Многие классические многоэлементные направленные антенны рассчитаны на сравнительно узкую полосу частот. Но что делать, если нужные каналы расположены далеко друг от друга или нужно принимать сразу несколько диапазонов? Для таких случаев делают логопериодическую антенну. Её рабочая полоса настолько широкая, что одна антенна принимает далеко разнесённые каналы и несколько диапазонов без перестройки.
Что такое логопериодическая антенна
Логопериодическая антенна — это широкополосная направленная антенна, у которой длина элементов и расстояния между ними уменьшаются по одному закону: каждый следующий элемент короче предыдущего в одно и то же число раз, и расстояния между элементами сокращаются в то же число раз. Из-за такой самоподобной геометрии характеристики антенны повторяются при изменении частоты в одно и то же число раз, то есть периодически по логарифму частоты.
Сами элементы чаще всего делают полуволновыми диполями. Диполь — это два одинаковых отрезка провода или трубки на одной линии, вместе примерно в половину длины волны.
Идею предложили сотрудники Университета Иллинойса в США. В 1957 году Рэймонд Дюамель и Дуайт Исбелл опубликовали принцип таких структур. Вариант из диполей Исбелл разработал в 1958 году, а подробно описал в 1960-м, и именно он стал привычной логопериодической антенной. Уже в 1960-х такие антенны ставили на крышах для приёма телевидения.
Устройство логопериодической антенны
Для начала договоримся о сторонах. Передней стороной считаем ту, где расположены самые короткие элементы, и в её сторону антенна принимает сигнал. Задняя сторона — та, где стоят самые длинные.
Все элементы закреплены на штанге параллельно друг другу. Их длина плавно уменьшается от задней стороны к передней, а вместе с ней сокращается и расстояние между элементами. Концы элементов образуют клин, поэтому антенна напоминает «ёлочку».
Все элементы подключены к общей двухпроводной линии питания, а уже к ней присоединён кабель снижения, он же фидер, который идёт к приёмнику. Соседние элементы подсоединены к линии с чередованием, то есть по очереди то к одному проводу, то к другому. Линия идёт вдоль штанги, иногда зигзагом пересекая её, а в других конструкциях сами две параллельные штанги служат линией. Фидер подключают со стороны коротких элементов.
На задней стороне, позади самого длинного элемента, два провода линии питания иногда соединяют короткозамыкающей перемычкой. Такой короткозамкнутый участок линии влияет на согласование и может улучшать отношение вперёд/назад у нижней границы диапазона, а заодно защищает антенну от накопления статического заряда. Размеры перемычки зависят от конструкции, а в некоторых антеннах её нет. У антенн с перемычкой линия замкнута по постоянному току. Если усилителя нет, подачу питания 5 В на антенну в меню приставки обычно отключают, иначе некоторые приёмники сообщают о перегрузке.
Дипольная антенна симметрична, а коаксиальный кабель несимметричен, поэтому между ними ставят балун, то есть переход между симметричной и несимметричной линиями. Одни конструкции требуют балуна, а в других его функцию выполняет сам способ прокладки кабеля. Например, там, где линией служит сама штанга, кабель пропускают внутри одного из её проводников.
Как работает логопериодическая антенна
Главная особенность в том, что на любой частоте основную работу выполняет не вся антенна, а небольшая группа элементов. Элемент, длина которого близка к половине длины волны, играет роль основного излучателя. Если провести аналогию с Яги, более короткие элементы перед ним помогают формировать поле как директоры, а более длинные позади как рефлекторы, хотя на самом деле питание подведено ко всем элементам. Сколько элементов входит в эту группу, определяют параметры конкретной антенны. Остальные элементы тоже вносят вклад, но заметно меньший. Электрически антенна напоминает ряд небольших Яги, каждая из которых настроена на свою частоту.
Когда частота растёт, резонанс переходит к более коротким элементам, то есть к передней стороне. Когда падает, к более длинным, то есть к задней. Эту часть антенны, где идёт основная работа, называют рабочей областью, и она перемещается вдоль штанги вслед за частотой.
Усиление, диаграмма направленности и полоса частот
Рабочий диапазон задают размеры крайних элементов и шаг, с которым они уменьшаются. Самые длинные элементы определяют нижнюю часть диапазона, самые короткие верхнюю, а продолжая последовательность, можно расширять диапазон. Так полосу можно сделать очень широкой, от нескольких раз по частоте до десятикратного диапазона и больше. Конкретное отношение верхней частоты к нижней задают геометрия и число элементов. Для сравнения, в Яги дополнительные элементы в первую очередь повышают усиление, а не расширяют полосу.
В пределах полосы усиление логопериодической антенны мало меняется. У типичных моделей оно составляет примерно 6–10 дБи, то есть на 6–10 дБ больше, чем у антенны, принимающей одинаково со всех сторон. Для ориентира, 3 дБ соответствуют удвоению мощности. Точное значение определяют число элементов и их геометрия, поэтому единой цифры нет.
Яги с таким же числом элементов даёт заметно больше, потому что все её элементы работают на одну частоту, а у логопериодической на каждой частоте активна лишь их часть. Если сравнивать по длине штанги, разница меньше. По справочнику ARRL, хорошо рассчитанная логопериодическая антенна с длиной штанги трёхэлементной Яги даёт около 7 дБи. В одном из справочных примеров комбинированной телевизионной антенны, где обе части сопоставимы по размеру, у Яги на дециметровых волнах получали порядка 10–14 дБ, а у логопериодической части около 6,5 дБ. В паспортах ТВ-антенн усиление нередко указывают просто в дБ, не уточняя, дБи это или дБд. Пока единицы не уточнены, цифры двух моделей сравнивать нельзя.
Антенна принимает в одну сторону. Главный лепесток диаграммы направленности (графика чувствительности по направлениям) смотрит вдоль штанги туда, где стоят самые короткие элементы. Ширину луча считают по уровню половинной мощности, то есть в секторе, где мощность падает не более чем вдвое. У любительской коротковолновой антенны на 13–30 МГц в измеренной диаграмме она составляла 43° на частоте 14 МГц. В другой плоскости или у другой конструкции угол будет иным. Например, у одной измерительной модели на 105–1300 МГц ширина луча в зависимости от частоты составляет 60–70° в одной плоскости и 110–130° в другой. Для выбора антенны полезно и отношение вперёд/назад, то есть насколько слабее она принимает сигнал с противоположной стороны. Высокое значение помогает отсечь помехи и отражения, пришедшие сзади. У той же коротковолновой антенны оно около 14 дБ на 14 МГц и растёт до 21 дБ на 28 МГц, а у других конструкций значения иные.
Конструкцию описывают двумя числами. Масштабный коэффициент τ (тау) показывает, во сколько раз каждый следующий элемент короче предыдущего, и у практических антенн лежит в пределах от 0,8 до 0,98. При τ ближе к единице для той же полосы требуется больше элементов и более длинная антенна. Коэффициент σ (сигма) определяет шаг между элементами относительно их длины и обычно составляет 0,05–0,2. Вместе эти два параметра определяют усиление и ширину диаграммы направленности.
Поляризация
Электрическое поле радиоволны колеблется в определённой плоскости, и антенна лучше всего принимает ту волну, плоскость колебаний которой совпадает с направлением её элементов. Эту плоскость и называют поляризацией. У логопериодической антенны элементы прямые, поэтому поляризация линейная. Горизонтальные элементы принимают горизонтально поляризованный сигнал, вертикальные вертикально поляризованный. Поляризацию меняют поворотом антенны на 90° вокруг направления на передатчик.
В России цифровое эфирное телевидение, как правило, вещается с горизонтальной поляризацией. У отдельных передатчиков она может быть вертикальной. Для мобильной связи положение антенны подсказывает инструкция к оборудованию. Бывают и двухполяризационные модели с двумя взаимно перпендикулярными наборами элементов, которые позволяют работать с двумя линейными поляризациями.
Виды логопериодической антенны
Логопериодический принцип можно воплотить по-разному.
Основные структуры
Это разные способы воплотить логопериодический принцип в металле.
Дипольная
Классическая антенна, о которой в основном и идёт речь в статье, состоит из ряда прямых параллельных полуволновых диполей, подключённых к общей линии питания.
V-образная
Элементы здесь наклонены к вершине антенны, как буква V, поэтому говорят ещё об антенне с наклонными плечами. Конструкцию предложили Пол Мэйес и Роберт Каррел из Университета Иллинойса в 1961 году. Наклон позволяет использовать не только основной полуволновой режим, но и высшие нечётные резонансы. В одной из телевизионных антенн 1960-х годов наклонные элементы применили потому, что в верхнем диапазоне они работают на третьей гармонике, а в расчётах из справочника ARRL речь идёт и о более высоких режимах. Поэтому одна такая антенна способна принимать сразу в нескольких диапазонах, частоты которых связаны этим соотношением, например в любительских диапазонах от 7 до 54 МГц. На высших гармонических режимах наклон элементов к вершине может повышать усиление примерно на 3–5 дБ.
Монопольная
Вместо диполей на линию питания подключены монополи, то есть одиночные стержни, у которых вместо второй половины диполя работает проводящая опорная поверхность или экран. Такую антенну удобно ставить на большую металлическую поверхность. Встречаются и проволочные варианты.
Зигзагообразная
Здесь нет отдельных диполей, излучателями служит сама линия питания, которой придана форма зигзага. Элементы подключены последовательно, а не параллельно, как в дипольной антенне. Такие антенны используют на мощных передающих станциях коротковолнового вещания, ведь благодаря широкой рабочей полосе одна антенна может перекрывать несколько коротковолновых вещательных диапазонов. Например, в справочной литературе описаны антенны на частоты от 6 до 26 МГц, строили и варианты примерно от 2 МГц. Число секций доходит до 16, допустимая мощность до 500 кВт, а усиление составляет около 14 дБи.
Планарная, зубчатая и трапециевидная
В планарных логопериодических антеннах проводящая структура выполнена в одной плоскости. Один из ранних вариантов, которые описали Дюамель и Исбелл, — зубчатая структура, где размеры зубцов меняются по логопериодическому закону. Зубцы бывают треугольными и трапециевидными. Такие антенны применяют и как облучатели зеркальных антенн, то есть «тарелок». Если металл и вырезы между зубцами одинаковы по форме, так что после замены металла пустотой и наоборот структура совпадает сама с собой, её называют самокомплементарной. У идеальной бесконечной антенны такого типа входное сопротивление не зависит от частоты, а у реальной конечной оно остаётся сравнительно стабильным в рабочей полосе.
Щелевая
В щелевом варианте роль излучателей выполняют щели в проводящем листе, а их размеры и положение изменяются по логопериодическому закону.
Со спиральными диполями
Прямые диполи здесь заменены спиральными, то есть проволока элемента навита спиралью, и поэтому он получается короче при той же рабочей частоте. Такие решётки исследовали в Университете Иллинойса. Это логопериодическая решётка, в которой прямые диполи заменены укороченными спиральными элементами, а не логарифмическая спиральная антенна, о которой сказано ниже.
Варианты исполнения и компоновки
Это не новый принцип, а способ изготовить или скомпоновать ту же логопериодическую антенну.
Печатная
Элементы выполнены в виде проводящих дорожек на диэлектрической плате. Антенна получается плоской и компактной, такую плату можно встроить в корпус устройства.
Меандровая
Плечи диполей в ней изогнуты меандром, то есть ломаной линией, чтобы элементы получились короче. Меандрирование уменьшает размеры элементов и позволяет сделать антенну компактнее, хотя её полоса, сопротивление и усиление могут отличаться от антенны с прямыми диполями.
Проволочная
На низких коротковолновых диапазонах элементы делают из проволоки, а не из труб, и натягивают на мачтах или лёгком каркасе. Например, «Телерана» (по-испански «паутина») для диапазона от 12,1 до 30 МГц состоит из 13 диполей на каркасе из четырёх стеклопластиковых шестов и даёт 6,7 дБи. Она настолько лёгкая, что её можно поднять руками.
Сдвоенная
Две одинаковые антенны ставят одну над другой и питают синфазно. Конструкция даёт больше усиления. Например, у коротковолновой зигзагообразной антенны с усилением около 14 дБи сдвоенный вариант даёт до 17 дБи.
Скрещённая и двухполяризационная
Две логопериодические антенны располагают под углом 90° друг к другу, и они принимают две взаимно перпендикулярные линейные поляризации. Если питать обе антенны с одинаковой амплитудой и сдвигом фаз 90°, получится круговая поляризация, как у кросс-Яги.
С паразитными элементами
К логопериодической ячейке из нескольких диполей добавляют обычные для Яги рефлектор и директоры. Такие гибридные конструкции встречаются под названием Log-Yag. Они повышают усиление и отношение вперёд/назад на одном выбранном диапазоне. В расчётном примере из справочника ARRL для диапазона 14 МГц получили 8,7 дБи и теоретическое отношение вперёд/назад 32 дБ.
Родственные антенны
Логопериодический принцип не единственный способ получить широкую полосу.
Логарифмическая спиральная
Логарифмическая спиральная антенна тоже работает в широкой полосе, но относится к другому семейству частотно-независимых антенн. Строго к логопериодическим её не причисляют.
Чем логопериодическая антенна отличается от Яги и Харченко
В Яги непосредственно питается один вибратор, а рефлектор и директоры пассивны. У логопериодической антенны все диполи связаны с общей линией питания. Яги может дать больше усиления, зато работает в узкой полосе. Логопериодическая уступает по усилению, зато может охватывать диапазон в несколько раз и даже на порядок по частоте. Поэтому раньше нередко ставили комбинированные телевизионные антенны, где логопериодическая часть принимала метровые каналы, а Яги дециметровые.
Антенна Харченко тоже сравнительно широкополосная, но логопериодическая позволяет спроектировать намного более широкий рабочий диапазон благодаря последовательности элементов разных размеров.
Выбор зависит от задачи. Если нужные каналы расположены близко и нужен запас по усилению, подойдёт Яги. Если каналы далеко друг от друга или нужно принимать сразу несколько диапазонов, выбирают логопериодическую.
Для чего применяется логопериодическая антенна
Эфирное телевидение
Логопериодическую антенну ставят для приёма цифрового телевидения, которое вещается в основном в дециметровом диапазоне. Широкая полоса выручает, когда каналы региона расположены далеко друг от друга по частоте. Для метровых каналов есть отдельные или всеволновые модели.
Подробнее о выборе и настройке антенны для эфирных каналов мы писали в статье про эфирное цифровое телевидение.
Мобильный интернет 3G и 4G
Логопериодическая антенна подходит, когда нужно принимать сразу несколько диапазонов мобильной сети. Например, рабочая полоса одной из заводских антенн для усилителей сотовой связи (репитеров) охватывает сразу 698–960 и 1710–2700 МГц. Если у модема два антенных разъёма (режим MIMO), понадобятся две антенны с разной поляризацией или одна двухполяризационная. Модем использует два независимых антенных тракта, и одна однополяризационная антенна не обеспечивает полноценную работу обоих. Если интернет нужен в частном доме, мы поможем с подбором и подключением оборудования.
Радиолюбительская связь и измерения
Радиолюбители ставят логопериодические антенны, чтобы работать в нескольких диапазонах без перестройки, например в коротковолновых диапазонах от 14 до 30 МГц (от 20 до 10 метров). В измерениях такие антенны применяют для оценки напряжённости поля и мониторинга радиоэфира в широкой полосе.
Размеры и расчёт логопериодической антенны
Размеры определяются рабочим диапазоном. В первом приближении самый длинный элемент имеет размер порядка половины длины волны на нижней границе рабочего диапазона, а самый короткий соответствует верхней частоте. Длину волны в метрах находят делением 300 на частоту в мегагерцах. Вот как это выглядит для разных диапазонов. Самый длинный элемент антенны, рассчитанной на нижнюю частоту, имеет длину:
- около 32 см для 470 МГц (дециметровые телевизионные каналы)
- около 86 см для 174 МГц (метровые телевизионные каналы)
- около 1 м для 145 МГц (радиолюбительский диапазон)
- около 10,7 м для 14 МГц (коротковолновая связь)
Такую антенну делают и самостоятельно, а схемы с калькуляторами для своего диапазона легко найти в интернете.
Вопрос-ответ
На что смотреть при выборе логопериодической антенны?
Проверьте следующее:
— перекрывает ли рабочая полоса нужные каналы или диапазоны, причём с запасом по краям;
— в каких единицах указано усиление, ведь дБи и дБд различаются примерно на 2,15 дБ;
— совпадает ли поляризация антенны с поляризацией передатчика;
— подходит ли тип антенны к месту установки, комнатная при сильном сигнале или наружная при слабом;
— есть ли встроенный усилитель и нужен ли он вам.
Какой диапазон частот у логопериодической антенны?
Единого диапазона нет, каждая модель рассчитана на свой. Телевизионные антенны делают на дециметровые каналы (от 470 МГц), на метровые или на оба диапазона сразу. У измерительных моделей верхняя частота бывает в десять раз и более выше нижней, например у одной из них полоса составляет от 105 до 1300 МГц, а у любительской коротковолновой антенны это может быть участок от 13 до 30 МГц. Границы диапазона для конкретной модели проверяйте в паспорте.
Что значит «пассивная» логопериодическая антенна и нужен ли усилитель?
Пассивная антенна не содержит встроенного усилителя и не требует питания, а при необходимости к ней подключают внешний. У активной усилитель встроен и получает питание от приставки или отдельного блока, а в меню приставки питание антенны тогда нужно включить. Усилитель не улучшит плохой сигнал, потому что вместе с полезным он усиливает и часть помех. Он помогает, если сигнал ослабевает на пути от антенны к приставке, то есть в длинном кабеле или делителе, а рядом с вышкой обычно не нужен.
Подойдёт ли комнатная логопериодическая антенна?
Комнатная модель подойдёт там, где уровень сигнала в помещении достаточно высокий. При слабом сигнале нужна наружная антенна, которую можно поднять выше и направить на вышку.
Комментарии