотах
где n — номер вибратора; fn — резонансная частота n-го вибратора, свойства антенны остаются неизменными. В интервалах между резонансными частотами свойства антенны меняются, но незначительно. Логарифмирование (10.2) приводит к выражению lnfn=(n−1)lnτ+lnf1. В логарифмическом масштабе резонансные частоты повторяются через интервалы, равные lnτ, что и определило название антенны.
Таким образом, ширина рабочей полосы частот ЛПА снизу ограничивается допустимыми размерами самых длинных вибраторов (λmах≈4lmах), а сверху — возможной точностью выполнения вибраторов вблизи точек питания (λmin≈4lmin). ЛПА может сохранять практически неизменную форму ДН в почти десятикратном диапазоне частот (fmax/fmin≤10); при этом КСВ в питающей линии передачи находится в пределах 1,4 — 1,8. Заметим, что вследствие перемещения активной области по длине антенны с изменением частоты меняется также положение фазового центра антенны. Это несущественно, например, при приеме телевизионных сигналов, но принципиально при использовании ЛПА в качестве облучателя зеркальных антенн, а также в системах с широкополосными сигналами.
В связи с тем что активная (интенсивно излучающая) область образуется малым числом вибраторов, ДН ЛПА оказывается довольно широкой, причем в Е-плоскости, в которой расположены вибраторы, ширина ДН меньше, чем в Н-плоскости. Увеличение τ при неизменном α сужает ДН, так как увеличивается число вибраторов, входящих в активную область. Уменьшение угла α при неизменном τ также сужает ДН, поскольку при этом увеличивается расстояние между соседними вибраторами, т.е. активная область расширяется. Сказанное справедливо только до некоторых критических значений τmах≈0,95 и αmin≈10°. Типичные значения КНД (КУ) ЛПА составляют 6—7 дБ.
На практике применяются различные варианты ЛПА, как в плане конструкции, так и технологии изготовления [2, 3, 5, 10].