Логопериодическая антенна
Логопериоди́ческая анте́нна (англ. log-periodic antenna) — широкополосная многоэлементная направленная антенна, предназначенная для работы в широком диапазоне частот. Её конструкция основана на логарифмической периодичности длин излучающих элементов и расстояний между ними. Для логопериодических антенн характерно сохранение близких значений диаграммы направленности и входного сопротивления в широком диапазоне частот[1].
Наиболее распространённой разновидностью является логопериодическая дипольная решётка (англ. log-periodic dipole array, LPDA) — система из полуволновых дипольных элементов переменной длины, подключённых к линии питания с чередованием фазы. Логопериодические антенны широко применяются в телевизионном приёме, измерительной технике, радиосвязи и коротковолновом вещании.
В литературе также встречаются названия логопериодический массив и логопериодическая решётка. В телевизионном приёме применялись и комбинированные конструкции, в которых перед более крупной логопериодической антенной для диапазона ОВЧ располагалась антенна Яги для диапазона УВЧ.
Принцип действия
- Основу принципа действия логопериодической антенны составляет логарифмическая периодичность размеров элементов и расстояний между ними: длины вибраторов и интервалы между ними изменяются в геометрической прогрессии. Благодаря этому антенна сохраняет близкие значения основных характеристик — коэффициента усиления, диаграммы направленности и входного сопротивления — в широком частотном диапазоне.
- Важной особенностью логопериодической антенны является самоподобие конструкции. Согласно определению IEEE, логопериодической называется антенна, у которой импеданс и характеристики излучения периодически повторяются в соответствии с логарифмом частоты[2][3][4].
- На каждой рабочей частоте наибольший вклад в излучение вносит сравнительно небольшая группа элементов, размеры которых наиболее близки к резонансным. По мере изменения частоты активная часть конструкции смещается вдоль антенны: на низких частотах работают более длинные элементы, на высоких — более короткие.
- Диаграмма направленности логопериодической антенны обычно является однонаправленной, а главный лепесток ориентирован вдоль оси опорного бруса в сторону более коротких элементов. Каждый дипольный элемент резонирует при длине волны, приблизительно равной удвоенной длине элемента. Рабочий диапазон частот антенны определяется размерами самого длинного и самого короткого элементов.
Конструкция
Основные элементы
- Диполи — логопериодическая антенна обычно состоит из ряда параллельных линейных вибраторов, например полуволновых диполей, расположенных вдоль общей оси. Длины вибраторов и расстояния между ними уменьшаются по направлению к точке подключения фидера.
- Линия питания — каждый элемент в антенне LPDA является управляемым активным элементом, то есть электрически подключённым к линии питания. Линия питания часто проходит зигзагообразно через опорный брус, на котором размещены элементы[5].
- Чередование фаз подключения — параллельная проводная линия передачи обычно проходит вдоль центрального бруса, и каждый последующий элемент подключён к ней в противофазе.
Основные параметры
- Тау (τ) — отношение длины каждого следующего элемента к длине предыдущего. Этот параметр определяет масштабирование конструкции и задаёт период логопериодической структуры.
- Сигма (σ) — параметр, характеризующий относительные интервалы между соседними элементами. Он связан с взаимным расположением вибраторов и влияет на рабочие характеристики антенны.
Сигма и тау являются основными параметрами логопериодической антенны и определяют её рабочий диапазон и направленные свойства[5].
Основные разновидности
- LPDA (логопериодическая дипольная решётка) — наиболее распространённая конструкция; антенна состоит из ряда полуволновых дипольных элементов, каждый из которых представляет собой пару металлических стержней, расположенных вдоль опорного бруса.
- Зигзагообразная логопериодическая антенна — вариант конструкции, в котором дипольные элементы заменяются самой линией передачи[6].
- Антенна на двух центральных брусьях — вариант, в котором два параллельных центральных бруса одновременно выполняют функцию линии передачи, а диполи крепятся к ним попеременно.
Отличие от антенны Яги́
Антенна LPDA внешне похожа на антенну Яги, поскольку обе состоят из дипольных стержневых элементов, размещённых в линии вдоль опорной балки. Однако принцип их работы различается.
Добавление элементов к антенне Яги обычно повышает её направленность и коэффициент усиления в сравнительно узкой полосе частот. В логопериодической антенне увеличение числа элементов прежде всего расширяет рабочий диапазон частот и способствует сохранению стабильных характеристик в этом диапазоне.
Конструктивное отличие состоит в том, что у антенны Яги к линии передачи подключён только один активный управляемый элемент, а остальные элементы являются паразитными. В логопериодической антенне, напротив, несколько элементов электрически связаны с линией питания и участвуют в формировании излучения в разных участках диапазона.
По сравнению с антенной Яги логопериодическая антенна обычно обеспечивает меньший коэффициент усиления, но значительно более широкую полосу рабочих частот.
Характеристики
- Диапазон рабочих частот — широкий; определяется размерами крайних вибраторов: нижняя граница зависит от длины самого длинного элемента, верхняя — от длины самого короткого.
- Коэффициент стоячей волны — в рабочем диапазоне обычно сохраняется на приемлемом уровне, что обеспечивает согласование антенны с фидерной линией.
- Коэффициент усиления — как правило, умеренный по сравнению с узкополосными направленными антеннами аналогичных размеров.
- Диаграмма направленности — обычно однонаправленная, с выраженным главным лепестком и сравнительно невысоким уровнем заднего излучения.
- Входное сопротивление — в широком диапазоне частот изменяется сравнительно мало, что является одним из важных достоинств логопериодических антенн.
Типичные ограничения логопериодических антенн
- При расширении полосы пропускания обычно снижается достижимый коэффициент усиления.
- В низкочастотных диапазонах антенна может иметь значительные габариты из-за большой длины крайних элементов.
- Характеристики антенны заметно зависят от точности изготовления и соблюдения расчётных размеров.
- На работу антенны могут влиять условия установки и близость окружающих металлических конструкций[7].
Использование
Телевизионный приём
Наиболее распространённое применение логопериодических антенн — наружные телевизионные антенны для приёма сигналов в диапазонах ОВЧ и УВЧ.
Радиосвязь
- логопериодические антенны используются в профессиональных системах радиосвязи, требующих работы на разнесённых частотах;
- в любительской радиосвязи они ценятся за широкий диапазон частот без перенастройки и сравнительно простую конструкцию;
- в коротковолновом вещании такие антенны применяются в качестве передающих антенн на мощных станциях.
Измерительная техника
- измерение электрической составляющей электромагнитного поля;
- работа совместно с анализаторами спектра и другими измерительными приёмными устройствами;
- использование в составе приёмных измерительных комплексов.
Специализированные области
- радиомониторинг;
- пеленгация источников радиоизлучения;
- специальные технические системы обнаружения и контроля радиоизлучения;
- сотовая связь и телекоммуникации — приём и передача сигналов в различных стандартах связи;
- авиация и навигация — наземные системы навигации и посадки, а также связь с воздушными судами;
- военные системы связи и радиолокации;
- научные исследования, связанные с оптимизацией параметров логопериодических антенн, разработкой микрополосковых конструкций и моделированием новых вариантов.
Галерея
Логопериодическая антенна
История изобретения
С разработкой логопериодических антенн связаны как работы Джона Данлэви (John Dunlavy), выполнявшиеся для ВВС США в начале 1950-х годов, так и последующие исследования и патенты Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, где в конце 1950-х — начале 1960-х годов были созданы и запатентованы различные варианты логопериодических антенн. В патентную историю этого направления вошли, в частности, работы Дуайта Э. Исбелла (Dwight E. Isbell), Пола Е. Мэйеса, Роберта Л. Каррела и других разработчиков.
Патентные споры вокруг этих антенн привели к известному делу Blonder-Tongue Laboratories, Inc. v. University of Illinois Foundation (1971), ставшему важным прецедентом в патентном праве США[8].
Коротковолновые широковещательные антенны
Логопериодическая антенна используется в качестве передающей антенны на мощных станциях коротковолнового вещания[9], поскольку её широкая полоса пропускания позволяет одной антенне передавать сигналы на частотах сразу нескольких диапазонов. В таких системах применяется и логарифмическая зигзагообразная конструкция, включающая до 16 секций. Крупные антенны этого типа обычно рассчитываются на диапазон от 6 до 26 МГц, хотя существуют и варианты для более низких частот.
.JPG)
Также существуют конструкции антенн номинальной мощностью до 500 кВт. Вместо параллельного подключения элементов к центральной линии передачи в них может использоваться последовательное соединение элементов по внешним краям. Такая антенна имеет коэффициент усиления около 14 дБи, а Антенная решётка, состоящая из двух таких антенн, расположенных одна над другой и работающих в фазе, может иметь коэффициент усиления до 17 дБи.
Во всём рабочем диапазоне частот основные характеристики антенны — диаграмма направленности, коэффициент усиления и входной импеданс — остаются сравнительно стабильными, а при подключении к фидерной линии 300 Ом коэффициент стоячей волны в этом диапазоне не превышает 2:1.
Использование в России
В России логопериодические антенны применяются в измерительной технике, системах радиосвязи, телевещании и научных исследованиях. Отечественные публикации описывают как классические логопериодические вибраторные антенны, так и их специализированные варианты для измерительных комплексов, телекоммуникационных систем и задач радиомониторинга.
Примечания
Литература
- John Daniel Kraus. Antennas. — Subsequent. — McGraw-Hill College, 1988. — P. 892. — ISBN 978-0-070-35422-7. $ 15-5: The Log-Periodic Antenna, p. 703—708.
- Хватов Р. А., Дорошенко В. М., Киркица В. А. Моделирование логопериодической антенны по заданным параметрам // Математическое моделирование, компьютерный и натурный эксперимент в естественных науках. — 2025. — № 2. — doi:10.24412/2541-9269-2025-2-23-29.
- Егорова Евгения Дмитриевна, Ищенко Евгений Алексеевич, Медведев Александр Евгеньевич, Пацев Денис Вячеславович, Фёдоров Сергей Михайлович. Печатная логопериодическая антенна для широкополосного пеленгационного комплекса // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2024. — № 4. — doi:10.36622/1729-6501.2024.20.4.015.
- Моисеенко Алексей Алексеевич, Чернышёв Антон Юрьевич. Минимизация конструктивных параметров частично печатных логопериодических вибраторных антенн для системы локального подавления сигналов управления беспилотных летательных аппаратов 800 МГц 900 МГц // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2024. — № 1. — doi:10.36622/1729-6501.2024.20.1.009.