Логопериодическая антенна

λ_max/8 от вибратора. Короткозамыкатель увеличивает прочность антенны, расстояние λ_max/8 выбрано, скорее всего, из соображения, что входное сопротивление такого закороченного отрезка получается индуктивным и равным волновому сопротивлению распределительного фидера, т.е. Z_вх = iW (где i – мнимая единица,W – волновое сопротивление распределительного фидера). Кроме того, короткозамыкатель обеспечивает грозозащиту антенны, так как все вибраторы по постоянному току оказываются подключенными к экрану (к земле).

Рис. 2 Схемы возбуждения ЛПВА:

а – симметричным фидером, б – коаксиальным кабелем

2 Расчет геометрии антенны

Точный расчет логопериодической  антенны довольно сложен, но существует и простая методика расчета. Она позволяет сконструировать антенну, задавшись такими параметрами, как коэффициент направленного действия (КНД) и рабочий интервал частот. Интервал частот 870-960 Мгц (стандарт GSM-900).

Длины вибраторов логопериодической антенны и  расстояния между ними должны изменяться в геометрической прогрессии со знаменателем τ, а расстояние (выраженное в длинах волн) между полуволновым наибольшим и соседним, меньшим, вибратором характеризуется параметром σ. Параметры τ и σ связаны между собой соотношением:

σ = 0,25 (1 – τ) ctgα,

где α представляет собой угол между осью антенны  и линией, проходящей через концы вибраторов. Выбор параметров τ и σ носит компромиссный характер и влияет на число вибраторов и размеры антенны (на ее длину L между наименьшим и наибольшим вибраторами). Рекомендуется выбирать указанные параметры в соответствии со значением КНД по графику, изображенному на рис. 3

рис.3 Кривые постоянного значения КНД для различных τ и σ

На этом графике  под оптимальным подразумевается  значение σ, которому соответствует минимальное значение τ при заданном КНД антенны.

В соответствии с этим, в нашем случае при КНД=10, σ=0,17 τ=0,917. Следует отметить, что число вибраторов антенны N зависит, в основном, от значения τ, а ее размеры возрастают с увеличением σ. Кроме того, оптимальному значению σ соответствует минимуму коэффициента стоячей волны (КСВ), а при больших значениях σ диаграмма направленности становится многолепестковой.

Выбрав параметры  σ и τ вычисляем угол α по формуле:

    

Следовательно, α=7⁰

Для определения  ориентировочной длины антенны L и числа вибраторов N находят ширину «активной» области антенны B_s, под которой понимают зону, где находится резонансный вибратор с двумя другими, примыкающими к нему, из соотношения:

B_s= B*B_ar,

где B = f_max/f_min – заданный коэффициент перекрытия рабочего интервала частот, а B_ar – коэффициент, характеризующий ширину «активной» области. Коэффициент B_ar рекомендуется выбирать, исходя из τ и α по графику, изображенному на рис. 4

Рис. 4 Интерполированная зависимость 1/B_ar как функция α

В соответствии с графиком получаем:

B_ar=1,6

Тогда:

Поскольку длина  самого длинного вибратора равна  λ_max/2, то длину антенны можно определить по формуле:

Необходимое число  вибраторов можно найти из соотношения:

После этого  рассчитываем длину вибраторов и  расстояние между ними, начиная с  самого длинного, равного половине максимальной длины волны рабочего интервала частот, по формулам:

l_n+1=l_n*τ,

d_n=0.5(l_n-l_n+1)ctgα,

где d_n – расстояние между двумя вибраторами с номерами n и n+1.

Расчет геометрии  антенны производился с помощью  программы MMANA.

Ниже на рис.5 приводится вид антенны после проведенной оптимизации.

 

Рис.5 Общий вид  антенны

Номер вибратора	Длина вибратора, мм	Расстояние  между  вибраторами, мм
1	101	35
2	92	66
3	84	62
4	77	57
5	71	51
6	65	48
7	59	42

Табл. 1 Геометрические размеры расчетной антенны

На рис.6,7,8 представлены диаграммы направленности антенны, рассчитанные в свободном пространстве, на высоте λ/4 и на высоте 5м соответственно.

 

Рис.6 Диаграмма направленности антенны в свободном пространстве.

Рис.7 Диаграмма направленности антенны на высоте λ/4.

 

Рис.8 Диаграмма направленности антенны на высоте 5м.

Далее покажем, что как ведут себя КСВ, усиление и Z в заданном диапазоне частот:

Рис.9 Графики зависимости усиления и коэффициента F/B от изменения частоты в заданном диапазоне частот.

Рис.10 График зависимости КСВ от изменения частоты в заданном диапазоне частот.

Рис.11 График зависимости активного и реактивного сопротивления от изменения частоты в заданном диапазоне частот.

По этим графикам можно сказать, что в заданном диапазоне частот удалось добиться необходимого усиления (14дБ), а КСВ не превышает отметки в 2.6.

3 Монтаж логопериодической антенны

Все элементы антенн изготавливают из легких металлов, стойких к атмосферным воздействиям. При изготовлении антенны необходимо учитывать, что надежность ее работы зависит от правильности выбора материалов. Можно использовать такие материалы, как медь, сталь, латунь, алюминий и т.д.

При сборке элементов  антенны из разнородных металлов необходимо учитывать, что в местах их соприкосновения образуется контактная разность потенциалов, разрушающая  металл в месте соединения. Во избежание  коррозии металла в месте стыка материалы для изготовления элементов антенны нужно выбирать в соответствии с табл. 2.

Основной материал	Вспомогательный материал
Допустимая  контактная пара
Алюминий, дюралюминий Нелегированная  сталь   Медь, латунь, бронза	Нелегированная  сталь, цинк Алюминий, дюралюминий, никель и оловянно-свинцовые припои Медь, бронза, латунь, легированная сталь, никель и оловянно-свинцовые  сплавы
Недопустимая  контактная пара
Алюминий, дюралюминий Нелегированная  сталь и оловянно-свинцовые  сплавы	Олово, бронза, медь, латунь, никель Медь

Табл. 2 Рекомендации по выбору материалов при изготовлении антенн

Например, вибратор из стальных трубок и медную жилу кабеля соединяют пайкой с предварительным лужением конца трубки и жилы кабеля или зажимом под стальной оцинкованный болт (жила облужена). Пропаивать или прижимать необлуженную жилу нельзя.

Соединять элементы антенны нужно так, чтобы не было плохих контактов. Для этого все соединения или сваривают, или спаивают. При пайке применяют только бескислотные флюсы (канифоль и т.д.). В качестве изоляционных материалов применяют текстолит, полистирол, гетинакс, плексиглас, фарфор, керамику и другие материалы, обеспечивающие хорошую электрическую изоляцию и не разрушающиеся от воздействия влаги, солнечных лучей и т.п. В исключительных случаях в качестве изоляционного материала используют дерево, но после обработки его парафином.

Один из простых  вариантов антенны показан на рис.12. 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. 

Рис. 12 Логопериодическая антенна

Кабель пропускают внутри одной из трубок двухпроводной  линии и припаивают со стороны самого короткого вибратора, как показано на рис.12.

4 Установка  логопериодической антенны

Стационарная  антенна устанавливается на кронштейне или мачте на стене или крыше и направляется в сторону базовой станции, сигнал которой принимается устойчиво. "База" совсем необязательно должна быть ближайшей, так как все зависит от расположения антенны и рельефа местности. (Возможен и вариант, что база с самым сильным уровнем сигнала, возможно, не будет с вами работать, так как находится хоть и на прямой видимости, но на расстоянии, которое больше теоретического предела дальности для стандартного режима работы 35 км в GSM-900). Ориентацию  антенны необходимо выполнять очень внимательно, медленно вращая антенну "по горизонту" и наблюдая за индикатором уровня сигнала на дисплее мобильного телефона или с помощью функции инженерного меню - Net monitor. Так как изменение напряженности поля отображается на дисплее не сразу, а через 5-10 секунд, - вращать антенну нужно очень медленно, чтобы не проскочить направление на самый сильный сигнал. В меню сотового телефона необходимо включить "непрерывный поиск сети". Пока нет регистрации в сети, индикатор на дисплее многих моделей телефонов работать не будет, поэтому для настройки в тяжелых условиях желательно пользоваться телефоном с включенным Net monitor. В этом случае уровень принимаемого сигнала показывается в дБ, что гораздо точнее индикатора сотового телефона. Обычно не удается существенно улучшить качество работы на границе зоны покрытия у телефонов, не имеющих антенного разъема, часто это аппараты со встроенными антеннами, которые приходится подключать к внешней антенне с помощью индуктивного антенного адаптера, а не через разъём на корпусе телефона. Антенна устанавливается  в вертикальной поляризации (штыри  на стреле антенны направлены "с неба в землю", стрела располагается горизонтально и параллельно земле). При установке антенны в городе при многоэтажной застройке и работе на отраженном сигнале лучшая поляризация может измениться, и нужно искать оптимальный угол экспериментально. Для смены поляризации с вертикальной на горизонтальную достаточно повернуть крепление на 90 градусов. От длины кабеля зависит коэффициент усиления всей антенной системы, подключенной к сотовому телефону. Паспортные данные внешних антенн не учитывают длину кабеля (это касается и автомобильных антенн с круговой диаграммой направленности). Если без внешней антенны удается хоть иногда провести разговор, то можно обойтись направленной антенной с усилением 10-11 дБ при длине кабеля до 10 метров. Если же установка антенны в том же месте требует 15-20 метров кабеля, то нужно или улучшить его качество, или использовать антенну с усилением 13-16 дБ, что обычно дешевле. На границе  зоны покрытия особенную важность приобретает  качество согласования антенны с  кабелем. У логопериодических антенн кабель подключается непосредственно к контактам, расположенным на полотнах с противоположной стороны от скоб крепления к мачте. Он может быть с волновым сопротивлением от 50 до 75 Ом. Настроенную антенну  необходимо тщательно закрепить  и загерметизировать контакты подключения кабеля.

На большинстве  телефонов есть разъем для внешней антенны. Кроме того, для каждого типа телефона есть так называемый антенный переходник, который подключается к указанному разъему и представляет собой короткий кусок кабеля, с одной стороны которого - специфический телефонный высокочастотный разъем, а с другой - стандартный высокочастотный разъем. При включении переходника в телефон происходит автоматическая коммутация антенного тракта телефона на внешний разъем. Обычно затухание в антенном переходнике не превышает одного децибела. Если кабель между антенной и телефоном не больше 3 метров, то потери в нем можно не учитывать. Антенна для ее нормальной работы должна быть хорошо сделана и настроена, использование некачественной конструкции может не улучшить связь, а ухудшить. При большей длине линии связи вопрос выбора кабеля приобретает первостепенную роль. Причем имеет значение не только затухание, но и волновое сопротивление кабеля, лучше использовать 50-омные.

Заключение

Проведенные выше расчеты показали, что логопериодическая антенна, относящаяся к числу широкополосных антенн, хорошо согласуется с коаксиальным кабелем, обеспечивает удовлетворительный прием сигналов в заданном диапазоне частот, а также сыграли свою роль простота конструкции и дешевизна реализации. Также габариты получившейся в результате расчетов антенны позволяют без труда ее установить и получить оптимальные результаты приема в заданной полосе частот.

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

1. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Всё о программе MMANA. – М.:ИП РадиоСофт, Журнал «Радио», 2002. – 80 с.
2. Логопериодические вибраторные антенны. Учебное пособие для вузов – М: Горячая линия – Телеком, 2005. – 239 с.
3. Жовна И.А. Самодельные телевизионные антенны. – К.: Техника, 1995. – 32с.
4. Все об антеннах: Справочник / сост. В.И. Назаров, В.И. Рыженко. – М.: Издательство Оникс, 2008. – 240 с.
5. Андрей Хартов. Антенны мобильных телефонов [Электронный ресурс]

URL: http:// http://www.mobil.ru/article.php?advice=17 (дата обращения: 16.12.2011).