Што е спирална антена?
Хеликсната антена, позната и како хеликсна антена, е жичена антена формирана со намотување на спроводлива жица или цевка во тридимензионална хеликс. Едниот крај на хеликсот е нормално поврзан со централниот проводник на напојувачката линија, додека надворешниот проводник е поврзан со метална заземјувачка рамнина или рефлектор.
Неговата препознатлива геометрија ѝ овозможува на антената да работи во различни режими на зрачење во зависност од односот помеѓу димензиите на спиралата и работната бранова должина.
Меѓу овие режими,аксијален режиме особено важно во RF и микробрановото инженерство бидејќи може да обезбеди насочено зрачење, релативно широк пропусен опсег и кружна поларизација. Овие карактеристики ги прават спиралните антени корисни во сателитските врски, телеметријата, следењето, вселенската комуникација, радиоастрономијата и други апликации каде што ориентацијата на антената може да се промени.
Работната фреквенција на спиралната антена не е ограничена на еден фиксен опсег. Наместо тоа, таа првенствено е одредена од нејзините физички димензии во однос на брановата должина. Затоа, спиралните структури можат да бидат дизајнирани за VHF и UHF системи, како и за апликации со повисока фреквенција на RF и микробранови.
Слика 1. Пример за спирални антени што се користат во систем за насочна комуникација.
Основна структура на спирална антена
Типична спирална антена се состои од четири главни делови:
- Хеликоиден спроводник
- Заземјувачка рамнина или рефлектор
- RF точка на напојување
- Механичка потпорна структура
Спиралата најчесто се изработува од бакарна жица, цевка или друг спроводлив материјал. Едниот крај е поврзан со централниот проводник на коаксијалниот далновод, додека коаксијалниот надворешен проводник е електрично поврзан со заземјувачката рамнина.
Заземјувачката рамнина помага во контролата на насоката на зрачењето и делува како дел од структурата на напојување на антената. Во практичните дизајни, нејзините димензии можат значително да влијаат на импедансата, перформансите од напред до назад и добиениот модел на зрачење.
Неколку геометриски параметри го одредуваат електричното однесување на антената:
- D — Дијаметар на спирала
- C — Обиколка на еден круг
- S — Растојанието помеѓу соседните вртења
- N — Број на вртења
- α — Агол на наклон
- L — Вкупна аксијална должина
Обиколката е:
[C=\pi D]
Аголот на наклон може да се изрази како:
[\алфа=\tan^{-1}\лево(\frac{S}{\pi D}\десно)]
Овие параметри не можат да се разгледуваат независно бидејќи промената на една димензија ги менува импедансата, поларизацијата, ширината на зракот, засилувањето и работната фреквенција на антената.
Слика 2. Типична спирална структура на антена со спирален проводник и рефлектор во заземјувачката рамнина.
Два главни режими на зрачење
Една од најинтересните карактеристики на спиралната антена е тоа што истата основна структура може да произведе многу различни шеми на зрачење во зависност од нејзината електрична големина.
Двата најчесто дискутирани режими на работа се:
- Нормален режим
- Аксијален режим
Разбирањето на разликата помеѓу овие два режима е од суштинско значење при избор или дизајнирање на спирална антена.
Хеликална антена во нормален режим
In нормален режим, вкупниот дијаметар и растојанието на спиралата се електрично мали во споредба со брановата должина.
Зрачењето е првенствено насочено приближно нормално на оската на спиралата, а не по неа. Електромагнетното однесување може да се разбере како комбинација од полињата произведени од краток електричен дипол и мала јамка.
Во зависност од геометријата на спиралата, аголот на наклон, распоредот на довод и насоката на набљудување, добиената поларизација може да биде линеарна, елиптична или во одредени дизајни блиску до кружна.
Хеликсите во нормален режим се обично компактни, но нивните електрично мали димензии резултираат со релативно низок отпор на зрачење. Ова може да доведе до помала ефикасност на зрачење и потесен пропусен опсег од дизајнот во аксијален режим.
Затоа тие се корисни кога големината на антената е големо ограничување и не е потребно многу големо засилување.
Слика 3. Илустративен дијаграм на зрачење на спирална антена во нормален режим.
Аксијално-моден спирален антен
Нааксијален режим, понекогаш наречен режим на крајно истрелување, е конфигурацијата што најчесто се поврзува со високо-перформансни спирални антени.
Во овој режим, електромагнетната енергија се зрачи главно по оската на спиралата, формирајќи насочен зрак.
Типичен дизајн со аксијален режим користи обем на спирала приближно споредлив со една бранова должина:
[C приближно ламбда]
Растојанието помеѓу вртењата често е околу:
[S приближно 0,2 ламбда до } 0,3 ламбда]
со приближно една четвртина од брановата должина како вообичаена почетна точка.
За многу конвенционални дизајни со аксијален режим, често се користат агли на наклон од околу 12°–14°.
Под соодветни геометриски услови, полињата генерирани од последователни вртења се комбинираат конструктивно по должината на оската на спиралата. Ова произведува насочен зрак заедно со кружна или близу кружна поларизација.
Бројот на намотки, исто така, влијае на перформансите на антената. Зголемувањето на бројот на намотки генерално може да ја зголеми насоченоста и засилувањето, а воедно да го стесни главниот зрак, иако практичните дизајни мора да ги земат предвид и механичката должина, загубата на проводникот, усогласувањето на импедансата и ограничувањата на инсталацијата.
Слика 4. Илустративен модел на зрачење на спирална антена во аксијален мод со насочен главен зрак.
Кружна поларизација од десна и лева рака
Една од главните предности на спиралната антена со аксијален мод е нејзината природна способност да генерира кружна поларизација.
Во зависност од насоката на намотување и насоката на зрачење, спиралата може да биде дизајнирана да произведе:
- RHCP — Десна кружна поларизација
- LHCP — Лева кружна поларизација
Кружната поларизација е особено корисна кога релативната ориентација помеѓу предавателската и приемната антена не може да остане фиксна.
На пример, сателитите, вселенските летала, воздушните платформи, ротирачките системи и мобилната комуникациска опрема може континуирано да ја менуваат ориентацијата. Кружно поларизирана антена може да ја намали чувствителноста на комуникациската врска на оваа аголна варијација.
Усогласувањето на поларизацијата е сè уште важно. RHCP антената идеално комуницира со RHCP антена, додека LHCP антената нормално треба да биде спарена со LHCP антена. Спротивните кружни поларизации можат да резултираат со значителна загуба на поларизација.
За инженерска евалуација,аксијален односнајчесто се користи за опишување на квалитетот на кружна поларизација. Идеален кружно поларизиран бран има аксијален сооднос од 0 dB, додека практичните кружно поларизирани антени често се оценуваат во однос на одреден услов за аксијален сооднос низ посакуваниот фреквентен и аголен опсег.
Фактори што влијаат на перформансите на спиралната антена
Однесувањето на спирална антена е тесно поврзано со нејзината геометрија.
Важни параметри на дизајнот вклучуваат:
Обиколка на спирала
Односот помеѓу обемот и брановата должина игра голема улога во одредувањето дали антената работи во нормален или аксијален режим.
Растојание помеѓу вртења
Растојанието влијае на фазниот однос помеѓу струите на соседните навивки и затоа влијае на насоката на зракот, импедансата и поларизацијата.
Агол на наклон
Аголот на наклон опишува колку брзо спиралата се движи по својата оска. Тој е важен параметар за одржување на стабилно однесување во аксијален режим.
Број на вртења
Повеќе вртења генерално го зголемуваат електричниот отвор и можат да обезбедат поголема насоченост, но исто така ја зголемуваат должината на антената и механичката сложеност.
Рамнина на земјата
Големината и обликот на рефлекторот влијаат на шемата на зрачење напред, импедансата и зрачењето назад.
Усогласување на напојувањето и импедансата
Дури и со точни димензии на спиралата, лошото усогласување на импедансата може да ја зголеми рефлектираната моќност и да ги намали реализираните перформанси на антената. Затоа, практичните дизајни треба да ја евалуираат повратната загуба или VSWR заедно со карактеристиките на зрачењето.
Модел на зрачење и засилување
Во аксијален режим, спирална антена произведува главен зрак центриран приближно по должината на спиралната оска.
Како што се зголемуваат електричната должина и бројот на вртења, главниот зрак генерално станува потесен и насоченоста на антената се зголемува. Може да се појават и странични лобуси, особено кај подолги или неоптимизирани структури.
Затоа, антената не треба да се оценува само според засилувањето. Инженерите обично земаат предвид неколку карактеристики заедно:
- Добивање
- Реализирана добивка
- Ширина на зракот со половина моќност
- Аксијален однос
- VSWR или загуба на поврат
- Сооднос напред-назад
- Ниво на страничен лобус
- Чистота на поларизација
- Ефикасност на зрачење
Оваа комбинација на параметри дава многу поцелосна слика за перформансите на антената отколку единечна вредност на засилување.
Предности на спиралните антени
Хеликалните антени нудат неколку корисни инженерски предности:
- Релативно едноставна механичка конструкција
- Можност за природна кружна поларизација во аксијален режим
- Корисен оперативен пропусен опсег
- Добри насочни перформанси
- Скалабилна геометрија за различни фреквентни опсези
- Флексибилна имплементација на RHCP или LHCP
- Погодно за индивидуални антени или низи на антени
Ограничувања на дизајнот
Исто така, постојат неколку фактори што треба да се земат предвид:
- Дизајните со аксијален режим може да бараат значителна физичка должина
- Повисокото засилување нормално бара повеќе вртења и затоа подолга антена
- Перформансите силно зависат од геометриската точност
- Димензиите на заземјувачката рамнина влијаат на карактеристиките на зрачењето
- Усогласувањето на фидовите мора да биде правилно дизајнирано
- Механичката поддршка станува поважна при поголем број на вртења
- Спротивните сетила на кружна поларизација можат да предизвикаат губење на висока несовпаѓање на поларизацијата
Типични апликации
Спиралните антени може да се најдат во широк спектар на RF системи, вклучувајќи:
- Сателитска комуникација
- Телеметрија и следење на вселенските летала
- Комуникација со копнена станица
- Радио астрономија
- Воздушни и воздухопловни комуникациски системи
- РФ телеметрија
- Насочни VHF и UHF врски
- Далечинско набљудување
- Мерење и истражување на антени
- Експерименти со кружна поларизација
- Тестирање на комуникацискиот систем
Зошто спиралните антени се важни во RF инженерството
Спиралната антена е одличен пример за тоа како геометријата на антената го контролира електромагнетното однесување.
Со менување на параметри како што се обемот, растојанието, аголот на наклон и бројот на вртења, инженерите можат да се префрлат од компактен широкостран радијатор на насочена кружно поларизирана антена.
Оваа врска помеѓу физичката геометрија и електричните перформанси е исто така важна при проучување на понапредните антенски технологии како што се кружно поларизираните рог-антени, антенските низи, сателитските антени, широкопојасните мерни антени и микробрановите комуникациски системи.
RF MISO развива антени и микробранови компоненти за RF тестирање, комуникација, радар, мерење на антени и апликации за системска интеграција. Разбирањето на основните структури на антените, како што е спиралната антена, им помага на инженерите подобро да ги проценат важните параметри, вклучувајќи го фреквентниот опсег, засилувањето, поларизацијата, аксијалниот однос, ширината на зракот, VSWR и шемата на зрачење.
За да дознаете повеќе за антените, посетете ја страницата:
Време на објавување: 07.08.2026
