Логопериодическая антенна

Логопериодическая антенна (ЛПА) — это класс направленных широкополосных антенн, конструкция которых основана на принципе логопериодической структуры, где геометрические размеры элементов изменяются по логарифмическому закону. Относится к классу антенн бегущей волны, обеспечивая постоянство электрических характеристик (входного сопротивления, коэффициента усиления, диаграммы направленности) в широком диапазоне частот, обычно с перекрытием 10:1 и более. ЛПА нашла применение в системах радиосвязи, телевидения, радиолокации, радиоастрономии и измерительной технике.

История

Разработка логопериодических антенн началась в 1950-х годах в США и СССР. Первые теоретические основы были заложены Р. Х. Дюамелем и Д. Э. Исбеллом (1957), которые предложили использовать геометрическое подобие элементов для расширения полосы пропускания. В 1958 году В. Х. Рамзи и Дж. Д. Краус (США) опубликовали работы, описывающие принцип логопериодической структуры, а в 1959 году Дж. Т. Болджер (США) запатентовал первую практическую конструкцию ЛПА. В СССР исследования в этой области проводились под руководством М. С. Неймана и А. Л. Драбкина, что привело к созданию промышленных образцов для телевизионного и радиовещательного приёма в 1960-х годах.

Конструкция и принцип действия

Геометрия

Логопериодическая антенна состоит из набора вибраторов (элементов), расположенных вдоль несущей стрелы (штанги). Длина каждого последующего элемента и расстояние до него от вершины антенны изменяются по логарифмическому закону с постоянным коэффициентом τ (тау), называемым периодом структуры. Обычно τ находится в диапазоне 0,7–0,9. Чем ближе τ к 1, тем больше элементов и шире полоса пропускания, но ниже коэффициент усиления.

Основные параметры геометрии:

• Длина вибратора Ln = L0 × τⁿ, где n — номер элемента.
• Расстояние от вершины до элемента dn = d0 × τⁿ.
• Угол раскрыва α — угол между линиями, соединяющими вершину с концами вибраторов; обычно составляет 10–30°.

Принцип работы

ЛПА работает как антенна бегущей волны. В активной области — зоне, где длина вибратора близка к половине длины волны принимаемого/излучаемого сигнала — возникает резонанс. Элементы, расположенные ближе к вершине, имеют меньшую длину и работают на более высоких частотах, а дальние — на низких. Благодаря логопериодической структуре активная область плавно смещается вдоль антенны при изменении частоты, что обеспечивает широкополосность.

Входное сопротивление ЛПА слабо зависит от частоты и обычно составляет 50–300 Ом (чаще всего 75 или 300 Ом). Для согласования с коаксиальным кабелем (50 или 75 Ом) часто используется симметрирующий трансформатор (балун).

Классификация

Логопериодические антенны классифицируются по нескольким признакам:

По типу вибраторов

• Симметричные вибраторы — классическая конструкция с двумя плечами каждого элемента. Обеспечивает симметричную диаграмму направленности.
• Несимметричные (монопольные) — один из полюсов вибратора заменён землёй (противовесом). Используются в мобильных и портативных устройствах.
• Логопериодические спиральные антенны — вибраторы выполнены в виде спиралей, что позволяет работать в сверхширокой полосе (до 40:1).

По поляризации

• Линейная поляризация — стандартная конструкция с горизонтальным или вертикальным расположением вибраторов.
• Круговая поляризация — достигается использованием спиральных или скрещенных вибраторов.

По конструкции

• Одноэтажные — одна линия вибраторов на одной стреле.
• Многоэтажные (стековые) — несколько ЛПА, расположенных друг над другом, для увеличения коэффициента усиления.
• Печатные — выполнены на диэлектрической подложке методом травления; компактны, но имеют меньшую мощность.

Характеристики

Диапазон частот

ЛПА способна работать в диапазоне от десятков килогерц (в составе мощных передающих систем) до десятков гигагерц (в СВЧ-устройствах). Типичные промышленные модели перекрывают диапазон 30–3000 МГц.

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления ЛПА относительно изотропного излучателя (dBi) обычно составляет 5–12 dBi. Для многоэтажных конструкций может достигать 15–18 dBi.

Диаграмма направленности

ЛПА имеет одностороннюю диаграмму направленности с главным лепестком, направленным от вершины к основанию. Ширина главного лепестка по уровню половинной мощности составляет 30–60° в горизонтальной плоскости и 40–80° в вертикальной, в зависимости от конструкции.

Входное сопротивление

Входное сопротивление ЛПА в рабочей полосе частот колеблется в пределах 10–20% от номинального значения, что упрощает согласование с фидером.

Применение

Телевизионный приём

ЛПА широко используется для приёма эфирного телевидения в диапазонах ДМВ (470–862 МГц) и МВ (48–230 МГц). В России и странах СНГ такие антенны устанавливаются в частных домах и дачах для приёма цифрового телевидения стандарта DVB-T2.

Радиосвязь

В профессиональной и любительской радиосвязи ЛПА применяются для работы на нескольких диапазонах (например, 144–430 МГц) без перестройки. Используются в ретрансляторах, базовых станциях и мобильных комплексах.

Радиолокация

В системах радиолокации ЛПА применяются как облучатели зеркальных антенн или как самостоятельные антенны для широкополосного поиска целей.

Радиоастрономия

В радиоастрономии ЛПА используются в составе многодиапазонных радиотелескопов, например, в системе LOFAR (Low-Frequency Array, Нидерланды) для наблюдения на частотах 10–250 МГц.

Измерительная техника

ЛПА применяются в измерительных антеннах для электромагнитной совместимости (ЭМС) и тестирования радиоэлектронных устройств благодаря равномерной частотной характеристике.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Широкий диапазон рабочих частот (до 10:1 и более).
• Постоянство входного сопротивления и диаграммы направленности в полосе.
• Относительная простота конструкции и низкая стоимость изготовления.
• Возможность работы на нескольких частотах без перестройки.

Недостатки

• Меньший коэффициент усиления по сравнению с узкополосными антеннами (например, Yagi-антеннами) при одинаковых габаритах.
• Большие размеры для низкочастотных диапазонов (длина антенны может достигать нескольких метров).
• Чувствительность к помехам от близкорасположенных металлических объектов.

Интересные факты

• ЛПА является одной из немногих антенн, у которой электрические характеристики остаются практически неизменными при изменении частоты в 10 раз.
• В 1960-х годах ЛПА использовалась в советских телевизионных ретрансляторах для обеспечения приёма в удалённых районах.
• Современные печатные ЛПА находят применение в системах связи 5G и Wi-Fi 6E для работы в диапазонах 3,5–7,1 ГГц.

Источники

• Дюамель Р. Х., Исбелл Д. Э. «Логопериодические антенны», 1957.
• Болджер Дж. Т. «Логопериодическая антенна», патент США № 2,958,081, 1959.
• Краус Дж. Д., Мархейка Р. Дж. «Антенны», 3-е издание, 2002.
• Нейман М. С. «Антенны и распространение радиоволн», 1965.
• ГОСТ Р 52789-2007 «Антенны логопериодические. Общие технические условия».