Log Periodic Dipole Array Antenna: Полное руководство

В современном мире технологии развиваются семимильными шагами. Связь играет важную роль в этом стремительном развитии, и антенны являются одним из наиболее важных компонентов. Антенны Log Periodic Dipole Array Antennas (LPDA Antenna) играют важную роль в современных системах вещания и телекоммуникаций. Логопериодические дипольные антенные решетки представляют собой направленные антенны с несколькими элементами, расположенными по определенной схеме. Длина элементов антенны обычно уменьшается по направлению к передней части антенны, а элементы разной длины способны принимать различные частоты, что делает их идеальными для приложений, требующих надежных и универсальных решений для связи на различных частотах. Они называются логарифмическими периодическими антеннами, поскольку импеданс этих антенн является логарифмически периодической функцией частоты. Логопериодические антенны обычно используются в приложениях, где различные частоты должны передаваться или приниматься под разными углами и на разных частотах, например, в телевизионном вещании, широкополосном мониторинге, измерительных системах и т.д.

История и развитие LPDA антенны

Считается, что логопериодическая антенна была изобретена американским инженером-электриком Дуайт Э. Исбелл и его коллега Раймон Дюхамель в 1957-1958 годах опубликовали работу, посвященную этому вопросу. Позже концепция была доработана Полом Майесом. Концепция логопериодической антенны была запатентована Университетом Иллинойса в США после работы этих изобретателей. Однако также считается, что она была изобретена Джоном Данлави в 1952 году, но не получила должного признания, поскольку была придумана в рамках секретной миссии во время работы на ВВС США.

Особенности конструкции логарифмической периодической антенны

Логопериодические антенны состоят из множества дипольных элементов различной длины и расстояния между ними, расположенных в линейной или планарной конфигурации. Как правило, они расположены таким образом, что длина элементов уменьшается по направлению к передней части антенны и с чередованием фазы между ними через определенные промежутки времени, следующие за логарифмической функцией частоты. Эти антенные элементы обычно изготавливаются из проводящих материалов, таких как алюминий или медь, и устанавливаются параллельно по обе стороны от опорной конструкции, которая обычно изготавливается из непроводящего материала. Рабочие характеристики логарифмической периодической антенны зависят от длины, расстояния между элементами, разности фаз и логарифмической прогрессии элементов.

Логические периодические антенны работают по принципу частотно-зависимого обращения фазы. Каждый элемент резонирует на своей частоте, и по мере увеличения частоты резонирующий элемент движется навстречу меньшим элементам, создавая волнообразный сигнал, который движется вдоль центральной структуры. Этот механизм обеспечивает широкополосную частотную характеристику с постоянным коэффициентом усиления и импедансом в логопериодических антеннах.

Основные параметры

Учитывая основные эксплуатационные параметры лог-периодических антенн, они способны работать в нескольких частотных диапазонах. Логопериодические антенны могут работать в широком диапазоне частот, от нескольких мегагерц до нескольких гигагерц, в зависимости от их конструкции. Логопериодические антенны имеют относительно высокий коэффициент усиления благодаря своей диаграмме направленности и диаграмме направленности излучения. Они способны работать с пиковым коэффициентом усиления около 10-11dBi, а коэффициент усиления обычно варьируется в пределах от 5 до 15 dBi. Рабочий диапазон логопериодической антенны зависит от всех этих факторов, таких как частота, коэффициент усиления, а также от факторов окружающей среды и любых препятствий или помех. В большинстве случаев периодические антенны используют обычные гнездовые разъемы типа N и, как правило, устанавливаются на столбах или мачтах. Но они могут варьироваться в зависимости от типа периодической антенны, так как они также доступны в очень компактных панельных конструкциях.

Основные характеристики логарифмической периодической антенны

Среди ключевых особенностей лог-периодических антенн - широкополосный диапазон частот, направленный коэффициент усиления и компактная конструкция.

• Широкополосный диапазон частот

Логические периодические антенны, благодаря наличию проводящих антенных элементов разной длины, обладают способностью работать в широком диапазоне частот. Охват широкого спектра частот делает их подходящим вариантом антенны для различных коммуникационных и радиочастотных приложений. Это позволяет пользователям использовать одну антенну для связи по различным каналам на разных частотах. Таким образом, логопериодические антенны чрезвычайно полезны в приложениях, где рабочая среда динамична или быстро меняется, поскольку они могут обеспечить стабильную и бесперебойную связь в таких сценариях.

• Коэффициент усиления направленности

Логопериодические антенны имеют стабильный коэффициент усиления, что является их ключевым преимуществом. Они способны поддерживать высокий и стабильный коэффициент усиления направленности даже при изменении или колебании частоты. Таким образом, логопериодические антенны способны обеспечить стабильное усиление направленности в различных частотных диапазонах. Благодаря высокому коэффициенту усиления они способны направлять сигналы в определенную сторону, увеличивая дальность связи в этом направлении. Эта особенность делает логопериодические антенны идеальными для приложений, требующих эффективной и точной связи на большие расстояния.  

• Компактный дизайн

Логопериодические антенны имеют простой дизайн и структуру. Как правило, они имеют компактные размеры, поэтому их можно легко использовать в приложениях с ограниченным пространством. Их удобно использовать как в статичных, так и в мобильных приложениях. Логопериодические антенны относительно просты в производстве и установке благодаря своей компактной конструкции.

Типы логопериодических антенн

Логопериодические антенны бывают разных форм и частот. Ниже рассматриваются четыре наиболее распространенных типа антенн.

• Логопериодическая дипольная решетка (LPDA)

Это наиболее распространенный тип логопериодических антенн. Как следует из названия, антенны LDPA представляют собой массив дипольных антенных элементов, расположенных по возрастающей длине и установленных по обе стороны от несущей штанги. Антенные элементы подключены параллельно к фидерной линии, а самый длинный диполь выступает в роли рефлектора. Антенна LPDA обычно питается от самого короткого полудипольного элемента через один порт. LPDA обычно имеют равномерные входные импедансы, КСВН и характеристики излучения в широком диапазоне частот. Этот тип логопериодических антенн обычно используется для телевизионного приема и радиоприемных устройств.

• Лог-периодическая монопольная антенна

Логопериодические монопольные антенны очень похожи на LPDA. В этом варианте вместо монополей используются

диполи в антеннах и, как правило, устанавливаются на проводящую плоскость земли. Такая конструкция имеет улучшенные характеристики по коэффициенту усиления и широко используется в наземных системах связи.

• Планарная лог-периодическая антенна

Антенны этого типа периодических логопериодических антенн имеют антенные элементы, напечатанные на планарной подложке, подобной печатной плате. Благодаря своей компактной конструкции они идеально подходят для использования в небольших устройствах с ограниченным пространством, а также для мобильных приложений. Они также широко используются в радиолокационных и микроволновых системах.

• Проволочная логопериодическая антенна

Как и другие логопериодические антенны, проволочные логопериодические антенны также имеют несколько антенных элементов. Однако вместо типичных сплошных элементов эти антенны состоят из антенных элементов, изготовленных из проволоки, закрепленной на жесткой раме или стреле.

Лог-периодические антенны в сравнении с антеннами Yagi

Антенны LPDA и антенны Yagi довольно похожи. Однако они имеют ряд ключевых различий, которые делают их уникальными как с точки зрения физической структуры и дизайна, так и с точки зрения эксплуатационных параметров.

Логопериодические антенны обычно имеют треугольную структуру и состоят из множества антенных элементов различной длины и расстояния друг от друга, расположенных в определенной решетке по обе стороны от стреловидной структуры. Антенны Yagi имеют более линейную структуру с множеством антенных элементов, которые, как правило, имеют одинаковую длину, в отличие от логопериодических антенн, расположенных в виде решетки вдоль стреловидной структуры. Благодаря одинаковой длине антенных элементов, антенны Yagi считаются немного более простыми в конструкции и производстве, чем логопериодические антенны. Логопериодические антенны немного сложнее в проектировании и изготовлении, так как необходимо точно рассчитать и реализовать различные длины элементов, расстояния между ними и разность фаз. Кроме того, антенны Yagi, как правило, более громоздкие, чем логопериодические антенны. Однако лог-периодические антенны сравнительно проще в установке, чем антенны Yagi, поскольку антенны Yagi требуют более точного выравнивания для оптимальной работы в определенном направлении.

Учитывая эксплуатационные параметры, как логарифмические периодические антенны, так и антенны Yagi доступны в широком диапазоне частот. Логопериодические антенны обычно работают в диапазоне частот от 30 до 4200 MHz, а антенны Yagi - от 30 до 3000 MHz. Логопериодические антенны имеют более широкую диаграмму направленности излучения и, следовательно, меньший коэффициент усиления, а также низкую направленность по сравнению с антеннами Yagi. Антенны Yagi имеют высокую направленность и узкую полосу пропускания, поэтому их коэффициент усиления в определенном направлении гораздо выше. Сигналы от антенны Yagi фокусируются в зоне покрытия под углом примерно от 45 до 90 градусов, в то время как периодические антенны могут иметь гораздо более широкую зону покрытия благодаря наличию антенных элементов разной длины и расстояния между ними.

Логопериодические антенны и антенны Yagi также различаются по сферам применения. Логопериодические антенны обычно используются в приложениях, где требуется передавать и принимать сигналы в нескольких направлениях и на нескольких различных частотах одновременно. Они используются в LPWAN, LoRa, LTE-M, NB-IoT, IoT, M2M-приложениях и т. д. Антенны Yagi лучше подходят для систем связи "точка-точка", например, в радиовещании, бытовой и коммерческой радиосвязи, поскольку они обладают высокой направленностью и большим коэффициентом усиления в определенном направлении.

Первоначальные затраты на установку и обслуживание антенн Yagi и логопериодических антенн относительно одинаковы. Однако логарифмические антенны считаются более универсальными, так как их можно использовать для различных частот. Антенны Yagi нуждаются в более регулярном обслуживании для поддержания оптимальной производительности в одном направлении.

Преимущества логопериодических антенн

Логопериодические антенны являются чрезвычайно универсальным типом антенн, используемых в различных системах связи благодаря своим ключевым преимуществам в плане производительности. Ниже описаны некоторые из таких преимуществ.

• Широкая полоса пропускания

Логопериодические антенны способны охватывать широкий диапазон частот и могут работать в нескольких частотных диапазонах благодаря своей широкой полосе пропускания без необходимости настройки или регулировки. Таким образом, логарифмические периодические антенны считаются универсальными, поскольку одна антенна может заменить несколько антенн, предназначенных для разных частотных диапазонов. Благодаря этому логарифмические периодические антенны являются универсальными и экономически эффективными.

• Диаграмма направленного излучения

Логопериодические антенны имеют направленную диаграмму направленности излучения. Таким образом, они способны фокусировать свою энергию в определенном направлении, что делает их идеальными для дальней связи. Диаграмма направленности излучения логопериодических антенн имеет низкий уровень боковых лепестков, что означает, что они излучают большую часть своей энергии в нужном направлении и минимизируют потери энергии в других направлениях. Направленная диаграмма направленности делает их более устойчивыми к помехам от других нежелательных сигналов и любых препятствий. Это также помогает улучшить соотношение сигнал/шум.

• Высокое усиление

Логопериодические антенны обычно имеют более высокий коэффициент усиления за счет направленной диаграммы направленности излучения. Таким образом, они способны передавать и принимать сигналы на большие расстояния и с высокой эффективностью. В системах связи высокий коэффициент усиления является важнейшим параметром для поддержания сильных и стабильных сигналов в большом диапазоне.

• Компактный размер

Логопериодические антенны могут использоваться в тех случаях, когда пространство ограничено, поскольку они, как правило, спроектированы как небольшие и компактные по сравнению с другими типами антенн. Они идеально подходят для использования как в стационарных, так и в мобильных приложениях.

В целом, лог-периодические антенны обладают такими ключевыми преимуществами, как широкий диапазон частот, высокий коэффициент усиления, диаграмма направленности излучения и компактные размеры, что делает их универсальным и удобным вариантом для различных приложений в области связи и радиовещания.

Недостатки и ограничения

Хотя периодические антенны имеют ряд ключевых преимуществ, как всегда, есть и некоторые ограничения.

• Комплексное проектирование и строительство

Поскольку логопериодические антенны создаются для работы на нескольких различных частотах, их конструкция должна быть точной. Необходимо учитывать длину элементов антенны, расстояние между ними и их расположение, разность фаз между элементами и т. д. Из-за сложности конструкции и дизайна логарифмические антенны, как правило, стоят относительно дорого.

• Сборка и обслуживание

Установка и обслуживание периодической антенны может быть несколько сложной и трудоемкой, так как она состоит из множества элементов, требующих точного расположения. Кроме того, чтобы антенна постоянно функционировала в оптимальном режиме, обеспечивая стабильную и точную передачу и прием сигнала, требуется регулярное техническое обслуживание логопериодических антенн.

• Помехи

Особенно при использовании на открытом воздухе логопериодические антенны подвержены влиянию помех от других сигналов, а также любых физических препятствий. Кроме того, на них могут влиять погодные условия, например, сильный ветер, что делает их чувствительными к ветровой нагрузке.

Применение логарифмических периодических антенн

Как уже говорилось в статье, логарифмические периодические антенны чрезвычайно универсальны и поэтому используются в различных областях промышленности. Некоторые из распространенных вариантов использования рассмотрены ниже.

• Телевидение и радиовещание

Логопериодические антенны широко используются в теле- и радиовещании для приема и передачи сигналов, поскольку они способны работать в широком диапазоне частот, что позволяет предоставлять контент на нескольких каналах и станциях. Благодаря дизайну и эксплуатационным характеристикам логопериодических антенн можно использовать одну антенну для работы в нескольких частотных диапазонах.

• WiFi

Периодические антенны Log также часто используются для создания сетей WiFi. Они могут использоваться для передачи и приема сигналов для приложений WiFi, поскольку способны обеспечить стабильное и прочное беспроводное интернет-соединение.

• Сотовые сети

Подобно сетям WiFi, они также используются в сотовых сетях для передачи и приема сигналов от вышек сотовой связи, обеспечивая мобильную связь. Направленность и коэффициент усиления позволяют им фокусировать сигналы в определенном направлении, что дает возможность устанавливать соединения на больших расстояниях.

• Усилители сигнала

Логопериодические антенны также широко используются в системах усиления сигнала. Их высокий коэффициент усиления и направленность увеличивают силу и дальность сигнала для лучшего приема и передачи, что делает их идеальными для систем усиления сигнала.

• Распределенные антенные системы (DAS)

Логопериодические антенны также широко используются в системах DAS. Их широкая полоса пропускания, высокий коэффициент усиления и направленность помогают улучшить покрытие и емкость беспроводных систем связи в больших зданиях, на стадионах, в аэропортах и других общественных местах.

Установка и обслуживание

Процесс установки периодической антенны начинается с выбора места. Для обеспечения оптимальной работы важно выбрать место с минимальным количеством препятствий и помех. Также необходимо учитывать другие погодные условия и факторы окружающей среды. Периодические антенны обычно устанавливаются на мачте или столбе, чтобы свести к минимуму препятствия на пути сигнала. Важно надежно закрепить антенны, чтобы обеспечить стабильность и правильное выравнивание. Для минимизации потерь сигнала при передаче необходимо использовать высококачественные коаксиальные кабели и разъемы. Еще одним фактором, который необходимо учитывать, является надлежащее заземление, которое имеет решающее значение для защиты антенны от электрических перенапряжений, которые могут возникнуть. Важно правильно расположить антенну в правильной ориентации и выровнять ее, чтобы обеспечить оптимальную работу в определенном направлении в желаемом диапазоне частот. Наконец, важно провести достаточное тестирование и отладить ее, внеся необходимые изменения для достижения оптимального качества и надежной работы периодической антенны.

Тематические исследования

Лог-периодические антенны используются во многих отраслях промышленности и имеют различные варианты применения, о которых пойдет речь в этой статье. Ниже описаны некоторые из реальных сценариев и применений логопериодических антенн.

• Вещание

Логопериодические антенны способны охватывать широкий спектр частот благодаря своей структуре с различными удлиненными антенными элементами и разностью фаз, поэтому они широко используются как в радио-, так и в телевизионном вещании. Таким образом, логопериодические антенны широко используются как в городах, так и в отдаленных районах для передачи сигналов по различным каналам, обеспечивая эффективное и стабильное покрытие.

• Военное дело и оборона

Логопериодические антенны широко используются в военной и оборонной промышленности для решения различных задач в области обороны и безопасности. Они широко используются в самолетах, спутниках, радарных системах, военной технике и т.д. для передачи и приема сигналов. Периодические антенны Log способны обеспечить надежную связь в широком диапазоне частот и высокую направленность, что делает их идеальными для критически важных миссий и операций наблюдения в армии. В военной и оборонной сфере военнослужащие используют устройства с логопериодическими антеннами для поддержания связи в различных оперативных точках. Это стало возможным благодаря надежности и стабильности сигналов, передаваемых и принимаемых через логопериодические антенны. Они также широко используются для наблюдения в военных и оборонных миссиях. Они способны быстро передавать и принимать сигналы, что делает их важными в критически важных миссиях. Периодические антенны позволяют обмениваться данными в режиме реального времени между удаленными датчиками, беспилотниками и командными центрами. Это позволяет военнослужащим принимать взвешенные решения в критических ситуациях при выполнении военных и оборонных задач.

• Электронная война

Логопериодические антенны также являются неотъемлемой частью систем радиоэлектронной борьбы. Их высокое усиление направленности и целенаправленная передача сигнала могут иметь решающее значение для идентификации вражеских устройств, а также для перехвата и глушения вражеских сигналов связи. В радиоэлектронной борьбе логопериодические антенны используются как часть систем для перехвата, глушения или защиты связи, используя их широкополосные возможности и направленность. Это может иметь решающее значение в военных действиях для эффективного противодействия сигналам связи противника с целью получения тактического преимущества на поле боя.

Заключение

Логопериодические антенны являются важнейшим компонентом современной антенной техники. Логопериодические антенны доступны в различных формах, размерах и конфигурациях, и среди них антенны Log Periodic Dipole Array занимают лидирующее положение как наиболее используемый тип логопериодических антенн. Антенны LPDA работают таким образом, что импеданс антенны является логарифмически периодической функцией ее рабочей частоты. Они способны обеспечить широкий спектр применений - от телевизионного вещания, WiFi и сотовых систем до критически важных военных и оборонных приложений. Способность логопериодических антенн работать в широком диапазоне частот, их направленность и компактный дизайн делают их универсальными устройствами и удобными решениями для потребителей, желающих усовершенствовать свои системы связи.