Logische Periodieke Dipool Array Antenne: Een complete gids

Technologie gaat in de wereld van vandaag met sprongen vooruit. Communicatie speelt een grote rol in deze snelle groei en antennes zijn een van de meest cruciale onderdelen. Log Periodic Dipole Array Antennas (LPDA Antenna) zijn belangrijk in moderne omroep- en telecommunicatiesystemen. Log periodic dipole array antennes zijn directionele antennes met meerdere elementen die in een specifiek patroon zijn gerangschikt. De lengte van de antenne-elementen neemt over het algemeen af naar de voorkant van de antenne en met elementen van verschillende lengte zijn ze in staat om verschillende frequenties op te pikken, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen die robuuste en veelzijdige communicatieoplossingen in verschillende frequenties vereisen. Ze worden log periodieke antennes genoemd omdat de impedantie van deze antennes een logaritmisch periodieke functie van hun frequentie is. Periodieke logantennes worden over het algemeen gebruikt voor toepassingen waarbij verschillende frequenties onder verschillende hoeken en verschillende frequenties moeten worden uitgezonden of ontvangen, zoals televisie-uitzendingen, breedbandmonitoring en meetsystemen, enz.

Geschiedenis en ontwikkeling van de LPDA-antenne

De periodieke antenne wordt beschouwd als een uitvinding van de Amerikaanse elektrotechnisch ingenieur Dwight E. Isbell en zijn collega Raymond DuHamel in de periode 1957-1958 en zij publiceerden hierover een artikel. Later werd het concept verder ontwikkeld door Paul Mayes. Het concept van de log-periodieke antenne werd gepatenteerd door de Universiteit van Illinois in de VS na het werk van deze uitvinders. Er wordt echter ook aangenomen dat het in 1952 werd uitgevonden door John Dunlavy, maar hij kreeg niet de eer die hem toekwam omdat het een geheime missie was tijdens zijn werk voor de Amerikaanse luchtmacht.

Ontwerpkenmerken van log-periodieke antenne

Log-periodieke antennes bestaan uit meerdere dipoolelementen van verschillende lengte en afstand die in een lineaire of vlakke configuratie zijn gerangschikt. Over het algemeen zijn ze zo gerangschikt dat de lengte van de elementen afneemt naar de voorkant van de antenne toe en met afwisselende fase tussen de elementen in specifieke intervallen volgens een logaritmische functie van de frequentie. Deze antenne-elementen zijn meestal gemaakt van geleidende materialen, zoals aluminium of koper, en parallel gemonteerd aan weerszijden van een draagstructuur die meestal gemaakt is van een niet-geleidend materiaal. De prestatiekenmerken van de log-periodieke antenne zijn afhankelijk van de lengte, de afstand, het faseverschil en het logaritmische verloop van de elementen.

Logvormige periodieke antennes werken volgens het principe van frequentieafhankelijke faseomkering. Elk element resoneert op een andere frequentie en als de frequentie toeneemt, beweegt het resonerende element naar de kleinere elementen toe, waardoor een golfvormig signaal ontstaat dat langs de centrale structuur beweegt. Dit mechanisme zorgt voor een breedband frequentierespons met een consistente versterking en impedantie in logische periodieke antennes.

Belangrijkste parameters

Gezien de belangrijkste prestatieparameters van log-periodieke antennes zijn ze in staat om in meerdere frequentiebanden te werken. Log-periodieke antennes kunnen werken over een breed frequentiebereik, van enkele megahertz tot meerdere gigahertz, afhankelijk van hun ontwerp. Log-periodieke antennes hebben een relatief hoge versterking door hun stralingspatroon en richtingsgevoeligheid. Ze kunnen werken met een piekversterking van ongeveer 10-11dBi en de versterking varieert meestal tussen 5 en 15 dBi. Het operationele bereik van een log-periodieke antenne hangt af van al deze factoren, zoals de frequentie, de versterking en ook van de omgevingsfactoren en eventuele obstakels of storingen. Log periodieke antennes gebruiken in de meeste gevallen normale N type vrouwelijke connectoren en worden meestal op een paal of mast gemonteerd. Maar dit kan variëren afhankelijk van het type antenne, omdat ze ook verkrijgbaar zijn in zeer compacte paneelachtige ontwerpen.

Belangrijkste kenmerken van de periodieke antenne

Enkele van de belangrijkste kenmerken van een log-periodieke antenne zijn het breedbandige frequentiebereik, de richtversterking en het compacte ontwerp.

• Breedband frequentiebereik

Logvormige periodieke antennes kunnen, dankzij de aanwezigheid van geleidende antenne-elementen van verschillende lengte, werken over een breed frequentiebereik. Door hun dekking over een breed frequentiespectrum zijn ze een geschikte antenneoptie voor verschillende communicatie- en RF-toepassingen. Hierdoor kunnen gebruikers een enkele antenne gebruiken om te communiceren via verschillende kanalen op verschillende frequenties. Periodieke antennes zijn dus uiterst nuttig in toepassingen waar de bedrijfsomgeving dynamisch is of snel verandert, omdat ze in dergelijke scenario's voor stabiele en ononderbroken communicatie kunnen zorgen.

• Richtinggevoelige versterking

Log-periodieke antennes hebben een stabiele versterking, wat een belangrijk voordeel is. Ze zijn in staat om een hoge en stabiele richtversterking te behouden, zelfs wanneer de frequentie varieert of fluctueert. Op die manier kunnen periodieke antennes een consistente richtversterking leveren op verschillende frequentiebanden. Door hun hoge richtingsversterking zijn ze in staat om de signalen in een bepaalde richting te richten en zo het communicatiebereik in die richting te vergroten. Deze eigenschap maakt periodieke antennes ideaal voor toepassingen die effectieve en nauwkeurige communicatie over lange afstanden vereisen.  

• Compact ontwerp

Logvormige periodieke antennes hebben een eenvoudig ontwerp en structuur. Ze zijn over het algemeen compact en kunnen dus gemakkelijk worden gebruikt in toepassingen met beperkte ruimte. Ze kunnen gemakkelijk worden gebruikt in zowel statische als mobiele toepassingen. Periodieke logantennes zijn relatief eenvoudig te fabriceren en te installeren dankzij hun compacte ontwerp.

Soorten logische periodieke antennes

Log-periodieke antennes zijn verkrijgbaar in verschillende vormen en frequenties. Vier van de meest voorkomende soorten antennes worden hieronder besproken.

• Log Periodic Dipole Array (LPDA)

Dit is het meest voorkomende type log periodieke antenne. Zoals de naam al aangeeft, hebben LDPA-antennes een serie dipool antenne-elementen die in toenemende lengte zijn gerangschikt en langs beide zijden van een draagarm zijn gemonteerd. De antenne-elementen zijn parallel aangesloten op een voedingslijn en de langste dipool fungeert als reflector. De LPDA-antenne wordt over het algemeen gevoed vanaf het kortste halfdipoolelement via een enkele poort. LPDA's presteren meestal met uniforme ingangsimpedanties, VSWR en stralingskarakteristieken over een breed frequentiebereik. Dit type log-periodieke antennes wordt meestal gebruikt voor televisieontvangst en radiotoepassingen.

• Log-Periodieke Monopool Antenne

Log periodieke monopoolantennes lijken sterk op LPDA's. In deze variant worden monopolen gebruikt in plaats van

dipolen in de antennes en meestal gemonteerd op een geleidende grondplaat. Dit ontwerp heeft betere prestaties in termen van versterking en wordt vaak gebruikt in communicatiesystemen op de grond.

• Planaire Log-Periodieke Antenne

Bij dit type log-periodieke antenne zijn de antenne-elementen afgedrukt op een vlak substraat, vergelijkbaar met een PCB. Door hun compacte ontwerp zijn ze ideaal voor gebruik in kleinere apparaten met beperkte ruimte en voor mobiele toepassingen. Ze worden ook vaak gebruikt in radar- en microgolftoepassingen.

• Draad Log-Periodieke Antenne

Net als andere periodieke antennes hebben ook periodieke draadantennes meerdere antenne-elementen. In plaats van de typische massieve elementen bestaan deze antennes echter uit antenne-elementen van draden die op een stijf frame of een boomstructuur steunen.

Log-periodieke antennes vs. Yagi antennes

LPDA-antennes en Yagi-antennes lijken veel op elkaar. Ze hebben echter enkele belangrijke verschillen die ze uniek maken, zowel qua fysieke structuur en ontwerp als qua prestatieparameters.

Log-periodieke antennes hebben meestal een driehoekige structuur en bestaan uit meerdere antenne-elementen van verschillende lengte en afstand tot elkaar die in een specifieke array aan weerszijden van een boomachtige structuur zijn geplaatst. Yagi-antennes hebben een meer lineaire structuur met meerdere antenne-elementen die over het algemeen van dezelfde lengte zijn in tegenstelling tot log-periodieke antennes, gerangschikt in een array langs een boom-achtige structuur. Omdat de antenne-elementen even lang zijn, zijn Yagi-antennes iets gemakkelijker te bouwen en te fabriceren dan periodieke antennes. Log-periodieke antennes zijn iets complexer om te ontwerpen en te maken omdat de verschillende lengtes van de elementen, hun onderlinge afstand en faseverschillen nauwkeurig moeten worden berekend en geïmplementeerd. Yagi antennes zijn over het algemeen ook omvangrijker dan log periodieke antennes. Periodieke antennes zijn echter gemakkelijker te installeren dan yagi antennes omdat Yagi antennes nauwkeuriger uitgelijnd moeten worden voor optimale prestaties in een bepaalde richting.

Met het oog op de prestatieparameters zijn zowel log-periodieke antennes als Yagi-antennes beschikbaar in een breed frequentiebereik. Log-periodieke antennes werken over het algemeen in frequentiebereiken tussen 30 en 4200 MHz, terwijl Yagi-antennes werken tussen 30 en 3000 MHz. Log-periodieke antennes hebben een breder stralingspatroon en dus een lagere versterking en zijn minder richtingsgevoelig dan Yagi-antennes. Yagi-antennes zijn zeer richtingsgevoelig en hebben een smalle bandbreedte en daardoor een veel hogere versterking in een bepaalde richting. De signalen van een Yagi-antenne worden gefocust in een dekkingsgebied met een hoek van ongeveer 45 tot 90 graden, terwijl log-periodieke antennes een veel breder dekkingsgebied hebben doordat ze antenne-elementen van verschillende lengte en afstand hebben.

Log-periodieke antennes en Yagi-antennes verschillen ook wat betreft hun toepassingen. Log-periodieke antennes worden meestal gebruikt in toepassingen waarbij de signalen in meerdere richtingen en op meerdere verschillende frequenties tegelijk verzonden en ontvangen moeten worden. Ze worden gebruikt in LPWAN, LoRa, LTE-M, NB-IoT, IoT, M2M-toepassingen, enz. Yagi-antennes zijn beter voor point-to-point communicatiesystemen zoals in omroep-, huishoudelijke en commerciële radiocommunicatietoepassingen omdat ze zeer richtingsgevoelig zijn en een hoge versterking hebben in een specifieke richting.

De initiële installatiekosten en onderhoudskosten voor Yagi-antennes en periodieke antennes zijn beide relatief gelijk. Periodieke logantennes worden echter over het algemeen als veelzijdiger beschouwd omdat ze kunnen worden gebruikt voor gebruikssituaties die verschillende frequenties vereisen. Yagi-antennes hebben regelmatiger onderhoud nodig om hun prestaties in één richting optimaal te houden.

Voordelen van logvormige periodieke antennes

Log-periodieke antennes zijn een zeer veelzijdig type antenne dat wordt gebruikt in verschillende communicatiesystemen vanwege de belangrijkste voordelen op het gebied van prestaties. Hieronder worden enkele van deze voordelen besproken.

• Grote bandbreedte

Log-periodieke antennes zijn in staat om een breed frequentiebereik te bestrijken en kunnen door hun grote bandbreedte in meerdere frequentiebanden werken zonder dat afstemming of aanpassingen nodig zijn. Daarom worden periodieke logantennes beschouwd als veelzijdig omdat een enkele antenne meerdere antennes kan vervangen die ontworpen zijn voor verschillende frequentiebereiken. Hierdoor zijn periodieke antennes veelzijdig en kosteneffectief.

• Directioneel stralingspatroon

Log-periodieke antennes hebben een gericht stralingspatroon. Hierdoor kunnen ze hun energie in een specifieke richting richten, waardoor ze ideaal zijn voor communicatie over lange afstanden. Het stralingspatroon van log-periodieke antennes heeft weinig zijlobben, wat betekent dat ze het grootste deel van hun energie in de gewenste richting uitstralen en zo min mogelijk energie verspillen in andere richtingen. Door hun gerichte patroon zijn ze beter bestand tegen interferentie van andere ongewenste signalen en obstakels. Dit helpt ook bij het verbeteren van de signaal-ruisverhouding.

• Hoge winst

Log-periodieke antennes hebben meestal een hogere versterking door hun gerichte stralingspatroon. Hierdoor kunnen ze signalen uitzenden en ontvangen over grotere afstanden en met een hoge efficiëntie. In communicatiesystemen is een hoge versterking een cruciale parameter om sterke en stabiele signalen te behouden over een groter bereik.

• Compact formaat

Log-periodieke antennes kunnen worden gebruikt in toepassingen met beperkte ruimte omdat ze over het algemeen klein en compact zijn in vergelijking met andere soorten antennes. Ze zijn ideaal voor zowel vaste als mobiele toepassingen.

In het algemeen bieden log-periodieke antennes belangrijke voordelen zoals een breed frequentiebereik, hoge versterking, directioneel stralingspatroon en compacte afmetingen, waardoor ze een veelzijdige en handige optie zijn voor verschillende toepassingen in communicatie en omroep.

Nadelen en beperkingen

Hoewel periodieke antennes enkele belangrijke voordelen hebben, zijn er zoals altijd ook enkele beperkingen.

• Complex ontwerp en constructie

Omdat logvormige periodieke antennes gebouwd zijn om op meerdere verschillende frequenties te werken, moet het ontwerp nauwkeurig zijn. Er moet rekening worden gehouden met de lengtes van de antenne-elementen, hun onderlinge afstand en plaatsing, het faseverschil tussen de elementen enz. Door de complexiteit van het ontwerp en de constructie zijn log-periodieke antennes relatief duur.

• Montage en onderhoud

De installatie en het onderhoud van een log-periodieke antenne kunnen enigszins complex en tijdrovend zijn omdat ze meerdere elementen hebben die een precieze afstand en plaatsing vereisen. Ook om ervoor te zorgen dat de antenne continu optimaal functioneert met stabiele en nauwkeurige signaaloverdracht en -ontvangst, is regelmatig onderhoud vereist voor log-periodieke antennes.

• Interferentie

Vooral in buitentoepassingen zijn periodieke antennes vaak onderhevig aan storingen van andere signalen en fysieke obstructies. Ze kunnen ook beïnvloed worden door weersomstandigheden zoals sterke wind, waardoor ze gevoelig zijn voor windbelasting.

Toepassingen van logvormige periodieke antennes

Zoals in het hele artikel besproken, zijn logvormige periodieke antennes uiterst veelzijdig en worden ze daarom gebruikt in diverse toepassingen in verschillende industrieën. Enkele veelvoorkomende toepassingen worden hieronder besproken.

• Televisie- en radio-uitzendingen

Log-periodieke antennes worden vaak gebruikt voor TV- en radio-uitzendingen om signalen te ontvangen en te verzenden omdat ze in een breed frequentiebereik kunnen werken, waardoor ze inhoud kunnen leveren via meerdere kanalen en stations. Dankzij het ontwerp en de prestatiekenmerken van periodieke antennes is het mogelijk om een enkele antenne te gebruiken voor meerdere frequentiebanden door periodieke antennes te gebruiken.

• WiFi

Periodieke log-antennes worden ook vaak gebruikt om WiFi-netwerken op te zetten. Ze kunnen worden gebruikt om signalen uit te zenden en te ontvangen voor WiFi-toepassingen omdat ze een stabiele en sterke draadloze internetverbinding kunnen bieden.

• Cellulaire netwerken

Net als WiFi-netwerken worden ze ook gebruikt in cellulaire netwerken om signalen van zendmasten uit te zenden en te ontvangen, waardoor mobiele communicatie mogelijk wordt. Door hun richtingsgevoeligheid en versterking kunnen ze signalen sterk in een bepaalde richting richten, waardoor ze verbindingen over lange afstanden tot stand kunnen brengen.

• Signaalversterkers

Log-periodieke antennes worden ook vaak gebruikt in signaalversterkers. Hun hoge versterking en directionaliteit verbeteren de sterkte en het bereik van signalen voor een betere ontvangst en transmissie, waardoor ze ideaal zijn voor signaalversterkers.

• Gedistribueerde antennesystemen (DAS)

Periodieke logantennes worden ook vaak gebruikt voor DAS-installaties. Hun grote bandbreedte, hoge versterking en directionaliteit zijn nuttig om de draadloze dekking en capaciteit van communicatiesystemen in grote gebouwen, stadions, luchthavens en andere openbare ruimten te verbeteren.

Installatie en onderhoud

Het installatieproces voor een periodieke antenne begint met de keuze van de locatie. Het is belangrijk om een locatie te kiezen met minimale obstructies en interferentie om optimale prestaties te garanderen. Er moet ook rekening worden gehouden met andere weersomstandigheden en omgevingsfactoren. Periodieke antennes worden meestal op een mast of paal gemonteerd om obstructies in de signaalroutes te minimaliseren. Het is belangrijk om de antennes stevig te bevestigen om stabiliteit en de juiste uitlijning te garanderen. Er moeten hoogwaardige coaxkabels en connectoren worden gebruikt om signaalverlies tijdens de transmissie te minimaliseren. Een andere factor waar rekening mee moet worden gehouden is een goede aarding, die cruciaal is om de antenne te beschermen tegen elektrische pieken die kunnen optreden. Het is essentieel om de antenne in de juiste oriëntatie te plaatsen en goed uit te lijnen voor optimale prestaties in een specifieke richting in een gewenst frequentiebereik. Ten slotte is het belangrijk om voldoende tests uit te voeren en de fijnafstemming te perfectioneren door de nodige aanpassingen uit te voeren om een optimale kwaliteit en betrouwbare prestatie van een periodieke antenne te verkrijgen.

Casestudies

Periodieke logantennes worden in veel industrieën gebruikt en hebben verschillende gebruikssituaties, zoals in het artikel wordt uitgelegd. Hieronder worden enkele van de echte scenario's en toepassingen van periodieke antennes beschreven.

• Uitzending

Log-periodieke antennes kunnen een breed frequentiespectrum bestrijken dankzij hun structuur met verschillende verlengde antenne-elementen en faseverschillen en worden daarom veel gebruikt in zowel radio- als televisie-uitzendingen. Daarom worden periodieke logantennes veel gebruikt in stedelijke gebieden en afgelegen gebieden om signalen over verschillende kanalen te verzenden en op een efficiënte en stabiele manier dekking te bieden.

• Militair en defensie

Log-periodieke antennes worden veel gebruikt in de militaire en defensie-industrie voor verschillende defensie- en veiligheidstoepassingen. Ze worden vaak gebruikt in vliegtuigen, satellieten, radarsystemen, militaire apparatuur enz. voor signaaloverdracht en -ontvangst. Periodieke Log-antennes kunnen betrouwbaar communiceren over een grote bandbreedte en een hoge richtingsgevoeligheid, waardoor ze ideaal zijn voor kritieke missies en bewakingsoperaties in het leger. In het leger en bij defensie gebruikt het legerpersoneel apparaten die gevoed worden door periodieke logantennes om verbonden te blijven op verschillende operationele locaties. Dit is mogelijk dankzij de betrouwbaarheid en stabiliteit van de signalen die worden verzonden en ontvangen via periodieke antennes. Ze worden ook veel gebruikt voor bewakingstoepassingen in militaire en defensiemissies. Ze kunnen snel signalen uitzenden en ontvangen, waardoor ze belangrijk zijn voor kritieke missies. Periodieke logantennes maken real-time gegevensuitwisseling mogelijk tussen sensoren op afstand, drones en commandocentra. Hierdoor kan het legerpersoneel goed geïnformeerde beslissingen nemen bij tijdkritische toepassingen in militaire en defensietaken.

• Elektronische oorlogvoering

Periodieke logantennes zijn ook een integraal onderdeel van elektronische oorlogsvoeringssystemen. Hun hoge richtversterking en gerichte signaaloverdracht kunnen cruciaal zijn om vijandelijke apparaten te identificeren en vijandelijke communicatiesignalen te onderscheppen en te storen. In elektronische oorlogsvoering worden log-periodieke antennes gebruikt als onderdeel van systemen om communicatie te onderscheppen, te storen of te beveiligen door gebruik te maken van hun breedbandige mogelijkheden en directionele prestaties. Dit kan cruciaal zijn in oorlogsvoering om vijandelijke communicatiesignalen effectief tegen te houden en zo een tactisch voordeel te behalen op het slagveld.

Conclusie

Periodieke antennes zijn een cruciale component in het moderne landschap van de antennetechnologie. Periodieke logantennes zijn beschikbaar in verschillende vormen, maten en configuraties en onder hen staan Log Periodic Dipole Array antennes op de voorgrond als het meest gebruikte type periodieke logantennes. LPDA antennes werken zo dat de impedantie van de antenne een logaritmisch periodieke functie is van de werkfrequentie. Ze zijn geschikt voor een breed scala aan toepassingen, van televisie-uitzendingen tot WiFi- en cellulaire systemen en kritieke militaire en defensietoepassingen. Het vermogen van periodieke antennes om in een breed frequentiebereik te werken, de richtingsgevoeligheid en het compacte ontwerp maken ze tot een veelzijdig apparaat en een handige oplossing voor consumenten die hun communicatiesystemen willen verbeteren.