Логопериодическая антенна для цифрового телевидения своими руками

Как правильно рассчитать и изготовить логопериодическую антенну

Чтобы принимать сигнал цифрового ТВ нужна качественная антенна. Распространенным вариантом считается логопериодическая ТВ антенна. В рамках статьи рассмотрено, что она представляет из себя.

Что за антенна и как работает

Антенны разрабатывались еще до нашего рождения. За это время накопилось множество конструкций, которые отлично заточены на конкретные действия, но:

• Не могут принимать сильный сигнал со всех сторон;
• Не получается принимать качественный сигнал на всех частотных диапазонах;
• Появляются проблемы при изменении длины улавливаемой волны, так как у узкополосных падает коэффициент усиления антенны, а широкополосные меняют его монотонно.

При проектировании антенн достичь всецелого охвата сигналов позволяет правильная диаграмма направленности. Чтобы ее достичь, нужно проектировать антенну в виде круга или длинного лепестка, который вытянут в сторону передатчика. Практика показывает, что достичь такого идеала сложно.

Но сложно, не значит «невозможно». Есть метод, позволяющий побороть неравномерную диаграмму и падение коэффициента усиления. Он называется логопериодическая антенна.

Принцип работы антенны во многом обусловлен своей продуманной конструкцией. Из-за этого она обладает широким диапазоном приема сигнала при равномерном коэффициенте усиления. Согласование с кабелем передачи сигнала на ресивер (часто называют фидер) не вызывает никаких проблем.

Имя такое устройство получило из-за свойств, которыми наделено:

1. Логарифмическая зависимость длинны разносторонних и отделенных друг от друга вибраторов.
2. Периодическое расположение вибраторов – разница в расстоянии, на котором они находятся на основных стержнях, определена диапазоном работы антенны. При этом разница в размерах и удаленности вибраторов от «навершия треугольника» подчиняется геометрической прогрессии.

Из чего состоит

Логопериодическая антенна для цифрового ТВ в своем строении имеет:

• Стержни в количестве 2 штук, на которые прикрепляются вибраторы. Их делают пустотелыми для того, чтобы внутрь пустить кабель. Заводится через нижний стержень, петлей идет сверху и завершается короткозамкнутой перемычкой. Это необходимо делать для согласования и симметрирования, так как дополнительный контур в антенне применять не нужно.
• Вибраторы – это прикрепленные перпендикулярно стержням проводники различной длинны, подсоединенные с помощью переполюсовки точек питания.

По сути, МВ-диапазон антенна тоже может ловить. Для этого только понадобятся более длинная антенна с вибраторами подлиннее. Конструкцию с выставленными на несколько метров стержнями сделать сложно, так как оконечные вибраторы окажутся слишком длинными, и конструкция станет неустойчивой.

Конструкция антенны цифрового телевидения состоит из 2-х стержней, направленных на источник передаваемых сигналов и размещенных перпендикулярно вибраторов отличающейся друг от друга длинны.

Важными свойствами антенны являются:

• Знаменатель геометрической прогрессии, указывающий на быстроту убывания длинных вибраторов от основания стержня к его концу. Чем меньше показатель, тем эффективнее можно считать антенну. К сожалению, для увеличения этого показателя увеличивается размер и масса устройства.
• Угол в основании треугольника, который образуют собранные вибраторы. Чем меньше он получается, тем лучше работает антенна. Но опять же, это увеличивает длину антенны, повышая риски неустойчивости и деформации.

Отдельно нужно упомянуть поляризацию. Поляризация волн напрямую зависит от типа антенны и ее расположения. Например:

• вертикально размещенный несимметричный вибратор – это вертикальная поляризация;
• горизонтально размещенный вибратор – горизонтальная поляризация.

Все формы антенны и какую лучше выбрать

Классикой принято считать треугольник, образованный двумя линиями вибраторов, уменьшаемых у основания. Замыкает треугольник два нижних вибратора. Но, это не единственная конструкция, которая есть на рынке:

• Дельта – изогнутый из стальной проволоки вибратор, выполненный в треугольной форме. Схема антенны дециметрового диапазона в единую цепь включает все проводники-вибраторы. Поэтому, данная конструкция может считаться улучшенной (в некоторых смыслах) версией классики.
• Волновой канал или пластина сложной формы – устройство для принятия сигнала от вышек, что расположены на достаточном удалении. Имеет встроенный усилитель. Из-за разного расстояния между вибраторами может подстроится под любую длину волны. Рекомендуется использовать для дальнего приема сигнала в активном режиме.
• Линейная решетка с симметричными вибраторами и изменяющейся монотонно длинной – считается наиболее эффективной и наиболее сложной в строении.
• Всеволновая логопериодическая – антенна для приема сигналов в широкополосном диапазоне для работы с аналоговым сигналом и цифровым эфирным по стандарту DVB-T2. Отличия в конструкции есть. В окончании размещены кроме длинных вибраторов минимум два телескопических штыря для ловли аналогового сигнала в метровом диапазоне.

Инструкция по самостоятельному изготовлению

Без теории и производимых расчётов изготавливать вручную такое устройство не имеет смысла. Поэтому, для более глубокого изучения материала и расчета с применением интегральных формул рекомендуем проштудировать книгу «Логопериодические вибраторные антенны» 2005 года издания. Она находится в публичном доступе в интернете, или же всегда можно купить бумажный вариант.

Шаг 1. Проводим расчеты

Если руки созданы чтобы творить, а желания нет самостоятельно использовать формулы из книги по радиоэлектронике, можно воспользоваться значениями, что были высчитаны уже давно.

Параметр	Значение
Диапазон работы антенны	От 470 до 790 МГц
Кол-во вибраторов	По 9 шт. на строну
Коэффициент геометрической прогрессии	0,895
Расстояние между вибраторами	0,17 м
Сопротивление (входное)	75 Ом
Волновое сопротивление линии антенного кабеля	97,143 Ом
Диаметр проводников фидерной линии	8 мм
Расстояние между несущими проводниками	10,768 мм
Расстояние между самым длинным вибратором до линии замыкания	72, 556 мм

Чтобы все работало правильно, рекомендуется брать проволоку толщиной 6 мм. При этом расстояние и длинна для каждого вибратора подобраны такие (сам. таблицу). Если намерены использовать конструкцию побольше, придется брать книжку с формулами и калькулятор в руки, и рассчитать все самостоятельно.

Вибратор	Расстояние, мм	Длинна, мм
Первый	0	145,1
Второй	98,7	128,4
Третий	186	113,6
Четвертый	263,3	100,5
Пятый	331,7	89
Шестой	392,2	78,78
Седьмой	445,8	69,7
Восьмой	493,2	61,7
Девятый	532,2	54,6

Шаг 2. Изготавливаем проводник

Для изготовления понадобится:

1. Стержни. Рекомендуется подготовить две пустотелые трубки нужного диаметра и длинны.
2. Нарезать по размерам из таблицы девять вибраторов. Толщина должна быть одинаковой.
3. Подвести питание к будущей антенне, если используется усилитель.
4. Внутрь одного из стержней подвести кабель-фидер.
5. Провести спайку кабелей для последующего подключения к тюнеру или TV.
6. Подключить вибраторы попеременно к стержням, как указано на чертеже.

В качестве примера можете ознакомится с видео инструкцией.

Шаг 3. Проводим настройку

Если сборка антенны завершена, осталось ее правильно выставить. При хенд-мейд сборке скорей всего будут недочеты, которые можно исправить так:

• Укоротить или нарастить вибратор. Если же нужная длинна по каким-то причинам не соблюдена, можно аккуратно отрезать перебор пилкой по металлу или нарастить нужную длину с помощью пайки / сварки.
• Поэкспериментировать со сменой рас стояния между вибраторами на всей длине стержней.

Шаг 4. Подключаем усилитель SWA

Можно использовать один из двух методов подключения ДМВ антенны:

• Используя питание по кабелю от антенны. Центральную жилу кабеля надо зажать болтом, экран обернуть и зачистить планкой. Экранировать нужно в том числе и для того, чтобы не допустить КЗ экрана на центральную жилу.
• Используя питание от внешнего адаптера-переходника, типа «краб». Распайка его производится по конструкции устройства. Если вы этого не делали раньше, лучше ознакомьтесь с парой-тройкой роликов, которые показывают практику с применяемой теорией.

Какова себестоимость логопериодической антенны

Себестоимость антенны довольно низкая, если сооружать ее из подручных материалов. Оценка всех приобретенных материалов для монтажа устройства находится «в диапазоне» 100 – 500 рублей. Все зависит от ваших потребностей и способностей.

Заключение

Можно сделать заключительный вывод, что сборка логопериодической антенны требует определенных умений и навыков не только в работе с металлом, но и в радиоэлектронике. Конструкция ее не так проста, как может показаться, но благодаря свойствам, обретенным из-за построения, она имеет широкий диапазоном приема сигнала при равномерном коэффициенте усиления.

Источник

Логопериодическая антенна для цифрового телевидения своими руками

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.

Источник