Логопериодическая антенна ADP UHF

Направленная антенна · УВЧ 470–1075 МГц

Логопериодическая антенна

Модель Sennheiser ADP UHF по чертежу её платы. Двенадцать диполей разной длины стоят в ряд и соединены двумя медными штангами. На каждой частоте работают только те диполи, длина которых близка к половине длины волны, — активная область; поэтому антенна принимает в широкой полосе, от 470 до 1075 МГц. Принимает она лучше всего с той стороны, куда смотрят короткие элементы. Меняйте частоту и смотрите, как активная область переезжает вдоль антенны; поворачивайте антенну на стойке и смотрите, как падает сигнал.

700 МГц
0°
0°
45°

Расчёт: метод моментов для двенадцати диполей-дорожек по чертежу, штанги — линия передачи, кабель 50 Ом подключён к штангам у вершины. Материал платы принят: стеклотекстолит FR-4 толщиной 1,6 мм, с потерями; корпус не учтён. Колебания на рисунке сильно замедлены: на самом деле поле меняет направление от одного до двух миллиардов раз в секунду.

Деталь под курсоромЭлектрическое поле волныТок: точки движутся туда, куда течёт токПоложительный заряд; на штанге — эта штанга положительна относительно другойОтрицательный зарядПлата Sennheiser ADP UHF по чертежу из SketchUp с медью двух наружных слоёв, корпус снят. Сторона, которая сейчас к вам, видна прямо, обратная — сквозь плату. Держатель и разъём — по изображениям Sennheiser; дорожка от разъёма к вершине во внутреннем слое платы показана условно, пунктиром. Волна приходит справа; показано только её электрическое поле вдоль одного луча, длина волны — в масштабе рисунка. Токи и заряды — из расчёта антенны на текущей частоте, точки-заряды и их размах условные.

Детали

Плата

Элементы

Питание

Крепление

Физика

КСВ по частоте

Полоса 470–1075 МГц по паспорту закрашена; точка — текущая частота.

КСВТекущая частотаПолоса ADP UHFКСВ 2
Таблица значений
ЧастотаКСВZ

Направленность по частоте

КНД, усиление и усиление с учётом КСВ, дБи; отношение вперёд/назад, дБ.

КНДУсилениеС учётом КСВВперёд/назадПаспорт: 5 дБи, > 14 дБ
Таблица значений
ЧастотаКНДУсилениеС учётом КСВВперёд/назад

Диаграмма направленности

Это свойство антенны целиком: с каких направлений она принимает сильнее. По принципу взаимности так же она и излучала бы.

КНД, дБи▲ 6,50−10−20−30▼ −33,5
Цвет поверхности — КНД в этом направлении, шкала справаСечение горизонтальной плоскостьюСечение плоскостью платыВ исходном виде антенна стоит так же, как на рис. 1 без поворота. Рисунок можно поворачивать: тяните его мышью или пальцем, нажимайте стрелки на клавиатуре или выбирайте вид кнопками под рисунком. Поворот 0° — вид спереди, навстречу главному лепестку, 180° — сзади; наклон 90° — вид сверху, меньше нуля — снизу. Диаграмма нарисована так, как её рисует COMSOL: сплошная поверхность, чем дальше она от середины платы, тем сильнее антенна принимает волну с этого направления. Шкала в децибелах, как у круговых графиков рядом: самая дальняя точка — максимум, а на 40 дБ ниже и слабее поверхность сходится в середину; цвет показывает то же самое, шкала справа — КНД в дБи. Четверть поверхности со стороны зрителя вырезана, чтобы была видна антенна; края выреза — те же два сечения, что на круговых графиках. Диаграмма описывает дальнюю зону, примерно от метра, где вся антенна выглядит почти точкой, поэтому она нарисована в несколько раз крупнее платы, с центром в середине платы; её размер на рисунке условный. Вверх и вниз, вдоль диполей, антенна почти не принимает, и там поверхность сходится к середине.
Вид:поворот 38°, наклон 24°

В горизонтальной плоскости

Вид сверху; вершина антенны смотрит вверх. Кольца — через 10 дБ. Точка — направление на передатчик при текущем повороте.

В вертикальной плоскости

Вид сбоку, в плоскости платы; вершина антенны смотрит вверх.

Как делают другие

Направленные антенны для радиосистем; цифры — из документов производителей. Логопериодической свою антенну прямо называют Shure — UA874 («log periodic dipole array») и Wisycom — LBN2/LNN2 («LPDA»). У Shure PA805 в документах написано «Directional; Cardioid», у Wisycom LFA — «skeletal design», а Sennheiser тип ADP UHF не называет. Пассивные антенны работают без питания; в активных стоит усилитель — у Shure UA874 он питается постоянным напряжением 10–15 В по тому же кабелю.

АнтеннаТипПолосаУсилениеШирина лучаВперёд/назадКонструкция
Sennheiser ADP UHFпассивная470–1075 МГцтипично 5 дБиоколо 100°> 14 дБтип в документах не назван; по чертежу — логопериодическая на печатной плате с прорезями
Sennheiser A 2003-UHFпассивная450–960 МГцоколо 4 дБоколо 100°> 14 дБ258 × 273 × 35 мм по инструкции; на архивной странице Sennheiser — «Sende- und Empfangsantenne», передающая и приёмная
Shure UA874активная: усилитель +12, +6, 0, −6 дБ, питание 10–15 В по кабелю470–900 МГц (UA874WB)7,5 дБи70°не указано«log periodic dipole array»
Shure PA805пассивная, для систем персонального мониторинга470–952 МГц (PA805SWB)6,5 дБи100°не указано«Directional; Cardioid»
Wisycom LBN2 / LNN2пассивная420–1300 МГцоколо 6 дБиоколо 140°не указано«LPDA»; стеклотекстолит с медью, вертикальная поляризация
Wisycom LFAактивная: усиление от −12 до 27 дБ410–1300 МГц7 дБи120° по горизонтали, 90° по вертикали10 дБ на 870 МГцстеклотекстолит, «skeletal design», вертикальная поляризация

Как устроена логопериодическая антенна. Диполи стоят в ряд; длина каждого следующего и расстояние до него составляют одну и ту же долю τ от предыдущих. Питание подают к самому короткому элементу, а линию между соседними элементами перекрещивают (Isbell, 1960; Carrel, 1961). На каждой частоте работают несколько элементов длиной около половины волны — «активная область» (Carrel), и антенна излучает и принимает в сторону коротких элементов. Tranquilla и Balmain (1983) называют её антенной обратной волны с питанием спереди: энергия бежит по линии от вершины назад, к активной области, а излучение уходит вперёд, к вершине; ток сосредоточен в элементах перед полуволновым. В ADP UHF линия «перекрещена» без перекрёстных проводов: половинки соседних диполей просто лежат на разных сторонах платы.

Что взято у Sennheiser. ADP UHF — пассивная направленная антенна, 470–1075 МГц, усиление типично 5 дБи, ширина луча по −3 дБ около 100°, отношение «вперёд/назад» больше 14 дБ, 50 Ом, розетка BNC без пути для постоянного тока, размеры 319 × 310 мм, резьба 5/8″ и 3/8″ для стойки. В какой плоскости измерена ширина луча, Sennheiser не указывает, КСВ не публикует. Масса в документах разная: 1100 г в спецификации, около 320 г в инструкции и на сайте документации, 604 г на странице продукта. Тип антенны в документах не назван; что она логопериодическая, видно по чертежу платы.

Что взято из чертежа. Контур платы, 22 прорези и медь двух наружных слоёв: двенадцать диполей, штанги, площадки у заднего края, площадка 3 × 3 мм у вершины, отверстия под разъём и держатель — из файла SketchUp «Sennheiser ADP UHF 2 sides», где координаты заданы с точностью до сотых миллиметра. На чертеже есть и мелкие детали, назначение которых неизвестно и которые в расчёте не учтены: прямоугольная площадка 17 × 10 мм на стороне A между третьим и четвёртым элементами, выступы 2 × 4 мм у седьмого элемента на обеих сторонах, расширения дорожек до 3 мм у основания восьмого (на 9 мм, обе стороны) и девятого (на 7 мм, сторона B) элементов.

Что показано условно и что предположено. Корпус снят. Внутренних слоёв на чертеже нет; центральный контакт и корпус разъёма не касаются меди наружных слоёв, поэтому показана дорожка во внутреннем слое от разъёма к вершине, её путь условный. Подать сигнал на штанги у разъёма нельзя: по расчёту площадки у заднего края замыкают вход, КСВ получается от сотен до сотен тысяч. Материал и толщина платы неизвестны: в расчёте — стеклотекстолит FR-4, 1,6 мм, ε = 4,4, тангенс угла потерь 0,02 (у настоящих материалов этого класса на 1 ГГц, например у Isola FR406, — ε 3,95 и 0,016). Держатель — по форме на изображениях Sennheiser; стойка — короткий отрезок. Точки-заряды и их размах условные.

Как считается. Двенадцать диполей-дорожек — тонкие провода с эквивалентным радиусом в четверть ширины дорожки (Butler, 1982; Balanis). Токи в них найдены методом моментов с кусочно-синусоидальными функциями (Richmond, 1974): поле синусоидального отрезка тока вычисляется точно, а взаимные сопротивления отрезков — интегрированием этого поля. Замедление тока стеклотекстолитом (от 1,11 до 1,22 раза) взято из двумерного расчёта электрического поля дорожки на плате между прорезями. В расчёте оно учтено как добавочная индуктивность вдоль дорожек — это приближение: на деле плата добавляет ёмкость. Резонансные частоты при этом получаются правильными, сопротивление элементов — приближённым, зато дорожки излучают со своей настоящей длины. Штанги — линия передачи: её волновое сопротивление (84 Ом) и замедление (в 1,85 раза) — из того же двумерного расчёта; площадки у заднего края — конденсатор между пластинами и короткий широкий участок линии перед ним. Потери в стеклотекстолите и меди учтены и в дорожках, и в линии. Кабель 50 Ом подключён к штангам у вершины. При приёме волна наводит ЭДС вдоль каждой дорожки; токи, напряжение на штангах и сигнал на входе приёмника находятся из одной системы уравнений. Диаграмма и КНД — по полю всех дорожек вдали от антенны. Проверка расчёта: без потерь излучённая мощность совпадает с подведённой, а приём и передача дают одно и то же усиление, как и должно быть по принципу взаимности.

Расчёт и паспорт. КСВ по расчёту опускается ниже 2 с 465 МГц, с материалом Isola FR406 — с 471 МГц; без платы, в воздухе, — только с 558 МГц. Граница «КСВ 2» — наш критерий: Sennheiser КСВ не указывает. В полосе 470–1075 МГц КСВ выше 2 примерно на 18 % частот, самое большее 2,3; усиление на девяти десятых частот полосы — от 4,4 до 5,6 дБи, а около 755–762 и 978–1002 МГц падает до 1,7 дБи: там у задней части антенны резонанс, и энергия уходит в нагрев платы (в паспорте — типично 5 дБи); «вперёд/назад» — от 10,4 до 21,1 дБ, меньше 14 дБ — на 470–547 МГц (в паспорте — больше 14 дБ); ширина луча — от 130 до 177° в горизонтальной плоскости и от 70 до 80° в вертикальной (в паспорте — около 100°, плоскость не указана). Без потерь в плате в расчёте появляются узкие резонансы задней части антенны, на которых КСВ подскакивает почти до сотни; такие явления у логопериодических антенн известны (Hilbert, Tilston, Balmain, 1989), а потери в стеклотекстолите их сглаживают. Точным совпадение с паспортом считать нельзя: материал платы принят, а не известен, корпус не учтён.

Источники: R. L. Carrel, Analysis and design of the log-periodic dipole antenna, Univ. of Illinois, Tech. Report 52, 1961 · D. E. Isbell, Log periodic dipole arrays, Univ. of Illinois, Tech. Report 39, 1959 (журнальная версия: IRE Trans. AP-8, 1960) · J. M. Tranquilla, K. G. Balmain, Analysis of the loop-coupled log-periodic dipole array, IEEE Trans. AP-31, № 2, 1983 · M. Hilbert, M. A. Tilston, K. G. Balmain, Resonance phenomena of log-periodic antennas: characteristic-mode analysis, IEEE Trans. AP-37, 1989 · заявка US 2008/0117115 (выдан патент US 7 545 338), «infinite balun» · C. M. Butler, The equivalent radius of a narrow conducting strip, IEEE Trans. AP-30, 1982 · LearnEMC: эквивалентный радиус полоски · J. H. Richmond, Radiation and scattering by thin-wire structures in the complex frequency domain, NASA CR-2396, 1974 · Isola FR406, лист данных материала · Sennheiser: характеристики ADP UHF · спецификация ADP UHF · инструкция ADP UHF · страница продукта ADP UHF · инструкция A 2003-UHF · архивная страница A 2003-UHF · Shure UA874 · Shure PA805 · Wisycom LBN2/LNN2 · Wisycom LFA · C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley (гл. 8 и 11).

Рисунки сделаны набором Anatomy (лицензия MIT, © 2026 Ryan).