Логопериодическая антенна для цифрового телевидения

Касательно темы приема цифрового телевидения мы не можем обойти вниманием популярную конструкцию - логопериодическую антенну. Многие анонимы часто путают логопериодическую антенну и антенну Уда-Яги. Внешне они довольно похожи, особенно издалека. Такой себе "ёршик на палке". Однако если посмотреть поближе, то выясняется, что ёршик на логопериодической антенне расположен на двух палках, а в Уда-Яги - на одной. Это не просто какое-то внешнее отличие. Логопериодическая антенна по принципу действия кардинально отличается от Уда-Яги и относится к совершенно другому классу сверхширокополосных антенн.

 Антенна была изобретена и запатентована в 1952 году американским инженером Джоном Донлави в контексте гонки вооружений. Однако в связи с распространением в США цветного телевидения и широкого освоения ДМВ диапазона, логопериодическая антенна быстро заняла солидную долю рынка продаж телевизионных антенн и занимает до сих пор. Следует отметить, что всем известная логопериодическая вибраторная антенна (LPDA), которую мы рассматриваем в данной статье является только одним из возможных вариантов логопериодической антенны наряду с зубчатой, зигзагообразной и т.д. Дело в том, что логопериодическая структура является частным случаем большого класса сверхширокополосных антенн и может принимать совершенно разнообразные формы. Наиболее полно этот класс антенн исследовал и описал японский ученый Ясуто Мушияки (подробнее об этом у И.Гончаренко). Он доказал, что такая структура должна отвечать принципу самодополнительности и иметь волновое сопротивление Z = 0,5*Zo, где Zo - волновое сопротивление вакуума - понятие, являющееся фундаментальной физической константой, отражающей свойства фотона, не самого вакуума и не эфира! Рассматриваемая нами здесь LPDA, в отличии от Uda-Yagi не содержит пассивных элементов  - рефлектора и директоров. Все вибраторы на "ёржике" являются активными в пределах рабочей полосы частот.

Конечно же реальная конструкция не эквивалентна идеальной теоретической модели, однако не будем дальше утомлять вас историей и теорией, а сразу перейдем к делу. Рассчитать антенну достаточно просто, методика расчета изложена в первом томе Ротхаммеля: §18.2 (со стр. 341). Рассчитать по этой методе можно с помощью нашего онлайн калькулятора и для этого вовсе не нужно знание MathCAD и C++ как запугивают анонима вот на этом сайте "креативные" копирайтеры. Но все же при таком расчете аноним может оказаться в тупике при выборе значений τ и σ. Поэтому в этой статье мы выкладываем готовую оптимизированную конструкцию из доступных материалов, которые можно найти в строительных магазинах. Это 15-элементная логопериодическая ДМВ антенна для приема DVB-T2. Входное сопротивление антенны 75 Ом, усиление во всем диапазоне ДМВ около 11 dBi, КСВ не больше 1,25, подавление заднего лепестка диаграммы направленности не хуже 14 dB. В качестве траверсы - собирающей линии используется дюралевый квадратный профиль 15х15 мм, элементы изготавливаются из алюминиевых полос 15х2 мм. Схема антенны (кликните для увеличения):

Вибраторы состоят из двух половин. Каждая половина крепится к "своей" части траверсы, верхней или нижней с чередованием. На чертеже обозначены размеры вибраторов "от конца до конца", а в скобках размер половинки с учетом напуска на траверсу ("под отрез"). Каждый DIY-шник знает, что если измерять расстояния от одного до следующего элемента по очереди, то погрешности суммируются. Чтобы избежать этого, следует делать измерения вдоль таверсы от одной контрольной точки. Она на схеме обозначена как "0" и от нее идут расстояния до каждого элемента. В скобках для контроля указаны расстояния до предыдущего элемента антенны. Траверсы расположены на расстоянии 9 мм друг от друга с помощью трех-четырех пластиковых распорок. Конкретно эта конструкция не имеет короткозамкнутой перемычки за первым элементом на расстоянии λ_max/8 как в описании у Ротхаммеля. Однако короткое замыкание между траверсами по постоянному току (как и заземление всей антенны через металлическую мачту) крайне необходимо для защиты от статики. Сделать это можно отнеся точку крепления антенны к мачте металлическим хомутом на расстояние 144 мм (λ_max/4). В таком случае это короткое замыкание трансформируется к первому элементу в бесконечное сопротивление. Для отсечки тока фидер прокладывается внутри одной из траверс и подключается пайкой через лепестки возле последнего, самого короткого элемента, оплетка к той траверсе, через которую проложен фидер, центральная жила - к противоположной. Это место желательно изолировать от атмосферных осадков в пластиковый короб как на фото в шапке статьи. С антенной можно использовать бочкообразный проходной антенный усилитель, который следует располагать на мачте как можно ближе ко входу фидера в траверсу антенны.

Расчеты показывают, что простая замена полосковых элементов на трубки практически никак не отражается на характеристиках антенны. Поэтому в этой конструкции можно смело заменить полоски на трубки диаметром до 8 мм, запрессованные в центр соответствующей траверсы. Сохранить нужно только позиции элементов и общую длину каждого вибратора. Сверширокополосность LPDA невозбранно допускает такие вольности.

Антенна оптимизирована с помощью скрипта Н.Младенова и пересчитана в программе HFSS. Характеристики антенны собраны ниже (кликните на изображение для увеличения):

Входной импеданс	КСВ	Усиление
Подавление заднего лепестка	Диаграмма направленности	Эффективная площадь раскрыва

В заключении, друзья, давайте сравним логопериодическую антенну и Uda-Yagi. Они же внешне похожи, как мы отметили в начале статьи. Так какую же из них выбрать DIY-шнику для изготовления своими руками? Логопериодическая антенна имеет следующие достоинства:

1. Сверхширокополосность. Перекрыть целиком весь диапазон ДМВ, причем с запасом, для нее не составляет труда. Более того, учитывая ее недостатки, о которых речь пойдет ниже, не имеет смысла использовать логопериодическую антенну в более узкой полосе. Гуглить по запросам типа - "логопериодическая антенна на частоту 544 МГц", - как делают некоторые, либо рассчитывать антенну на узкий диапазон, не имеет смысла.
2. Постоянство характеристик в полосе пропускания. Входной импеданс, усиление, форма диаграммы направленности очень мало изменяются в рабочей полосе частот. Поэтому логопериодическую антенну можно в том числе использовать как образцово-измерительную.
3. На предыдущих достоинствах базируется высокая повторяемость конструкции. Аккуратно изготовленная логопериодическая антенна с вероятностью 99% будет работать как надо. Uda-Yagi в этом отношении более капризна.

Но и недостатки тоже присутствуют, как же без них:

1. Логопериодическая антенна с такой же длиной траверсы как правило имеет меньшее усиление, чем Uda-Yagi. А учитывая, что траверса сдвоенная, "расход железа на децибел усиления" у логопериодической антенны намного выше.
2. Реальная эффективность логопериодической антенны падает с ростом частоты. Это происходит из-за того, что рабочая активная область логопериодической антенны не постоянна как у Uda-Yagi, а смещается с ростом частоты в сторону более коротких вибраторов. В результате, эффективная площадь раскрыва (aperture efficiency) снижается с ростом частоты. Эффективная площадь раскрыва, как мы отмечали, характеризует количество энергии принимаемой антенной. Очевидно, что с уменьшением этой площади, падает мощность и, соответственно, уровень сигнала на выходе логопериодической антенны с ростом частоты.
3. Более сложная конструкция. Необходимо точно соблюдать промежуток и изоляцию между двумя траверсами и при этом сделать антенну достаточно прочной, что является довольно сложной задачей.
4. Небольшой промежуток между траверсами может собирать пыль, грязь и подвержен воздействию атмосферных осадков. Это может привести к ухудшению работы и даже к полному отказу антенны при сильном дожде и мокром снеге.

 Как видим, недостатков у логопериодической антенны даже больше, чем достоинств и она проигрывает конкурентную борьбу с Uda-Yagi по очкам. Изготовление антенны с входным сопротивлением близким к теоретическому оптимуму 0,5*Zo = 188,5 Ом может помочь устранить только последний ее недостаток. Однако, возникающие при этом сложности согласования с фидером и недостатки присущие подобным схемам согласования способны свести на нет все достоинства данной антенны. Как итог, мы рекомендуем логопериодическую антенну только в случае если ваши мультиплексы расположены в разных концах ДМВ диапазона, либо вы сомневаетесь в своих DIY-шных скиллах и вам нужен надежный результат. В противном случае Uda-Yagi более предпочтительна. В случае покупки на рынке готовой промышленной антенны не все так однозначно. Капризная Uda-Yagi требует не только тщательного расчета и оптимизации, но при массовом производстве часто нуждается в измерениях и доводки уже в железе. Это довольно затратная процедура, которой многие производители пренебрегают. В итоге часто-густо рыночные яги не имеют никаких преимуществ перед подобными им логопериодическими.

Ссылки по теме:

• EU 15-Element FLAT LPDA OPT - прототип антенны, описанной в этой статье;
• Log-periodic antenna - материал Википедии;
• Логопериодическая антенна и ее виды - обсуждение на forum-t2.com;
• Анализ промышленной логопериодической антенны Logo20 в HFSS;
• Как продают и рекламируют логопериодические антенны;
• Антенна Uda-Yagi для цифрового телевидения;