9.5.4. Моделирование ЛПА

Как сделать модель логопериодической антенны (ЛПА)? Как обычной антенны: что-то "на глазок" нарисовать в окне Правка, а затем по результатам расчета подправить вручную или оптимизацией? Проверено – ничего хорошего не выйдет. В лучшем случае, потратив много сил и времени, вы получите модель хотя и как-то работающую, но не оптимальную.

Ведь размеры ЛПА должны подчиняться строгим математическим закономерностям. И вероятность попадания в них при ручной или автоматической оптимизации крайне мала. Уже хотя бы потому, что при любом изменении в ЛПА ее характеристики надо проверять во всей рабочей полосе, а это очень трудо- и ресурсоемко.

В общем, размеры ЛПА надо сразу задавать такими, чтобы они составляли геометрическую прогрессию для заданных t и s. То есть, предварительно рассчитывать их.


...… Чуть отвлекусь от темы. С антеннами дело обстоит примерно так же, как с LC фильтрами в радиотехнике (кстати, эта аналогия не случайна – антенны это ведь тоже наборы колебательных контуров, только распределенных в пространстве).

Если фильтр узкополосный, можно обойтись без его точного предварительного расчета. Конечно, лучше рассчитать, но и без математики ясно, что можно вручную настроить все контура фильтра на заданную частоту, а, играя величиной связи между ними, получить заданную полосу. Примерно так же, как в однодиапазонной антенне Уда-Яги.

Если же фильтр должен иметь очень широкую полосу и максимально плоскую АЧХ в ней, то тут уже никакие вольности с ручной настройкой не пройдут. Количество степеней свободы так велико, что, даже имея измеритель анализатор, мгновенно показывающий АЧХ фильтра, настроить фильтр как надо не удается (так, более-менее отдаленные приближения). Широкополосные фильтры делаются по-иному: точным предварительным расчетом и последующей установкой деталей с расчетными номиналами. Настройка сводится к проверке АЧХ, и если что-то не в порядке, то ищется ошибка монтажа, подбора номиналов или расчета.


Так вот, ЛПА – аналог широкополосного фильтра. И работают с ними точно так же: сначала рассчитывают их точные размеры, а затем устанавливают их в модель, и убеждаются, что все в порядке. Формулы расчета размеров ЛПА приводить не буду. Просто не верю, что они кому-то понадобятся для ручного расчета. Ведь в GAL-ANA имеется окно создания готовых антенн, выполняющее расчет ЛПА автоматически. Просто нажмите кнопку Создать готовую антенну на панели инструментов главного окна и выберите тип ЛПА. В открывшемся окне расчета ЛПА задайте: требуемые нижнюю и верхнюю частоты FМИН и FМАХ t и s (чтобы вы смогли это грамотно сделать, и был написан п. 9.5.3) и требуемое входное сопротивление Ra.

По этим условиям в главном окне будет автоматически создана готовая модель ЛПА, с правильными размерами элементов, линиями фазирования, источником. Вам останется только ее посчитать. И сохранить, если она устраивает, или вернуться в окно Создать готовую антеннуЛПА и сделать новую модель ЛПА, изменив начальные параметры расчета.

Небольшое замечание о выборе Ra в окне Создать готовую антенну ЛПА. Конечно, для столь широкополосной антенны как логопериодическая удобнее всего иметь Ra = 50 Ом. Однако, как упоминалось в п. 9.5.2, при этом волновое сопротивление фазирующей линии Zo (рассматриваемое окно его вычисляет точно) может стать настолько низким, что реализовать такую двухпроводную линию на КВ становится нереальным.

В этом случае придется выбрать Zo = 200 Ом (согласование ШПТ 1:4). Но этом может подстерегать другая беда: расчетное Zo получится выше 650 Ом. Реализовать такую линию на КВ нельзя из-за слишком большого расстояния между проводниками. К тому же, линия с высоким Zo будет иметь заметное излучение в ВЧ части полосы (п. 3.2.2), искажающее ДН антенной системы.

Чтобы избежать этих неприятностей может потребоваться изменить  t и s, т. к. они влияют (хоть и в небольшой степени) на Zo. Полезно знать, что при фиксированном Ra возрастание  t  немного уменьшает Zo, а рост  s поднимает Zo довольно заметно.

Отмечу, что расчет Zo в окне Создать готовую антенну – ЛПА делается упрощенно, поэтому в готовой модели может иметь смысл подогнать Zo фазирующих линий по минимуму КСВ в полосе.

Пример 13-ти элементной ЛПА 13,5… 30 МГц с t = 0,92 и s = 0,08 приведен в файлах …13el_Log_20_10_line.gaa, 13el_Log_20_10.gaa и на рис. 9.5.6. Длина траверсы 14 м, самый длинный элемент 11,1 м, самый короткий 3,8 м.
 

 
Рис. 9.5.6.

На рис 9.5.6 показана модель 13el_Log_20_10.gaa, в которой линии описаны не линиями NEC2, в набором проводов. Конечно, обычно так модели не делают (ибо очень трудоемко), линиями NEC2 гораздо проще и удобнее для создания и редактирования. Но в данном случае это сделано специально, чтобы изучить распределение тока не только в элементах, но и в фазирующих линиях (NEC2 не показывает токи в линиях, созданных как четырехполюсники).

Итак, двинется снизу вверх по частоте и рис. 9.5.6. Элементы будем нумеровать справа налево.

  1. На 30 МГц активная зона подключена прямо к источнику и располагается на крайних элементах 11, 12, 13. Левее 11-го элемента ток в линии быстро убывает, а левее 10-го практически отсутствует.

  2. На 24 МГц активная зона смещается на элементы 8 – 11. 12-й и 13- элементы уже практически не возбуждены. Ток по линии между этими элементами практически неизменен по амплитуде, что говорит о бегущей волне в линии между 12 и 13 элементами. Левее 7-го элемента ток в линии отсутствует, что говорит о полном поглощении мощности передатчика активной зоной.

  3. На 19 МГц активная зона уходит на элементы 5 – 8. Отчетливо видно, что линия от 8-го до 13-го элемента согласована, ток в ней неизменный. Первые четыре элемента не возбуждаются. Ток источника до них просто не доходит. Он перехватывается активной зоной и излучается в эфир.

  4. На 16 МГц, все, в принципе то же самое, но меняются номера элементов. В работе находятся элементы со 3 по 6. От 6-го до 13-го элемента в линии бегущая волна, а в вибраторы ток не затекает т.к. они слишком коротки. Первые два элемента и линии к ним подключенные остаются без тока.

  5. Частота 13,5 МГц это нижний край частотного диапазона. Поэтому активная зона расположена на самых длинных элементах с первого по четвертый. Элементы с 5 по 13 не возбуждены. А в линии, проходящей через них режим бегущей волны: неизменная амплитуда тока. Еще раз обратим внимание на кажущееся несоответствие: Zo самих фазирующих линий составляет около 400 Ом, а бегущая волна получается при сопротивлении источника 200 Ом. Но ошибки нет: подключенные к линии короткие половинки коротких (в данном случае с 5 по 13-й) элементов увеличивают ее погонную емкость, что эквивалентно снижению волнового сопротивления всей структуры (фазирующие линии + элементы) в целом (п. 9.5.2) до 200 Ом, поэтому и получается хорошее согласование.

К первому элементу кроме питающей линии дополнительно подключается короткозамкнутый отрезок линии. На рис. 9.5.6 он показан загнутым вниз и назад вдоль траверсы (конструктивно обычно так и выполняется). Изменяя длину этого отрезка можно улучшить согласование и F/B в нижней части рабочей полосы.

Зависимость КСВ от частоты антенны рис. 9.5.6 показана на рис. 9.5.7. При Ra = 200 Ом полоса составляет 13,5… 30,5 МГц по уровню КСВ < 2, причем от 14 до 29,5 МГц КСВ ни в одной точке не превышает 1,3.


Рис. 9.5.7.

Как и у любой широкополосной антенны, КСВ ЛПА в полосе не равен строго 1, а немного колеблется. В ЛПА это связано с тем, что при плавном изменении частоты условия возбуждения немного меняются: если на каких-то частотах длина одного из элементов точно резонансная, то там будет минимум. Если сдвинуться по частоте в сторону, то по пути к резонансу следующего элемента возникает ситуация, когда предыдущий элемент уже вышел из резонанса, а следующий за ним еще не вошел в него. Поэтому неравномерность графика КСВ от частоты ЛПА носит принципиальный характер и не может быть полностью устранена.

Неравномерность КСВ уменьшается при:

Если при широкой полосе количество элементов невелико (из-за малого t), то максимумы КСВ в полосе могут достигать 2…3.

Нередко ЛПА будет работать не во всей полосе непрерывно, а лишь в ее отдельных, узких участках (например, любительские диапазоны). В этом случае, если один из максимумов КСВ попадает на рабочий участок, имеет смысл сместить его. Для этого немного подстраивают размер возбуждающихся в этом участке элементов. Так, в антенне рис. 9.5.6 размеры элементов с 8 по 11 немного подогнаны так, чтобы получить минимумы КСВ на 21 и 25 МГц (любительские диапазоны 15 и 12 м).


Рис. 9.5.8.

Форма азимутальной ДН, как и положено ЛПА не зависит от частоты, усиление около 8 dBi (в свободном пространстве). Зависимость F/B от частоты антенны рис. 9.5.6 приведена на рис. 9.5.8. Во всей полосе подавление излучения назад превышает 25 дБ. Снижение F/B на графике от 24 до 27,5 МГц вероятно явилось следствием изменения размеров элементов 8 – 11 при подгонке минимумов КСВ на 21 и 25 МГц.

Надо заметить, что получение высокого F/B в ЛПА вовсе не гарантируется автоматически. Оно зависит от t и s. При некоторых значениях этих параметров F/B получается хорошим, при некоторых – не очень. Например, при малых значениях t и s (оба параметра вблизи нижних допустимых границ) F/B невелико и составляет всего несколько децибел на нижней частоте, поднимаясь до 10 …15 дБ на верхней (растет вследствие экранирования низкочастотными элементами).


На главную - Main page