Úvod k návrhu log periodických antén pro krátké vlny

Log periodické antény patří mezi velice rozšířené antény pro několik dobrých vlastností. Anténu popsal v roce 1957 R.H. DuHamel a D.E. Isbell z University of Illinois a jejich první práce byla známá jako log periodic dipole array (LPDA). Tyto pozoruhodné antény vykazují poměrně stejnou vstupní impedanci, průběh VSWR a vyzařovacích charakteristik v extrémně širokém rozsahu frekvencí. LPDA antény se často používají jako měřící antény a jako profesionální komunikační antény.

Log periodická anténa je skupina rovnoběžných dipólových prvků, které rostou s délkou a jsou vázané a napájené symetrickým napájecím vedením. Základní geometrii antény vyjadřuje tento obrázek:

Dúležité rozměry jsou: délky dipólů L(1), L(2), ...., L(i), vzdálenosti mezi dipóly (spacing) S(1), S(2), ....., S(i). Spacing je v některé literatuře značen také jako D(i) .... distance.

Důležité geometrické bezrozměrné charakteristiky antény jsou parametry TAU a SIGMA - viz předchozí obrázek. Do nedávna se po dobu desítek let používal pro odhad zisku LPDA antény známý diagram:

V současné době máme k dispozici programy NEC, MININEC, které nám vypočtou poměrně přesně základní parametry antény, včetně zisku i F/B.

Návrh LPDA antén nám také usnadňuje celá řada kalkulátorů, které jsou na webu k dispozici. Známý a pro HF pásma použitelný je např. velice jednoduchý prográmek uvedený na webu: http://wb0dgf.com/LPCAD.htm. Umožňuje nám stanovit základní rozměry LPDA antény pro požadované kmitočtové pásmo, včetně základního návrhu fázovacího vedení. Takto navrženou anténu můžeme dále analyzovat v programech MMANA, EZNEC, 4NEC2, atd.

LPDA antény lze navrhnout také jako úzkopásmové monobandery. Příklad návrhu jednopásmového LPDA monobanderu s několika prvky a krátkým ráhnem jsem uvedl zde. V profesionální krátkovlnné praxi se často používají širokopásmové antény pro rozsah kmitočtů např. od 6 do 30 MHz. V amatérské praxi se běžně používají antény pro rozsah kmitočtů od 14 MHz do 30 MHz. Antény pro tento rozsah kmitočtů jsem měl ve výrobním programu limitovaných sérií několik let a jejich vlastnosti byly popsány v článcích uvedených na tomto webu a jeden z článků je např. zde.

Rozměry LPDA antén pro pásma od 14 do 30 MHz

Pozoruhodné vlastnosti LPDA antén jsou zaplaceny geometrií, tj. poměrně velikými rozměry. Na následujících obrázcích uvedu příklad 11 -ti prvkové LPDA antény:

Tato anténa má délku ráhna 7 metrů !!! a rozpětí téměř 11 metrů !!!
Průběh VSWR u takto dimenzované antény je výborný:

Průběh vypočtený např. programem MMANA nám dává poněkud horší výsledky, než v praxi naměříme. U antén podobných rozměrů a s podobným počtem prvků hodnota VSWR zpravidla nepřekračuje velikost VSWR = 1.5 s výjimkou několika kmitočtů, kde je VSWR vyšší, ale zpravidla nepřevyšuje hodnotu VSWR = 2. Právě pro tuto vlastnost se anténa používá v profesionální praxi. Za oblast vyšších hodnot VSWR mohou tzv. anomální resonance, o co jde, vysvětlím v tomto článku později.

U LPDA antény se na vyzařování podílí vždy více určitá konkrétní skupina dipólů více a další dipóly se uplatňují jen málo nebo vůbec. U popsané 11-ti prvkové antény vidíte na obrázku dole průběhy proudů při vysílání na pásmu 18 MHz:

Z praxe i z příkladu v článku zde víme, že vyzařovací diagram nám vždy výrazně "modeluje a tvaruje" všudypřítomná zem. A také víme, že optimální výška montáže je pro různé návrhy antén a různá pásma jiná. Jakpak je na tom naše LPDA?

Jaký závěr učiníme? Že i u LPDA antén má výška montáže na vlastnosti antény, např. na parametr F/B vliv. A vyplatí se výšku montáže pro náš účel (tj. preferované pásmo) optimalizovat.
 

Malá LPDA anténa pro 14 až 30 MHz

Předpokládám, že výstavba velké LPDA antény přesahuje prostorové možnosti mnoha hamů. Komerčně vyráběná anténa ok1ufc měla 8 prvků a délku ráhna jen 5.2 metru. Její zisk odpovídal 2 až 3 prvkové anténě Yagi. Položme si však otázku, kolik prvků minimálně potřebujeme na pokrytí pásma 14 až 30 MHz? Tato pásma pokryjeme s LPDA anténou, která má alespoň 4 dipóly.

LPDA anténa se 4 prvky pro 14 až 30 MHz

Tato anténa má dobré vlastnosti a je vhodná pro amatérskou stavbu. Rozměry jsou:

Přestože má anténa pouze 4 prvky, využívá ráhna dlouhého 5.9 metru (výrobní délka AL trubky o průměru 50 mm je 6 metrů). Anténa má následující průběh VSWR:

Všimněte si, že anténa má vyšší hodnotu VSWR na kmitočtech kolem 17 MHz a i na dalších kmitočtech. Z předchozího textu víme, že za to mohou anomální rezonance. Průběh impedancí vypadá takto:

Jde o rezonance, při kterých je hodnota jX = 0 a R nabývá maxima. Detailní analýza kolem rezonančních kmitočtů vypadá takto:

U čtyřprvkové antény nebyly anomální rezonance speciálně řešeny. Byl proveden návrh antény tak, aby tyto anomální rezonance padly mimo amatérská pásma. Daní za tuto skutečnost je poměrně velká délka ráhna (6 metrů). Lze zkonstruovat menší LPDA anténu? Lze, ale řešení už není takto jednoduché, jako u velké 11 prvkové nebo u dlouhé 4 prvkové antény.

Anténa OK1UFC 5 LPDA 14 - 30

Anténa OK1UFC 5 LPDA 14 - 30 MHz je pětiprvková anténa s ráhnem kratším než 4 metry. Základní schéma antény je:

Nejdelší dipól byl nahrazen dipólem drátovým, ve tvaru Vee. Na obrázcích zleva je plnorozměrná LPDA s přímými dipóly, zcela vpravo je s nejdelším dipólem tvaru Vee, podvlečeným pod ostatní prvky:

Podrobně analyzována a zkoušena byla varianta 4 (zelená čára), kde nejdelší dipól byl podvlečen pod dvěma delšími přímými dipóly a zakotven na koncovém izolátoru druhého nejkratšího dipólu. Takto konstruovaná anténa má rozpětí jen 8.4 metru místo 11 metrů a délku ráhna pod 4 metry (konmkrétně 3.8 metru místo 5.9 m u čtyřprvkové).

Pro ilustraci uvádím ještě další pohledy na anténu:

Uvedené úpravy umožnily použít jen 2.4 metru dlouhou střední část ráhna a nejdelší drátový dipól instalovat a zavěsit pomocí plastového nástavce, uvnitř kterého je fázovací vedení. Podobně byl realizován dipól s nejkratším vedením. V tomto plastovém nástavci je vedení pro kompenzaci anomálních rezonancí, symetrizační balun a transformační balun.

Rozložení proudů

Rozložení proudů v zářičích má vliv na vyzařování antény na jednotlivých pásmech. Pečlivost při návrhu se vyplatí, přestože rozměry nejsou až tak kritické a opakovatelnost při výrobě vynikající. Výhodou dobré LPDA antény je, že nic nenastavujete.

Průběhy (magnitudy) proudů v prvcích na pásmech 20, 17, 15, 12 a 10 metrů:

Průběh VSWR

Samozřejmě, že průběh VSWR u LPDA antény s 5 prvky, s rozpětím 8.4 metru a ráhnem dlouhým jen 3.8 metrů nemůže být takový, jako u antény s 11 prvky a s rozpětím 11 metrů a ráhnem dlouhým 7 metrů! Nicméně, žádnou duchařinou, ale solidním technickým inženýringem je v našich silách docílit hezkého průběhu VSWR na všech amatérských pásmech. I tato malá 5 prvková LPDA anténa bude pracovat spolehlivě s jakýmkoliv  běžným TRXem, který je vybavený automatickým tunerem.

Tahání anomálních rezonancí

Typický a naměřený průběh VSWR u popisované antény je zřejmý z tohoto diagramu:

Za tento průběh mohou dvě anomální rezonance antény:

Výsledky korespondují s analýzou popsané antény v MMANA. Uvádím dva diagramy. Jak vypadá průběh VSWR před "taháním" a po "dotažení" anomální resonance:

Průběh anomálních rezonancí je pro danou anténu typický. Jejich "tahání" se dělá pomocí pahýlů na fázovacím vedení.

Pahýly na fázovacím vedení

Pahýl č. 1 (zelený) se používá u antén, jejichž fázovací vedení je navrženo pro nízkou impedanci. Používal jsem ho např. u 8 prvkové antény s ráhnem dlouhým 5.2 metru. U popisované OK1UFC 5 LPDA 14-30 není tento pahýl použit. Jsou však použity další dva prvky, a sice prodloužené symetrické vedení (červené) a krátký otevřený pahýl č. 2. Částečně se ještě uplatňuje transformační balun 1:4 (1500 Watts) a výsledkem je, že průběh VSWR nepřekračuje na konektoru hodnotu vyšší než VSWR = 2.5 na pásmu 12 metrů, hodnotu VSWR = 2 na pásmech 17 metrů a 10 metrů a hodnotu VSWR = 1.4 na pásmech 15 metrů a 20 metrů.

Vyzařování širokopásmových krátkovlnných LPDA antén

Širokopásmové LPDA antény se vyznačují vyzařováním (ve vodorovné rovině) jedním hlavním lalokem se ziskem. I nízkoinstalovaná anténa s 5 prvky má zisk cca od 6.5 dBi do 11 dBi (podle pásma). V opačném směru je zpravidla další lalok, jehož velikost je ovlivněna mnoha faktory, zejména počtem prvků LPDA a výškou instalace. Typické vyzařování antén LPDA:

Závěr

LPDA antény jsou skutečně pozoruhodné. Přestože lze stejného zisku či předozadního poměru F/B dosáhnout s úzkopásmovými směrovými anténami menších rozměrů, mají tyto antény své místo na světě jisté. LPDA prostě tak krásně fungují, že jsem se k nim zase musel vrátit. Uvedu tu však jedno srovnání, ze kterého je zřejmé, že si širokopásmová anténa s pouhými 5 prvky až tak nezadá s vynikajícím dvouprvkovým monobanderem tvaru Jungle Job na pásmu 15 metrů:

Tímto článkem doplňuji sérii několika článků o LPDA anténách a cílem článku je pochopení principů, které konstruktér používá při návrzích LPDA.