Логопериодическая антена с контрасными диапозонами

                                           СОДЕРЖАНИЕ

1. Исходные данные для расчета антенны……………………….3.
2. Обоснование  выбора антенны…………………….…………..4.
3. Описание логопериодической  антенны………….…………...6.
4. Общая  методика расчета………………………….……………8.
5. Расчет логопериодической антенны с заданными параметра-

ми………………………………………………………………..10.

6. Особенности изготовления и крепления антенны……………11.
7. Литература………………………………………………………12.     

 

                                  ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА.

Выполнить  расчет   антенны для  приема 8-12 и 21-24 каналов  телевизионного вещания. Поляризация  горизонтальная. Коэффициент усиления  6-8 dB.

Частота передачи 8 канала (усредненное)-194МГц.

Частота передачи 24 канала ( усредненное )- 498МГц.

 

                            ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА АНТЕННЫ.

Направленные свойства диапазонных  антенн коротковолнового диапазона (ромбических антенн, АБВ, синфазных горизонтальных антенн и др.) существенно меняются с изменением длины волны. Наряду с этим изменяется и ориентация ДН относительно поверхности земли угол возвышения максимума ДН увеличивается примерно пропорционально длине волны. Ввиду этого для перекрытия необходимого рабочего диапазона и увеличения коэффициента усиления антенны является построение многоэлементных решеток. Антенное устройство при этом существенно усложняется как с точки зрения конструкции в целом, так и в отношении распределительных кабелей, которые должны обеспечить максимальную передачу высокочастотной энергии из элементов решетки в кабель снижения и далее в приемник. Антенное устройство при этом существенно усложняется как с точки зрения конструкции в целом, так и в отношении распределительных кабелей, которые должны обеспечить максимальную передачу высокочастотной энергии из элементов решетки в кабель снижения и далее в приемник.

 Это приводит к необходимости  большей площади для размещения  антенных систем, к увеличению  затрат на их сооружение и к усложнению системы коммутации антенн.

Следует отметить, что применение комплекта антенн не устраняет зависимости направленных свойств антенной системы от длины волны. Это особенно нежелательно в радиотелевещании, где сектор обслуживания, определяемый пространственной ориентацией ДН, ее шириной, не должен изменяться при смене рабочей волны. Коротковолновую антенну с практически постоянной ДН во всем рабочем диапазоне волн  высоким согласованием с питающим фидером можно построить на базе частотно-независимых антенн. Частотно-независимые антенны конструируются на основе принципа электродинамического подобия, в соответствии с которым две антенны на волнах f₁ и f₂ имеют одинаковые электрические характеристики, если все их геометрические размеры пропорциональны отношению длин  волн. При этом проводимость окружающей среды и материала, из которого выполняются обе антенны, должны изменяться в соответствии с тем же отношением. Последнее требование при выполнении антенн из металла с высокой удельной проводимостью и при размещении антенн в воздухе не является решающим и может не выполняться. Важнейшим требованием является обеспечение высокой направленности, позволяющее уменьшить мешающее влияние помех и ослабить замирания, связанные с многолучевым приемом.

Направленность приемной антенны  обеспечивается использованием некоторого числа приемных элементов, соединенных таким образом, чтобы при приеме с главного направления их сигналы на входе приемника складывались в фазе. При приеме с других направлений сигналы, принимаемые различными элементами антенны, складываются не в фазе и гасят друг друга. Эквивалентность характеристик антенны в режимах приема и передачи, в частности совпадение ДН, вытекает из принципа взаимности.

При использовании остронаправленных  антенн принимаемый уровень сигнала  обычно достаточно велик, так что  согласование и КПД антенны и  фидерного тракта не играют существенной роли. В тех случаях, когда применение крупногабаритных направленных антенн затруднительно или нецелесообразно ввиду конкретной   помеховой обстановки в месте приема, требования к КПД и согласованию антенны возрастают, однако и в этом случае они обычно ниже, чем соответствующие требования к передающей антенне, где они вызываются, в первую очередь, необходимостью обеспечить высокую электрическую прочность.

    Непременным условием, при котором практически выполнимая антенна может считаться частотно-независимой, является достаточно малое изменение ее электрических характеристик в пределах одного периода изменения частоты.

Один из типов антенн с  неизменной формой диаграммы направленности в широком диапазоне частот - антенны  с логарифмической периодичностью структуры ( JIПA ). Эти антенны отличаются широким диапазоном: отношение максимальной длины волны принимаемого сигнала к минимальной превосходит десять. Во всем диапазоне обеспечивается хорошее согласование антенны с фидером, а коэффициент усиления практически остается постоянным.  Поэтому для расчета был выбран именно этот тип антенны.      Ниже  показан график диаграммы направленности.

 

 

 

 

 

 

 

 

ОПИСАНИЕ ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ ( ЛПА ).

Внешний вид ЛПА показан на рис.1 . Она образована собирательной линией в виде двух труб, расположенных одна над другой, к которым крепятся плечи

 

                     ОПИСАНИЕ ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ (ЛПА).

Внешний вид ЛПА показан на рис1,а. Она образована собирательной линией в виде двух труб, расположенных одна над другой, к которым крепятся плечи 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 L1, а со стороны наименьших длин волн - от размера наиболее короткого вибратора. Вибраторы вписаны в равнобедренный треугольник с углом при вершине α и основанием, равным наибольшему вибратору. Для логарифмической структуры полотна антенны должно быть выполнено определенное соотношение между длинами, соседних вибраторов, а также между расстояниями от них до вершины структуры. Это соотношение носит название периода структуры τ: L₂/L₁ == L₃/L₂ = ... = A₂/A₁ = А₃/А₂ = ... = τ.

Таким образом, размеры вибраторов и расстояния до них от вершины  треугольника уменьшаются в геометрической прогрессии. Характеристики антенны определяются периодом структуры и углом при вершине описанного треугольника. Чем меньше угол α и чем больше период структуры τ (который всегда остается меньше единицы), тем больше коэффициент усиления антенны и меньше уровень заднего и боковых лепестков диаграммы направленности. Однако при этом увеличивается число вибраторов структуры, растут габариты и масса антенны. Поэтому при выборе угла и периода структуры приходится принимать компромиссное решение. Наиболее часто угол α выбирают в пределах 30...60°, а период структуры τ - в пределах 0,7...0,9.

Подключение фидера к ЛПА, показанной на рис. 1.б , производится без специального симметрирующего и согласующего устройства следующим образом. Кабель с волновым сопротивлением 75 Ом вводится внутрь нижней трубы с конца А и выходит у конца Б. Здесь оплетка кабеля припаивается к концу  нижней трубы, а центральная жила - 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 антенн "Волновой канал", соединенных вместе, каждая из которых содержит вибратор, рефлектор и директор. На данной 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 числом элементов, но зато полоса пропускания получается значительно шире.   Для достижения широкополосности используется принцип взаимной расстройки элементов антенны подобно тому, как в широкополосных усилителях расширение полосы пропускания достигается взаимной расстройкой контуров.

 

         Как для усилителей, так и для антенн можно считать общим принципом постоянство для данной конструкции произведения коэффициента усиления на полосу пропускания. Чем шире полоса пропускания, тем меньше коэффициент усиления при данных габаритах антенны.

 

 

 

 

 

 

                       

                           

 

 

                             

 

 

 

                              ОБЩАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ

      Исходными  данными для расчета являются  требуемый коэффициент усиления относительно полуволнового вибратора К и крайние длины волн рабочего диапазона λмах и λмин. Обозначение размеров в расчетных формулах соответствуют рис. 1 а.

   Расчет производится  в следующей последовательности.

1. Выбираем период структуры τ в пределах 0,8—0,95 и по графику заданного коэффициента усиления на рис. 2. определяем относительное расстояние σ.                               2.Определяем а — половину угла   при вершине антенны, предварительно вычислив  tg α по формуле tg α=(1—τ)/4 .                                                  3.Исходя из полученного угла α, определяем по графику на рис. 3. вспомогательный коэффициент B1.           4.Определяем коэффициент   перекрытия    рабочего   диапазона Вр:                           Вр =λмакс/λмин.                   5.Определяем    вспомогательный    коэффициент  В2: В2=В1Вр.             6.Определяем длину активной    части антенны L , занимаемой  вибраторами  :  

                                                             

7.    Определяем необходимое  число вибраторов N :                8.     8.  Определяем длины вибраторов: L₁ =λ_мах /2 , L₂ =L₁ τ , L₃ =L₂ τ и т, д.

9.  Определяем  расстояния  между вибраторами: d₁ =2L₁ δ , d₂ =d₁ τ , d₃ =d₂ τ , и т.д.                                                     10.Определяем       расстояние от первого (наиболее длинного) вибратора  до короткозамыкающей перемычки: Lк=0,15 λ_{мах    .}        11. Определяем  длину «среднего»  вибратора:   L_ср = (L₁+L_n)/2,      где L₁ и L_n длины соответственно первого и последнего вибраторов.                                                       12.    Определяем    отношение L_ср /d_в , где d_в-диаметр трубок,  из  которых          изготавливаются  вибраторы.                   13. По графику на рис. 4. определяем волновое сопротивление ρ двухпроводной линии, обеспечивающее получение входного сопротивления антенны, равного 75 Ом.                                                                                                        14. Исходя  из  волнового  сопротивления  ρ двухпроводной линии и диаметра трубок  выбранных для ее изготовления, определяем

 расстояние А между осями трубок с помощью формулы δ= 276 lg 2А/d_в .

                                                   На этом расчет заканчивается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЕТ   ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКОЙ  АНТЕННЫ  С ЗАДАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.

1. К=8 dB.
2. σ =0,13.
3. τ =0,94.
4. f мин = 194 МГц. λ= 1,54м. ( 8 канал ТВ ).
5. f max =498 МГц. λ= 0,60м.  (24 канал ТВ ).
6. tg α ≈15º.  В1=1,25; Вр=2,56; В2=3,2.
7. Длина активной части L=2.4м.
8. Число вибраторов N=21.
9. Определяем длины вибраторов Ln (m):

     L1=0,77м ; L2=0,72; L3=0,67; L4=0,64; L5=0,60; L6=0,56; L7=0,53; L8=0,50;

     L9=0,47;  L10=0,44;  L11=0,41;  L12=0,39;  L13=0,36;  L14=0,34; L15=0,32;

     L16=0,30; L17=0,28; L18=0,27; L19=0,25; L20=0,23; L21=0,22.

10.Определяем расстояния между вибраторами d (m):

  d1=0,20; d2=0,19; d3=0,18; d4=0,17; d5=0,16;d6=0,15; d7=0,14; d8=0,13;    d9=0,12; d10=0,116; d11=0,109; d12=0,102; d13=0,096; d14=0,09;  d15=0,085; d16=0,08; d17=0,075; d18=0,071; d19=0,066; d20=0,062.          11.Определяем длину «среднего»  вибратора   Lср= 0,49.

  12. Диаметр трубок вибратора 8мм. Волновое сопротивление ρ двухпроводной линии ≈ 110 Ом. (Для получения входного сопротивления антенны =75Ом ).                    13.Определяем расстояние до короткозамыкающей  перемычки Lk= 0,23м.  14. Расстояние между осями трубок = 0,044

 

 

 

 

 

 

        ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ  И КРЕПЛЕНИЯ АНТЕННЫ.  

    Для  придания  необходимой  жесткости  диаметр  несущих труб  желательно  выбрать 20-22 мм, к которым привариваются сами вибраторы. Материал  должен быть легким и прочным, например некоторые марки закаленных алюминиевых сплавов. Верхняя периодическая структура должна быть обязательно изолирована от нижней, так как представляют собой распределительную линию. Также для упрочнения конструкции между несущими трубами устанавливаются изоляторы  из диэлектрического  материала, слабо подверженного воздействию атмосферных осадков, перепадов температур  ( фторопласт, стеклотекстолит , капрон  и т.д ).   Антенну  крепят обязательно на деревянной  ( непроводящей  ) мачте в центре тяжести, лежит в горизонтальной плоскости и вершиной треугольника направлена на телецентр. Антенна не требует применения симметрирующего и согласующего устройств.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                        ЛИТЕРАТУРА

1.Канчинский Л.М. Телевизионные  антенны. М.:Энергия. 1979.

2.Кисмерешкин В.П. Телевизионные  антенны для индивидуального  приема. М.:    Радио и Связь. 1982.

3.Мейнке Х.; Гундлах Ф.В. Справочник. М.: Государственное энергетическое  издательство. 1960.

4.Назаров В.И.; Рыженко В.И.  Все об антеннах. М.: Оникс.2008.