[главная] [содержание]
А Н Т Е Н Н Ы
[главная] [содержание]
|
Логопериодические антенны Направленные свойства и основные характеристики большинства антенн изменяются при изменении частоты и длины волны принимаемого сигнала. Если антенной принимается сигнал не того канала, на который рассчитаны размеры антенны, у узкополосных антенн резко падает коэффициент усиления, ухудшаются КБВ и КЗД, искажается форма диаграммы направленности, порой направление ее главного лепестка отклоняется от геометрической оси антенны. Широкополосные антенны отличаются от узкополосных тем, что изменения их характеристик оказываются значительно меньше и носят монотонный характер в широком диапазоне частот. Одним из типов антенн, обладающих практически неизменной формой диаграммы направленности и постоянными характеристиками в широком диапазоне частот, являются антенны с логарифмической периодичностью структуры, которые сокращенно называются логопериодическими — ЛПА. Эти антенны отличаются очень широким рабочим диапазоном частот: отношение максимальной длины волны принимаемого сигнала к минимальной оказывается больше десяти. Во всем диапазоне обеспечивается хорошее согласование антенны с фидером, а коэффициент усиления практически остается неизменным. Внешний вид антенны с логарифмической периодичностью параметров показан на рис. 4.21, а. Полотно антенны образовано собирательной линией в виде двух труб, расположенных одна над другой, к которым поочередно крепятся плечи вибраторов так, что левое плечо одного вибратора крепится к верхней трубе собирательной линии, а правое плечо того же вибратора — к нижней. V следующего вибратора, наоборот, левое плечо крепится к нижней трубе, а правое — к верхней. Схематически такая антенна показана на рис. 4.21, б, где сплошными линиями изображены плечи вибраторов, соединенные с верхней трубой собирательной линии, а штриховой линией — соединенные с нижней трубой. Рабочая полоса частот антенны со стороны наибольших длин волн зависит от размеров наиболее длинного вибратора, а со стороны наименьших длин волн — от размеров наиболее короткого вибратора. Вибраторы вписаны в равнобедренный треугольник с углом при вершине а и основанием, равным наибольшему вибратору. Антенна ориентируется в пространстве так, чтобы вершина треугольника была направлена на передатчик. Для логарифмической структуры полотна антенны должно соблюдаться одинаковое соотношение между длинами соседних вибраторов и между расстояниями от них до вершины структуры. Это соотношение носит название периода структуры t: В2/В1=ВЗ/В2=...=А2/А1=АЗ/А2=...=t
а)
б) Рис. 4.21. Логопериодическая антенна Таким образом, размеры вибраторов и их расстояния от вершины треугольника уменьшаются по закону убывающей геометрической прогрессии со знаменателем, равным t. Характеристики антенны определяются периодом структуры и углом при вершине описанного треугольника. Чем меньше угол (и чем больше период структуры t (который всегда остается меньше единицы), тем больше коэффициент усиления антенны и меньше уровень заднего и боковых лепестков диаграммы направленности. Однако при этом увеличивается количество вибраторов структуры и длина антенны, растут габариты и масса антенны. Поэтому при выборе угла и периода структуры приходится принимать компромиссное решение. Наиболее часто угол а выбирается в пределах от 30 до 60°, а период структуры t— от 0,7 до 0,9. Подключение фидера к ЛПА, показанной на рис. 4.21, а, производится без специального симметрирующего и согласующего устройства следующим образом. Кабель с волновым сопротивлением 75 Ом вводится внутрь нижней трубы со стороны заднего конца А и выходит у переднего конца Б. Здесь оплетка кабеля припаивается к концу нижней трубы, а центральная жила кабеля — к концу верхней трубы. В зависимости от длины волны принимаемого сигнала в структуре антенны возбуждаются несколько вибраторов, размеры которых наиболее близки к половине длины волны сигнала. Поэтому ЛПА по принципу действия напоминает несколько соединенных вместе антенн "Волновой канал", каждая из которых содержит вибратор, рефлектор и директор. На каждой длине волны сигнала возбуждается только одна тройка вибраторов, а остальные настолько расстроены, что не оказывают влияния на работу антенны. Это приводит к тому, что коэффициент усиления ЛПА оказывается меньше, чем коэффициент усиления антенны "Волновой канал" с таким же количеством элементов, но зато полоса пропускания получается значительно шире. В связи с тем что в последние годы получило очень широкое развитие многопрограммное телевизионное вещание, возрастает необходимость использования широкодиапазонных антенн, способных перекрывать диапазоны метровых и дециметровых волн. Как видно из приведенных конструкций антенн бегущей волны и логопериодических антенн, для достижения широкодиапазонности используется принцип взаимной расстройки элементов антенны — подобно тому как в широкополосных усилителях высокой частоты расширение полосы пропускания достигается взаимной расстройкой контуров. Как для широкополосных усилителей, так и для широкодиапазонных антенн можно считать общим принципом следующий: для данной конструкции антенны является постоянным произведение коэффициента усиления антенны на полосу ее пропускания. Чем шире полоса пропускания, тем меньше коэффициент усиления при данных габаритах антенны. В радиолюбительской литературе приводилось много различных вариантов ЛПА. Здесь можно предложить конструкцию логопе-риодической антенны, содержащей 10 вибраторов и рассчитанной на работу в диапазоне 12-метровых каналов, размеры которой сведены в таблицу 4.14. Таблица 4.14. Размеры 12-канальной логопериодической антенны
В таблице приводится длина каждого вибратора В согласно рис. 4.21, б. Так как при изготовлении антенны вершина треугольника, от которой отсчитываются расстояния до вибраторов, недоступна, в таблице приводятся расстояния от данного вибратора до следующего — а. Собирательная линия образована двумя трубами диаметром 30 мм при расстоянии между осевыми линиями труб 45 мм. Антенна содержит 10 вибраторов (20 плеч), которые выполнены из трубок диаметром 8...15 мм. Расчет антенны выполнен исходя из значений угла при вершине описанного треугольника ос=45° и периода структуры t=0,84. Расчетный коэффициент усиления антенны составляет 6 дБ, что соответствует увеличению напряжения сигнала на выходе этой антенны в 2 раза по сравнению с полуволновым вибратором. Коэффициент усиления практически не изменяется по диапазону. Длина труб собирательной линии составляет 2900 мм. Трубы выступают за точки установки самых коротких полувибраторов примерно на 30 мм. Для обеспечения параллельности труб собирательной линии и их стяжки используются три пары брусков из оргстекла высотой 120 мм, шириной 50 мм и толщиной 25 мм, в которых делаются полуцилиндрические проточки глубиной 14 мм на расстоянии, соответствующем расстоянию между трубами. Каждая пара брусков стягивается винтами с гайками. Средняя пара этих брусков устанавливается в центре тяжести антенны и крепится к мачте. Еще одна, самая простая логопериодическая антенна, которую можно изготовить из подручных материалов буквально за полчаса, показана на рис. 4.22. Несущей конструкцией антенны является треугольник, собранный из деревянных брусков с поперечным сечением 15x15 мм. Бруски скрепляются между собой при помощи треугольных фанерных косынок, прибитых к брускам с одной стороны треугольника гвоздиками. С другой стороны в бруски 1 и 2 нужно вбить гвоздики на расстояниях от точки А, показанных на рисунке. Полотно антенны образовано двумя кусками медного провода 6 диаметром 1,0... 1,5 мм. Один кусок провода прокладывается прямо вдоль бруска 4 до точки А, а второй огибает гвоздики, приобретая зигзагообразную форму, и припаивается к прямому проводу в точке А и на всех пересечениях с ним. К вершине треугольника двумя гвоздиками прибивается диск 5 диаметром 50 мм, вырезанный из белой жести от консервной банки. В центре этого диска делается маленкое отверстие. Антенна крепится к мачте из дерева или металла в центре тяжести. Полотно антенны располагается на верхней поверхности треугольника, должно лежать в горизонтальной плоскости и быть направлено вершиной треугольника на телевизионный передатчик.
Рис. 4.22. Проволочная логопериодическая антенна Фидер из 75-омного коаксиального кабеля поднимается по мачте и должен подходить к середине бруска 3. Далее он прокладывается вдоль бруска 4 по его нижней поверхности и подвязывается к нему в нескольких местах капроновой леской. В вершине треугольника оплетка кабеля припаивается к точке А, а центральная жила вставляется в центральное отверстие диска и припаивается к нему. Антенна может использоваться в качестве комнатной или наружной. В квартире вместо мачты применяется вертикальная стойка из металлической или пластмассовой трубки либо деревянная рейка на тяжелой подставке. Для наружной антенны деревянный треугольник нужно проолифить и прокрасить масляной краской, а узел в вершине треугольника после припайки кабеля герметизировать. Антенна рассчитана на прием телевизионных передач в дециметровом диапазоне с 24-го по 51-й канал. На равнинной местности такая наружная антенна обеспечивает уверенный прием на расстоянии до 30 км от телецентра, хотя имеются сообщения телезрителей, принимающих передачи Останкинского телецентра на расстоянии 80 км при хорошем качестве изображения. Антенна приведенной выше конструкции является плоской. Существуют также объемные конструкции логопериодических антенн, которые характеризуются тем, что трубы собирательной линии не параллельны, а разведены под некоторым углом в вертикальной плоскости. Если рассмотренная выше логопериодическая антенна окажется недостаточно эффективной, ее можно усложнить, добавив к ней еще одну такую же антенну, как показано на рис. 4.23. Оба треугольные каркаса — верхний 1 и нижний 2 — крепятся к мачте под углом 60° при сходящихся вершинах треугольников. Проволочное полотно верхней антенны должно располагаться сверху, а нижней антенны — снизу. Телевизионный кабель 4 поднимается по мачте к концу прямого провода полотна нижней антенны 3, прокладывается по среднему бруску каркаса рядом с прямым проводом и в нескольких точках подвязывается к бруску капроновой леской. В вершине треугольника оплетка кабеля припаивается к точке А нижней антенны, а центральная жила — к точке А верхней антенны. В этой конструкции жестяные диски в вершинах треугольных каркасов не устанавливаются.
На равнинной местности такая антенна может обеспечить уверенный прием телевизионных передач на расстоянии до 50 км от телецентра. Поскольку в условиях слабого сигнала желательно располагать антенну повыше над поверхностью Земли, это приводит к увеличению длины фидера и к соответствующему ослаблению сигнала. Поэтому желательно использовать телевизионный кабель, обладающий небольшим погонным затуханием, например марки РК75-9-13. Если марка телевизионного 75-омного кабеля не известна, следует выбрать наиболее толстый кабель из имеющихся. Выпускаются и промышленные логопериодические антенны. Белорусским заводом "Изотрон", входящим в НПО "Интеграл", выпускается 37-злементная наружная логопериодическая антенна АТЛПД-37/21-60. Антенна предназначена для приема телевизионных сигналов в дециметровом диапазоне в пределах 21...60-го каналов. Средний по диапазону коэффициент усиления антенны составляет не менее 10 дБ, габариты — 820x352x90 мм, масса не более 1,5 кг. Один из простых вариантов антенны показан на рис.1. Антенна состоит из ряда параллельных вибраторов, подключенных к двухпроводной линии с последовательной переполюсовкой точек питания вибраторов. Длины вибраторов и расстояния между ними убывают в геометрической прогрессии в направлении к точкам подключения фидера. Позади самого длинного вибратора устанавливают короткозамыкающую перемычку, улучшающую согласование антенны с фидером и обеспечивающую симметрирование.
Кабель пропускают внутри одной из трубок двухпроводной линии и припаивают со стороны самого короткого вибратора, как показано на рис.1. Характеристики антенны зависят от знаменателя геометрической прогрессии т, характеризующего скорость убывания длин вибраторов и расстояний между ними, и угла ф при вершине треугольника, в который вписаны вибраторы. Чем ближе т к единице и чем меньше ф, тем больше коэффициент усиления антенны, однако при этом возрастают ее габариты и масса. На практике принимают обычно т =0,8—0,9 и ф=30—40°, что позволяет получить достаточно высокий коэффициент усиления при относительно небольших габаритах и массе. При выбранных т и ф размеры антенны можно определить графически исходя из Lmax и Lmin — максимальной и минимальной длин волн рабочей полосы частот. Сначала следует определить длину l1 первого (наибольшего) вибратора, которая должна составлять 0,55 Lmax, после чего начертить равнобедренный треугольник с основанием, равным длине первого вибратора в уменьшенном масштабе (например, 1 : 20 или 1 : 50), и выбранным углом ф при вершине. В дальнейшем все построения и расчеты следует выполнять с учетом этого же масштаба. Второй вибратор располагают на расстоянии d1 = (0,15—0,18) Lmax. Длина его l2 равна длине отрезка прямой, проведенной параллельно основанию на расстоянии ri,.
Третий вибратор располагают на расстоянии d2=d1т от второго, а длина его l3 равна длине отрезка прямой, проведенной на этом расстоянии от второго вибратора. Аналогично определяется длина четвертого вибратора, расположенного на расстоянии d3=d2т от третьего, и т. д. Последним является вибратор, длина которого будет меньше 0,45 Lmin. На рис.2,а показаны размеры антенны на каналы 1—12, на рис.2,б — на каналы 1—5, на рис.2,в — на каналы 6—12. Пользуясь описанной методикой, можно рассчитать антенну на каналы 1—41, а также для другой требуемой полосы частот. Коэффициент усиления антенны 6—7 дБ, уровень побочных лепестков—от —12 до —14 дБ, КБВ — более 0,5. Диаметр трубок двухпроводной линии 22 мм, расстояние между центрами 32 мм, диаметр вибраторов 12— 14 мм. Кабель снижения — с волновым сопротивлением 75 Ом.
Размеры антенны для диапазона 850-950 МГЦ (радиотелефоны)
Теоретически параметры:
|
[главная] [содержание]
