Log Periodic Dipole Array Antenna: Kompletny przewodnik

W dzisiejszym świecie technologia rozwija się skokowo. Komunikacja odgrywa główną rolę w tym szybkim rozwoju, a anteny są jednym z najważniejszych elementów. Log Periodic Dipole Array Antennas (LPDA Antenna) są istotne w nowoczesnych systemach nadawczych i telekomunikacyjnych. Anteny z logarytmicznym dipolem okresowym są antenami kierunkowymi z wieloma elementami ułożonymi w określony wzór. Długość elementów anteny zwykle zmniejsza się w kierunku przodu anteny, a dzięki elementom o różnych długościach są one w stanie odbierać różne częstotliwości, dzięki czemu idealnie nadają się do zastosowań wymagających solidnych i wszechstronnych rozwiązań komunikacyjnych na różnych częstotliwościach. Są one nazywane antenami logarytmiczno-okresowymi, ponieważ impedancja tych anten jest logarytmicznie okresową funkcją ich częstotliwości. Anteny logarytmiczno-okresowe są zwykle używane w zastosowaniach, w których różne częstotliwości muszą być nadawane lub odbierane pod różnymi kątami i na różnych częstotliwościach, takich jak nadawanie telewizyjne, monitorowanie szerokopasmowe, systemy pomiarowe itp.

Historia i rozwój anten LPDA

Antena logarytmiczna jest uważana za wynalezioną przez amerykańskiego inżyniera elektryka Dwight E. Isbell i jego kolega Raymond DuHamel w latach 1957-1958 opublikowali artykuł na ten temat. Później koncepcja ta została rozwinięta przez Paula Mayesa. Koncepcja okresowej anteny logarytmicznej została opatentowana przez University of Illinois w USA w następstwie prac tych wynalazców. Uważa się jednak, że została ona wynaleziona przez Johna Dunlavy'ego w 1952 roku, ale nie została należycie doceniona, ponieważ została wynaleziona w ramach tajnej misji podczas pracy dla Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych.

Cechy konstrukcyjne anteny logarytmicznej

Logarytmiczne anteny okresowe składają się z wielu elementów dipolowych o różnych długościach i odstępach rozmieszczonych w konfiguracji liniowej lub płaskiej. Ogólnie rzecz biorąc, są one rozmieszczone w taki sposób, że długość elementów zmniejsza się w kierunku przodu anteny i z naprzemienną fazą między nimi w określonych odstępach czasu, zgodnie z logarytmiczną funkcją częstotliwości. Te elementy anteny są zwykle wykonane z materiałów przewodzących, takich jak aluminium lub miedź, i montowane równolegle po obu stronach konstrukcji wsporczej, która jest zwykle wykonana z materiału nieprzewodzącego. Charakterystyka działania logarytmicznej anteny okresowej zależy od długości, odstępów, różnicy faz i logarytmicznej progresji elementów.

Anteny logarytmiczne działają w oparciu o zasadę odwrócenia fazy zależnej od częstotliwości. Każdy element rezonuje z inną częstotliwością, a wraz ze wzrostem częstotliwości element rezonansowy przesuwa się w kierunku mniejszych elementów, tworząc falę podobną do sygnału, który porusza się wzdłuż centralnej struktury. Mechanizm ten zapewnia szerokopasmową charakterystykę częstotliwościową ze stałym wzmocnieniem i impedancją w antenach okresowych.

Kluczowe parametry

Biorąc pod uwagę kluczowe parametry anten logarytmiczno-okresowych, są one w stanie pracować w wielu pasmach częstotliwości. Anteny logarytmiczno-periodyczne mogą działać w szerokim zakresie częstotliwości, od kilku megaherców do kilku gigaherców, w zależności od ich konstrukcji. Anteny logarytmiczno-okresowe mają stosunkowo wysoki zysk ze względu na ich wzór promieniowania i kierunkowość. Są one w stanie pracować ze szczytowym zyskiem wynoszącym około 10-11dBi, a zysk zazwyczaj waha się od 5 do 15 dBi. Zasięg działania anteny okresowej log zależy od wszystkich tych czynników, takich jak częstotliwość, zysk, a także od czynników środowiskowych i wszelkich przeszkód lub zakłóceń. Anteny okresowe logarytmiczne wykorzystują w większości przypadków zwykłe złącza żeńskie typu N i są zazwyczaj montowane na słupach lub masztach. Mogą się one jednak różnić w zależności od typu anteny okresowej, ponieważ są one również dostępne w bardzo kompaktowych konstrukcjach panelowych.

Kluczowe cechy okresowej anteny logarytmicznej

Niektóre z kluczowych cech anten logarytmiczno-periodycznych obejmują szerokopasmowy zakres częstotliwości, zysk kierunkowy i kompaktową konstrukcję.

• Szerokopasmowy zakres częstotliwości

Logiczne anteny okresowe, ze względu na obecność przewodzących elementów antenowych o różnych długościach, mają zdolność do pracy w szerokim zakresie częstotliwości. Ich pokrycie w szerokim spektrum częstotliwości sprawia, że są one odpowiednią opcją anteny dla różnych zastosowań komunikacyjnych i RF. Umożliwia to użytkownikom korzystanie z jednej anteny do komunikacji w różnych kanałach na różnych częstotliwościach. Dlatego też anteny okresowe są niezwykle przydatne w zastosowaniach, w których środowisko pracy jest dynamiczne lub szybko się zmienia, ponieważ mogą zapewnić stabilną i nieprzerwaną komunikację w takich scenariuszach.

• Wzmocnienie kierunkowe

Anteny logarytmiczne mają stabilny zysk, co jest ich kluczową zaletą. Są one w stanie utrzymać wysoki i stabilny zysk kierunkowy, nawet gdy częstotliwość zmienia się lub waha. W ten sposób anteny okresowe log są w stanie zapewnić stały zysk kierunkowy w różnych pasmach częstotliwości. Ze względu na wysoki zysk kierunkowy, są one w stanie kierować sygnały w określonym kierunku, zwiększając tym samym zasięg komunikacji w tym kierunku. Ta cecha sprawia, że anteny okresowe log są idealne do zastosowań wymagających skutecznej i precyzyjnej komunikacji dalekiego zasięgu.  

• Kompaktowa konstrukcja

Anteny logarytmiczne mają prostą konstrukcję i strukturę. Generalnie mają niewielkie rozmiary, dzięki czemu mogą być łatwo wykorzystywane w aplikacjach, które mają ograniczenia przestrzenne. Mogą być wygodnie używane zarówno w zastosowaniach statycznych, jak i mobilnych. Okresowe anteny logarytmiczne są stosunkowo łatwe w produkcji i instalacji ze względu na ich kompaktową konstrukcję.

Rodzaje anten logarytmicznych

Logiczne anteny okresowe są dostępne w różnych kształtach i częstotliwościach. Poniżej omówiono cztery najpopularniejsze typy anten.

• Log Periodic Dipole Array (LPDA)

Jest to najczęściej spotykany typ anteny okresowej. Jak sama nazwa wskazuje, anteny LDPA mają układ elementów dipolowych rozmieszczonych w rosnącej długości i zamontowanych po obu stronach wysięgnika nośnego. Elementy anteny są połączone równolegle z linią zasilającą, a najdłuższy dipol działa jak reflektor. Antena LPDA jest zazwyczaj zasilana z najkrótszego elementu półdipolowego przez pojedynczy port. Anteny LPDA zazwyczaj charakteryzują się jednolitą impedancją wejściową, VSWR i charakterystyką promieniowania w szerokim zakresie częstotliwości. Ten typ anten okresowych jest zwykle używany do odbioru telewizyjnego i radiowego.

• Logo-periodyczna antena monopolowa

Logiczne okresowe anteny monopolowe są dość podobne do LPDA. W tym wariancie, monopole są używane zamiast

Dipole w antenach i zazwyczaj montowane na przewodzącej płaszczyźnie uziemienia. Taka konstrukcja zapewnia lepszą wydajność pod względem zysku i jest powszechnie stosowana w naziemnych systemach komunikacyjnych.

• Planarna antena logarytmiczno-periodyczna

Ten typ anteny okresowej ma elementy anteny wydrukowane na płaskim podłożu podobnym do płytki drukowanej. Ze względu na ich kompaktową konstrukcję, są one idealne do stosowania w mniejszych urządzeniach z ograniczeniami przestrzennymi, a także w zastosowaniach mobilnych. Są one również powszechnie stosowane w radarach i mikrofalach.

• Antena drutowa o charakterystyce logarytmicznej

Podobnie jak inne anteny okresowe typu log, anteny okresowe typu log wire również posiadają wiele elementów antenowych. Jednak zamiast typowych elementów stałych, anteny te składają się z elementów antenowych wykonanych z drutów wspartych na sztywnej ramie lub konstrukcji wysięgnika.

Anteny logarytmiczno-periodyczne a anteny Yagi

Anteny LPDA i Yagi są do siebie dość podobne. Mają jednak pewne kluczowe różnice, które czynią je wyjątkowymi zarówno pod względem struktury fizycznej i projektu, jak i parametrów wydajności.

Anteny logarytmiczne mają zazwyczaj trójkątną strukturę i składają się z wielu elementów antenowych o różnych długościach i odległościach od siebie, rozmieszczonych w określonym układzie po obu stronach struktury przypominającej wysięgnik. Anteny Yagi mają bardziej liniową strukturę z wieloma elementami antenowymi, które są generalnie tej samej długości, w przeciwieństwie do anten okresowych log, rozmieszczonych w układzie wzdłuż struktury przypominającej wysięgnik. Ze względu na podobną długość elementów anteny, anteny Yagi są uważane za nieco łatwiejsze w konstrukcji i produkcji niż anteny okresowe log. Anteny logarytmiczne są nieco bardziej skomplikowane w projektowaniu i budowie, ponieważ różne długości elementów, ich odstępy i różnice faz muszą być precyzyjnie obliczone i zaimplementowane. Ponadto anteny Yagi są generalnie większe niż anteny logarytmiczne. Jednak anteny okresowe log są stosunkowo łatwiejsze do zainstalowania niż anteny yagi, ponieważ anteny Yagi wymagają bardziej precyzyjnego ustawienia w celu uzyskania optymalnej wydajności w określonym kierunku.

Biorąc pod uwagę parametry wydajności, zarówno anteny okresowe log, jak i anteny Yagi są dostępne w szerokim zakresie pasm częstotliwości. Anteny okresowe log zazwyczaj działają w zakresach częstotliwości od 30 do 4200 MHz, podczas gdy anteny Yagi działają w zakresie od 30 do 3000 MHz. Logiczne anteny okresowe mają szerszy wzór promieniowania, a tym samym niższy zysk i mają niską kierunkowość w porównaniu do anten Yagi. Anteny Yagi są wysoce kierunkowe i mają wąskie pasmo przenoszenia, a zatem mają znacznie większy zysk w określonym kierunku. Sygnały z anteny Yagi są skupione w obszarze pokrycia o kącie od około 45 stopni do 90 stopni, podczas gdy anteny okresowe log są w stanie mieć znacznie szerszy obszar pokrycia ze względu na posiadanie elementów antenowych o różnych długościach i odstępach.

Logiczne anteny okresowe i anteny Yagi różnią się również pod względem zastosowań. Anteny okresowe Log są zwykle używane w aplikacjach, które wymagają jednoczesnego przesyłania i odbierania sygnałów w wielu kierunkach i na wielu różnych częstotliwościach. Są one stosowane w aplikacjach LPWAN, LoRa, LTE-M, NB-IoT, IoT, M2M itp. Anteny Yagi są lepsze dla systemów komunikacyjnych punkt-punkt, takich jak nadawanie, domowe i komercyjne aplikacje radiokomunikacyjne, ponieważ są wysoce kierunkowe i mają wysoki zysk w określonym kierunku.

Początkowe koszty instalacji i konserwacji zarówno anten Yagi, jak i okresowych anten logarytmicznych są stosunkowo podobne. Jednak anteny logarytmiczne są ogólnie uważane za bardziej wszechstronne, ponieważ mogą być używane w przypadkach wymagających różnych częstotliwości. Anteny Yagi wymagają bardziej regularnej konserwacji, aby utrzymać ich wydajność w jednym kierunku na optymalnym poziomie.

Zalety anten okresowych z logiem

Anteny logarytmiczne są niezwykle wszechstronnym typem anten wykorzystywanych w różnych systemach komunikacyjnych ze względu na ich kluczowe zalety w zakresie wydajności. Poniżej omówiono kilka z tych zalet.

• Szeroka przepustowość

Anteny logarytmiczne są w stanie pokryć szeroki zakres częstotliwości i mogą działać w wielu pasmach częstotliwości ze względu na ich szeroką szerokość pasma bez potrzeby strojenia lub regulacji. W związku z tym anteny logarytmiczne są uważane za uniwersalne, ponieważ pojedyncza antena może zastąpić kilka anten zaprojektowanych dla różnych zakresów częstotliwości. Dzięki temu anteny logarytmiczne są uniwersalne i opłacalne.

• Kierunkowy wzór promieniowania

Anteny logarytmiczno-periodyczne mają kierunkowy wzór promieniowania. Dzięki temu są w stanie skupić swoją energię w określonym kierunku, co czyni je idealnymi do komunikacji na duże odległości. Wzór promieniowania anten logarytmiczno-periodycznych ma niskie listki boczne, co oznacza, że emitują one większość swojej energii w pożądanym kierunku i minimalizują straty energii w innych kierunkach. Ich kierunkowy wzór sprawia, że są bardziej odporne na zakłócenia ze strony innych niepożądanych sygnałów i wszelkich przeszkód. Pomaga to również w poprawie stosunku sygnału do szumu.

• Wysoki zysk

Anteny logarytmiczno-periodyczne mają zazwyczaj większy zysk ze względu na ich kierunkowy wzór promieniowania. Dzięki temu mogą przesyłać i odbierać sygnały na większe odległości i z dużą wydajnością. W systemach komunikacyjnych wysoki zysk jest kluczowym parametrem dla utrzymania silnych i stabilnych sygnałów w większym zakresie.

• Kompaktowy rozmiar

Okresowe anteny logarytmiczne mogą być używane w zastosowaniach, w których występują ograniczenia przestrzeni, ponieważ są one generalnie zaprojektowane tak, aby były małe i kompaktowe w porównaniu z innymi typami anten. Są idealne do stosowania zarówno w aplikacjach stacjonarnych, jak i mobilnych.

Ogólnie rzecz biorąc, anteny logarytmiczno-periodyczne oferują kluczowe zalety, takie jak szeroki zakres częstotliwości, wysoki zysk, kierunkowy wzór promieniowania i kompaktowy rozmiar, co czyni je wszechstronną i wygodną opcją dla różnych zastosowań w komunikacji i nadawaniu.

Wady i ograniczenia

Chociaż anteny okresowe log mają kilka kluczowych zalet, jak zawsze mają też kilka ograniczeń.

• Kompleksowy projekt i budowa

Ponieważ okresowe anteny logarytmiczne są budowane do pracy na wielu różnych częstotliwościach, ich konstrukcja musi być precyzyjna. Należy wziąć pod uwagę długości elementów anteny, ich odstępy i rozmieszczenie, różnicę faz między elementami itp. Ze względu na złożoność projektu i konstrukcji, anteny logarytmiczne są zwykle stosunkowo drogie.

• Montaż i konserwacja

Instalacja i konserwacja anten okresowych może być nieco skomplikowana i czasochłonna, ponieważ mają one wiele elementów, które wymagają precyzyjnego rozstawienia i umieszczenia. Ponadto, aby zapewnić, że antena działa w optymalnym stanie w sposób ciągły ze stabilną i dokładną transmisją i odbiorem sygnału, wymagana jest regularna konserwacja anten okresowych.

• Zakłócenia

Zwłaszcza w zastosowaniach zewnętrznych, anteny logarytmiczne podlegają zakłóceniom ze strony innych sygnałów, a także wszelkich przeszkód fizycznych. Mogą na nie również wpływać warunki pogodowe, takie jak silny wiatr, co czyni je podatnymi na obciążenie wiatrem.

Zastosowania anten logarytmicznych

Jak już wspomniano w tym artykule, anteny logarytmiczne są niezwykle wszechstronne i dlatego są wykorzystywane w różnych zastosowaniach w różnych branżach. Poniżej omówiono niektóre z typowych przypadków użycia.

• Telewizja i radio

Anteny logarytmiczne są powszechnie stosowane w transmisjach telewizyjnych i radiowych do odbioru i transmisji sygnałów, ponieważ są w stanie pracować w szerokim zakresie częstotliwości, umożliwiając w ten sposób dostarczanie treści na wielu kanałach i stacjach. Dzięki charakterystyce konstrukcyjnej i wydajnościowej anten okresowych log, możliwe jest użycie pojedynczej anteny dla wielu pasm częstotliwości za pomocą anten okresowych log.

• WiFi

Anteny okresowe są również powszechnie stosowane do tworzenia sieci WiFi. Mogą być używane do nadawania i odbierania sygnałów dla aplikacji WiFi, ponieważ są w stanie zapewnić stabilne i silne bezprzewodowe połączenie internetowe.

• Sieci komórkowe

Podobnie jak sieci WiFi, są one również wykorzystywane w sieciach komórkowych do przesyłania i odbierania sygnałów z wież komórkowych, umożliwiając komunikację mobilną. Ich kierunkowość i wzmocnienie pozwala im silnie skupiać sygnały w określonym kierunku, umożliwiając w ten sposób nawiązywanie połączeń na duże odległości.

• Wzmacniacze sygnału

Anteny logarytmiczne są również powszechnie stosowane w systemach wzmacniania sygnału. Ich wysoki zysk i kierunkowość zwiększają siłę i zasięg sygnałów, zapewniając lepszy odbiór i transmisję, dzięki czemu idealnie nadają się do wzmacniaczy sygnału.

• Rozproszone systemy antenowe (DAS)

Anteny logarytmiczne są również powszechnie stosowane w instalacjach DAS. Ich szeroka szerokość pasma, wysoki zysk i kierunkowość są pomocne w poprawie zasięgu bezprzewodowego i przepustowości systemów komunikacyjnych w dużych budynkach, stadionach, lotniskach i innych miejscach publicznych.

Instalacja i konserwacja

Proces instalacji anteny okresowej rozpoczyna się od wyboru lokalizacji. Ważne jest, aby wybrać lokalizację z minimalnymi przeszkodami i zakłóceniami, aby zapewnić optymalną wydajność. Należy również wziąć pod uwagę inne warunki pogodowe i czynniki środowiskowe. Anteny okresowe są zazwyczaj montowane na maszcie lub słupie, aby zminimalizować przeszkody na ścieżkach sygnału. Ważne jest, aby bezpiecznie zamontować anteny, aby zapewnić stabilność i prawidłowe ustawienie. Aby zminimalizować straty sygnału podczas transmisji, należy użyć wysokiej jakości kabli koncentrycznych i złączy. Kolejnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest prawidłowe uziemienie, które ma kluczowe znaczenie dla ochrony anteny przed przepięciami elektrycznymi, które mogą wystąpić. Niezbędne jest prawidłowe umieszczenie anteny w odpowiedniej orientacji i jej właściwe ustawienie, aby zapewnić optymalną wydajność w określonym kierunku w pożądanym zakresie częstotliwości. Wreszcie, ważne jest, aby przeprowadzić wystarczające testy i dostroić je, dokonując niezbędnych regulacji, aby osiągnąć optymalną jakość i niezawodne działanie anteny okresowej.

Studia przypadków

Okresowe anteny logarytmiczne są wykorzystywane w wielu branżach i mają różne przypadki użycia, zgodnie z treścią artykułu. Poniżej opisano kilka rzeczywistych scenariuszy i zastosowań okresowych anten logarytmicznych.

• Nadawanie

Anteny logarytmiczne są w stanie pokryć szerokie spektrum częstotliwości ze względu na ich strukturę z różnymi wydłużonymi elementami anteny i różnicami faz, a zatem są one powszechnie stosowane zarówno w nadawaniu radiowym, jak i telewizyjnym. Dlatego też anteny logarytmiczne są szeroko stosowane zarówno w obszarach miejskich, jak i odległych, do transmisji sygnałów na różnych kanałach, zapewniając zasięg w wydajny i stabilny sposób.

• Wojsko i obronność

Anteny logarytmiczne są szeroko stosowane w przemyśle wojskowym i obronnym do różnych zastosowań obronnych i bezpieczeństwa. Są one powszechnie stosowane w samolotach, satelitach, systemach radarowych, sprzęcie wojskowym itp. do transmisji i odbioru sygnału. Logiczne anteny okresowe są w stanie zapewnić niezawodną komunikację w szerokim paśmie i wysoką kierunkowość, co czyni je idealnymi do krytycznych misji i operacji nadzoru w wojsku. W wojsku i obronie personel wojskowy używa urządzeń zasilanych przez okresowe anteny log, aby pozostać w kontakcie w różnych lokalizacjach operacyjnych. Jest to możliwe dzięki niezawodności i stabilności sygnałów przesyłanych i odbieranych przez anteny okresowe. Są one również szeroko stosowane w aplikacjach nadzoru w misjach wojskowych i obronnych. Są w stanie szybko przesyłać i odbierać sygnały, co czyni je ważnymi w krytycznych misjach. Anteny okresowe umożliwiają wymianę danych w czasie rzeczywistym między zdalnymi czujnikami, dronami i centrami dowodzenia. Umożliwia to personelowi wojskowemu podejmowanie świadomych decyzji w krytycznych czasowo zastosowaniach w zadaniach wojskowych i obronnych.

• Wojna elektroniczna

Logiczne anteny okresowe są również integralną częścią systemów walki elektronicznej. Ich wysoki zysk kierunkowy i ukierunkowany transfer sygnału mogą mieć kluczowe znaczenie dla identyfikacji urządzeń wroga oraz przechwytywania i zagłuszania sygnałów komunikacyjnych wroga. W walce elektronicznej anteny logarytmiczno-okresowe są wykorzystywane jako część systemów do przechwytywania, zagłuszania lub zabezpieczania komunikacji poprzez wykorzystanie ich możliwości szerokopasmowych i wydajności kierunkowej. Może to mieć kluczowe znaczenie w działaniach wojennych, aby skutecznie kontratakować sygnały komunikacyjne wroga w celu uzyskania przewagi taktycznej na polu bitwy.

Wnioski

Anteny logarytmiczne są kluczowym elementem nowoczesnej technologii antenowej. Anteny logarytmiczno-okresowe są dostępne w różnych kształtach, rozmiarach i konfiguracjach, a wśród nich anteny Log Periodic Dipole Array są najczęściej używanym typem anten logarytmiczno-okresowych. Anteny LPDA działają w taki sposób, że impedancja anteny jest logarytmicznie okresową funkcją jej częstotliwości roboczej. Są one w stanie ułatwić szeroki zakres zastosowań, od transmisji telewizyjnych, przez WiFi i systemy komórkowe, po krytyczne zastosowania wojskowe i obronne. Zdolność anten okresowych logarytmicznych do działania w szerokim zakresie częstotliwości, ich zdolność kierunkowa i kompaktowa konstrukcja sprawiają, że są one wszechstronnym urządzeniem i wygodnym rozwiązaniem dla konsumentów, którzy chcą ulepszyć swoje systemy komunikacyjne.