Логопериодическая антенна.

1. Логопериодическая антенна, как она работает.

Всем давно известно, что логопериодическая антенна состоит из электрических вибраторов. Вибраторы можно представит четвертьволновыми резонаторами, это небольшое допущение позволяющее понять принцип широкополосности антенны, далее будут неоднократные упрощения, допущения, позволяющие «на пальцах» показать принципиальные вещи. Рассматривать будем телевизионную антенну дециметрового диапазона. (ДМВ 470-790 мГц). Каждый вибратор настроен на свою частоту, и его полоса пропускания перекрывается с соседним вибратором, примерно так.






Допустим, что частота приёма совпадает с частотой резонанса третьего вибратора, у него, будет 3дБ усиления. Вибраторы 2 и 4 расстроены относительно принимаемой частоты и дадут усиление сигнала не более 1,5дБ. Вибраторы 1 и 5 будут сильно расстроены относительно принимаемой частоты и дадут усиление 0,2дБ. Просуммировав усиление всех вибраторов, мы получим усиление антенны, порядка, 6,4дБ. Возникает законный вопрос: «Может использовать больше вибраторов, и тогда мы получим большее усиление антенны»? Это не всегда целесообразно. Дело в том, что для антенны есть такое понятие, как эквивалентная площадь антенны. Это площадь, с которой антенна собирает мощность сигнала. Например, с параболическим отражателем всё понятно – это площадь раскрыва отражателя, у диполя она напрямую не видна, но она тоже есть, площадь с которой диполь собирает сигнал. Часто её изображают в виде прямоугольника, в который вписан диполь, но правильнее эту площадь изображать в виде эллипса, в который вписан диполь.




Если диполи расположены слишком близко, то площади, с которых они собирают сигал, перекрываются. Это значит, что если один диполь собрал мощность в данном пространстве, то второй диполь не соберёт.





Следовательно, располагать диполи надо так, что бы они не затеняли друг друга, отсюда получают минимальное расстояние между диполями. Редкое размещение диполей так же ведёт к снижению усиления, поэтому у антенны есть оптимальный период расположения диполей. Период расположения диполей можно задать с помощью угла B, в который вписана антенна, его ещё называют сигма. Угол В или период антенны эквивалентные величины однозначно определяющие положение диполей на собирающей линии.

2. Куда бежишь волна?

Собственно, зачем нужен короткозамыкатель на конце антенны? Дело в том, что волна, бегущая от диполя расположенного где-нибудь в центре антенны, оказывается на развилки созданной собирающей линией (она же бум).





Если бы волна знала, что её ждёт на конце, она бы туда никогда не побежала. Зачем бежать, что бы отразится и вернутся обратно? Но волна этого ещё не знает. По этому, на развилке для неё два равноценных пути. Волна делится пополам, одна половина бежит прямиком в нагрузку, другая к короткозамыкателю, отражается и бежать в нагрузку. Конечно, на конце может быть не только четвертьволновый короткозамыкатель, но и разомкнутая полуволновая линия, но короткозамыкатель удобнее. На практике длина короткозамыкателя не 0,25 длины волны, а всего лишь 0,2 – 0,18 длины волны, это связано с укорочением волны вблизи поверхности металла, а так же с реактивной составляющей диполей.

3. Почему, собственно, логопериодическая антенна однонаправленная?

Всё происходит примерно так же, как и директорной антенне, вибратор за принимающим диполем можно рассматривать, как директор, перед принимающим диполем, как рефлектор. Плюс к этому надо учитывать, что в логопериодической антенне есть собирающая линия, по которой тоже распространяется волна со своим набегом фаз и переизлучением. Картина получается гораздо сложнее, чем в директорной антенне, но для простоты в этом плане можно приравнять директорную и логопериодическую аннтены.

4. Что будет если не совать кабель в собирающею линию?

Если отвечать на этот вопрос коротко, то ничего хорошего! Ну, давайте разберёмся. И так, начнём с простейшего диполя. Распределение электрического поля между половинками диполя симметрично.





Берём и подключаем к нему коаксиальный кабель.





Для половины диполя соединённой с центральной жилой кабеля другая половина соединённая с оплёткой кабеля и сама оплётка кабеля не различимы, по этому поле от этой половины распределяется между оплёткой кабеля и другой половиной диполя, примерно, так.





Бог с ним, что электрическое поле стало не симметрично, главное диаграмма направленности отвернула вбок и уткнулась в землю. Как следствие всего этого усиление диполя падает децибела на три. Что делать в данном случае? Надо делать симметричную линию!





У симметричной линии связь одного проводника с половиной диполя такая же, как и у другого проводника со второй половиной диполя, симметрия электрического поля не нарушается.
Возникает законный вопрос: «Почему не нарушается симметрия в логопериодической антенне при подключении кабеля»?
Симметричная линия закрывает кабель на большом протяжении. Открытая часть кабеля далека от диполя имеет с ним слабую связь и практически не влияет на электрическое поле диполей. Выглядит это примерно так.





Отсюда видно, что располагать кабель в середине собирающей линии нельзя без потери качества логопериодической антенны.





Приемлемый результат получается, если взять две металлические полосы, по ширине раза в два-три шире диаметра кабеля, и сделать из них симметричную собирающею линию. Оплётку кабеля припаять сверху, примерно так.





Как перейти с несимметричной линии на симметричную? Раньше, просто припаивали к коаксиальному кабелю симметричную линию определённой длины L. Как правило, она довольно длинная, с большими потерями. Не лучший вариант, но все же, лучше чем припаивать кабель прямо к антенне. Выглядело это примерно следующим образом





Гораздо лучшие результаты дают экспоненциальные переходы





Эти переходы могут быть и трансформаторами сопротивления.





На практике чаще используют коаксиальные трансформаторы





Есть много рекомендаций, какой длинны L, должен быть трансформатор. Всё очень просто, длинна определяется коэффициентом трансформации К=R2/R1, так же тем КСВ которым должен обладать трансформатор. Если взять КСВ=1,05 то длина трансформатора L, по отношению к длине волны будет следующая:

R2/R1 1,25 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
L/λ 0,4 0,65 1,1 1,4 1,7 2,0

Как видно, в данном случае экспонента близка к конусу. Немцы были первыми, кто начал использовать такие трансформаторы. Ещё в 30-ых годах прошлого века, они точили конус и вставляли его в трубку, получая коаксиальный трансформатор. Они были первыми и в создании симметрирующих устройств на основе коаксиальной линии.





Какое они имеют отношение к логопериодической антенне? Самое прямое. Дело в том, что наилучшей КСВ и равномерность усиления антенна имеет при сопротивлении собирающей линии 110-130Ом. Соответственно и подключать к собирающей линии надо кабель сопротивлением 110-130Ом. Вот тут на помощь и приходит коаксиальный трансформатор. Трансформатор делают непосредственно из кабеля 75Ом, вводят его в собирающею линию и припаивают к антенне.



Согласование получается хорошее, КСВ около 1,2.

5. Феррит и симметрирующие устройства.

Симметрирующие устройства на феррите непосредственно не относятся к логопериодической антенне, но тесно с ней связаны, так, как антенны не существуют сами по себе, а работают с усилителями или входными цепями приёмников. Часто сопротивление антенн надо согласовывать с этими устройствами и логопериодическая антенна здесь не исключение.
Для симметрирования и согласования антенн, как правило, используют устройства с трансформацией сопротивления и без него. Выполняют их на кольцах, трансфлюкторах (биноклях), ферритовых трубках и так далее, в зависимости от того, что удобнее в конкретном случае. До 50мГц работает простые схемы с трансформатором на феррите. Наматывают два параллельных провода. Если оба провода одной длинны, то это просто симметрирующее устройство, если у одного провода намотка в два раза больше, то это симметрирующее устройство с трансформацией сопротивления 1:4.




СВЧ ферритовые устройства выполняются на основе длинных линий (симметричные двухпроводные, коаксиальные кабели, скрутки) намотанных на феррите. Работают такие устройства в диапазоне частот 60мГц – 800мГц, при некоторых ухищрениях работают в диапазоне 50мГц – 1200мГц. Приведу пару таких устройств.



Антенные устройства допускают некоторое упрощение симметрирующих устройств, с незначительными изменениями характеристик. Например, такие:




Ну, и уж совсем упрошённое симмерирующее устройство годное для ограниченного применения.

6. Антенные усилители

Не сказать про антенные усилители, значит, многого не сказать.
Антенные усилители располагаются непосредственно на антенне. Зачем это надо? Здесь надо сделать отступление и рассказать про чувствительность приёмника. Предельная чувствительность приёмника зависит от сквозной полосы пропускания приёмника, коэффициента шума и температуры.

Рш=NkПT, где N – постоянная Больцмана, k – коэффициент шума, П – сквозная полоса пропускания, T – температура.

От коэффициента усиления чувствительность приёмника не зависит. Коэффициент усиления приёмного тракта служит только для реализации, заложенной в приёмник чувствительности. Что бы уменьшить мощность шума приёмника надо уменьшать коэффициент шума приёмника. Коэффициент шума рассчитывается по формуле.

Кприём.= К1+К2-1/h1+К3-1/ h1хh2+… Кn-1/ h1h2… hn

Он зависит от собственных шумов первого каскада приёмника, дальнейшие каскады вносят шум, делённый на коэффициент передачи предыдущего каскада. Что это значит? Если мы подсоединим антенну кабелем без усилителя, то коэффициент шума вырастут на величину потерь в кабеле. Если на антенне установлен усилитель, то шумы приёмника, в основном, будут определяться шумами усилителя, а он может быть малошумящим. Следовательно, коэффициент шума всего тракта приёмника будет маленьким. Отсюда вывод, главное в антенном усилителе не коэффициент усиления, а собственные шумы.
Шумы антенного приёмника очень важный параметр, но есть ещё целый ряд не маловажных параметров. Например, коэффициент усиления. Многие считают, чем больше коэффициент усиления антенного усилителя - тем лучше, но это не так. Избыточный коэффициент усиления может привести к перекрёстной модуляции. Выражается это в помехах на экране, а то и вовсе к появлению сразу двух программ на одном канале. В идеале антенный усилитель должен компенсировать потери в антенном кабеле плюс 3-5дБ усиления. Если взять 15м антенного кабеля sat 703 (на 800мГц 0,18 дБ/м), то он будет иметь на частоте 800мГц 2,7дБ потерь, тогда усилитель должен иметь усиление 6-8дБ.
Все твердят: «КСВ, КСВ …» а, что нам этот КСВ, главное усиление! И пусть у усилителя или у антенны КСВ 2,5, что нам с того? А вот, что: КСВ – это показатель, сколько энергии отразилось от усилителя или антенны, вклад потерянной энергии в общий сигнал не заметный, но может быть заметен результат на экране телевизора виде двоящегося или размытого изображения. И это ещё не всё, не согласованность усилителя и антенны приводит к ухудшению характеристик антенны, диаграммы направленности и коэффициента усиления.
Теперь об активных элементах усилителей, то есть о транзисторах. Начну с мифа о том, что в ДМВ диапазоне есть усилители с высоким входным сопротивлением 300 Ом и даже выше. Собирают такие усилители на полевых транзисторах, у них большое входное сопротивление. Попытаюсь развеять этот миф, таких усилителей в ДМВ диапазоне мне не встречалось. Почему? Всё очень просто, у всех транзисторов есть паразитные ёмкости. Пусть входная паразитная ёмкость транзистора будет 0,5пФ, и к ней добавим паразитную ёмкость монтажа, тоже 0,5пФ, в сумме на входе усилителя будет 1пФ. Совсем не много, но её реактивное сопротивление на частоте 800мГц будет 200Ом. Соответственно и входное сопротивление будет не более 200Ом. Если на входе усилителя использовать фильтр, в который войдёт паразитная ёмкость усилителя, то можно получить достаточно высокое входное сопротивление (Ом 200). Но такой усилитель очень широкополосным и не назовёшь, да ещё он и настройки требует. На практике СВЧ широкополосные усилители делают на входное сопротивление 50Ом, редко на 75Ом. Часто используют схему с общей базой, так, как у неё меньшие паразитные параметры.
Есть не очень распространённая схема широкополосного усилителя с обратной связью и трансформатором сопротивления на ферритовом кольце.




Обмотка отрицательной обратно связи включена последовательно со входом транзистора, что обеспечивает повышение входного сопротивления, что само по себе очень актуально для схемы с общей базой. Фактически подключённое сопротивление нагрузки трансформируется, примерно, с коэффициентом трансформации 1:1 на вход усилителя. Что это для нас значит? А, значит это то, что включив теперь нагрузку 50Ом, мы имеем входное сопротивление 50Ом, включим нагрузку 75Ом, будем иметь входное сопротивление 75Ом. Не правда ли здорово? Но это ещё не всё! Отрицательная обратная связь сильно повышает линейность усилителя, то есть снижает уровень перекрёстной модуляции. Добиться такого низкого уровня перекрёстной модуляции как в этой схеме совсем не просто. Тем более, что его можно регулировать числом витков обратной связи. Коэффициент усиления также регулируется обратной связью, очень равномерный во всём диапазоне и лежит в пределах 5-8дБ и не зависит от типа транзистора. Установив ещё один каскад усилителя, получим соответственно, 10-16дБ усиления. Всё здорово, но вот трансформатор хоть и широкополосный, но не достаточно. Без проблем усилитель на 50Омную нагрузку работает в полосе частот от 1 до 400мГц. Приложив к сборке некоторые знания и умения, диапазон работы усилителя расширяется до верхней границы в 1000мГц и даже до 1200мГц. Для нагрузки 75Ом рабочий диапазон усилителя всё же уже и лежит в пределах 1-800мГц. Для ДМВ этого достаточно.
Теперь о полевых транзисторах. В советское время был ряд полевых транзисторов, предназначенный для встраивание в микрополосковую линию, и конструктивно они были выполнены так, что имели входное сопротивление близкое к 50Ом. Например, был такой транзистор 3П605, малошумящий с коэффициентом шума, порядка 1дБ на 1000мГц (нормировался 1,5дБ на 8ГГц), и совершенно ровным коэффициентом усиления 7дБ от 1 до 5000мГц. Для частот 1000мГц м выше надо ориентироваться именно на полевые транзистора. Сейчас арсенид-галлиевые транзисторы есть не хуже, чем 3П605, надо их только правильно включить, что бы они хорошо работали на частотах выше 1000мГц. На частотах ДМВ диапазона всё просто, подойдёт простая схема с автосмещением.





Пока всё, что хотел рассказать, дальше, может быть, напишу, как это всё реализуется практически.