Kas yra spiralinė antena?
Spiralinė antena, dar vadinama spiraline antena, yra vielinė antena, suformuota suvyniojus laidų laidą arba vamzdelį į trimatę spiralę. Vienas spiralės galas paprastai prijungtas prie centrinio maitinimo linijos laidininko, o išorinis laidininkas – prie metalinės įžeminimo plokštės arba reflektoriaus.
Dėl savo išskirtinės geometrijos antena gali veikti skirtingais spinduliuotės režimais, priklausomai nuo spiralės matmenų ir veikimo bangos ilgio santykio.
Tarp šių režimų,ašinis režimasyra ypač svarbus radijo dažnių ir mikrobangų inžinerijoje, nes gali užtikrinti kryptingą spinduliuotę, gana platų pralaidumą ir apskritąją poliarizaciją. Dėl šių savybių spiralinės antenos yra naudingos palydovų ryšiuose, telemetrijoje, sekimo procesuose, kosminiame ryšyje, radijo astronomijoje ir kitose srityse, kur antenos orientacija gali keistis.
Spiralinės antenos veikimo dažnis neapsiriboja viena fiksuota juosta. Jį pirmiausia lemia jos fiziniai matmenys bangos ilgio atžvilgiu. Todėl spiralinės struktūros gali būti suprojektuotos VHF ir UHF sistemoms, taip pat aukštesnio dažnio RF ir mikrobangų taikymams.
1 pav. Spiralinių antenų, naudojamų kryptinio ryšio sistemoje, pavyzdys.
Pagrindinė spiralinės antenos struktūra
Tipinę spiralinę anteną sudaro keturios pagrindinės dalys:
- Spiralinis laidininkas
- Įžeminimo plokštuma arba reflektorius
- RF tiekimo taškas
- Mechaninė atraminė konstrukcija
Spiralė dažniausiai gaminama iš varinės vielos, vamzdžio ar kitos laidžios medžiagos. Vienas galas prijungtas prie bendraašio perdavimo linijos centrinio laidininko, o išorinis bendraašis laidininkas elektriškai prijungtas prie įžeminimo plokštumos.
Įžeminimo plokštė padeda kontroliuoti spinduliuotės kryptį ir veikia kaip antenos maitinimo struktūros dalis. Praktiškai jos matmenys gali reikšmingai paveikti varžą, priekinės ir galinės pusės veikimą ir gaunamą spinduliuotės modelį.
Antenos elektrinį elgesį lemia keli geometriniai parametrai:
- D — spiralės skersmuo
- C — Vieno posūkio apimtis
- S — Tarpas tarp gretimų posūkių
- N — apsisukimų skaičius
- α — žingsnio kampas
- L — Bendras ašinis ilgis
Apskritimas yra:
[C=\pi D]
Pakreipimo kampą galima išreikšti taip:
[\alpha=\tan^{-1}\left(\frac{S}{\pi D}\right)]
Šių parametrų negalima vertinti atskirai, nes pakeitus vieną matmenį, pakinta antenos varža, poliarizacija, spindulio plotis, stiprinimas ir veikimo dažnis.
2 pav. Tipinė spiralinės antenos konstrukcija su spiraliniu laidininku ir įžeminimo plokštumos reflektoriumi.
Du pagrindiniai spinduliuotės režimai
Viena įdomiausių spiralinės antenos savybių yra ta, kad ta pati pagrindinė struktūra gali sukurti labai skirtingus spinduliuotės modelius, priklausomai nuo jos elektrinio dydžio.
Du dažniausiai aptariami veikimo režimai yra šie:
- Įprastas režimas
- Ašinis režimas
Renkantis arba projektuojant spiralinę anteną, būtina suprasti šių dviejų režimų skirtumą.
Įprasto režimo sraigtinė antena
In įprastas režimas, bendras spiralės skersmuo ir atstumas tarp jų yra elektriškai maži, palyginti su bangos ilgiu.
Spinduliuotė pirmiausia nukreipta maždaug statmenai spiralės ašiai, o ne išilgai jos. Elektromagnetinį elgesį galima suprasti kaip trumpo elektrinio dipolio ir mažos kilpos sukuriamų laukų derinį.
Priklausomai nuo spiralės geometrijos, žingsnio kampo, padavimo išdėstymo ir stebėjimo krypties, gauta poliarizacija gali būti tiesinė, elipsinė arba, kai kuriais atvejais, artima apskritiminei.
Įprasto režimo spiralės paprastai yra kompaktiškos, tačiau dėl mažų elektrinių matmenų jų spinduliuotės varža yra santykinai maža. Dėl to spinduliuotės efektyvumas gali būti mažesnis, o pralaidumas siauresnis nei ašinio režimo konstrukcijoje.
Todėl jie yra naudingi, kai antenos dydis yra pagrindinis apribojimas ir nereikia labai didelio stiprinimo.
3 pav. Iliustracinis normaliojo režimo sraigtinės antenos spinduliavimo modelis.
Ašinio režimo sraigtinė antena
Theašinis režimas, kartais vadinamas galinio gaisro režimu, yra konfigūracija, dažniausiai siejama su didelio našumo sraigtinėmis antenomis.
Šiuo režimu elektromagnetinė energija spinduliuoja daugiausia spiralės ašimi, sudarydama kryptingą spindulį.
Tipiškas ašinio režimo dizainas naudoja spiralės perimetrą, maždaug prilygstantį vienam bangos ilgiui:
[C maždaug lambda]
Posūkių atstumas dažnai yra maždaug:
[S maždaug 0,2 lambda iki 0,3 lambda]
maždaug ketvirtadalis bangos ilgio yra įprastas pradinis taškas.
Daugelyje įprastų ašinio režimo konstrukcijų dažnai naudojami maždaug 12°–14° žingsnio kampai.
Esant atitinkamoms geometrinėms sąlygoms, nuoseklių posūkių generuojami laukai konstruktyviai susijungia išilgai spiralės ašies. Taip sukuriamas kryptingas spindulys su apskritimine arba beveik apskritimine poliarizacija.
Apvijų skaičius taip pat turi įtakos antenos veikimui. Padidinus apvijų skaičių, paprastai galima padidinti kryptingumą ir stiprinimą, tuo pačiu susiaurinant pagrindinį spindulį, nors praktiniuose projektuose taip pat reikia atsižvelgti į mechaninį ilgį, laidininko nuostolius, varžos suderinimą ir montavimo apribojimus.
4 pav. Iliustracinis ašinio režimo sraigtinės antenos spinduliuotės modelis su kryptingu pagrindiniu spinduliu.
Dešinė ir kairė apskritoji poliarizacija
Vienas iš pagrindinių ašinio režimo sraigtinės antenos privalumų yra natūralus gebėjimas generuoti apskritąją poliarizaciją.
Priklausomai nuo vyniojimo krypties ir spinduliavimo krypties, spiralė gali būti suprojektuota taip, kad sukurtų:
- RHCP – Dešinė apskritoji poliarizacija
- LHCP – Kairė apskritoji poliarizacija
Apskritiminė poliarizacija yra ypač naudinga, kai negalima išlaikyti fiksuotos santykinės orientacijos tarp siuntimo ir priėmimo antenų.
Pavyzdžiui, palydovai, erdvėlaiviai, ore esančios platformos, besisukančios sistemos ir mobiliojo ryšio įranga gali nuolat keisti orientaciją. Apskritai poliarizuota antena gali sumažinti ryšio kanalo jautrumą šiam kampiniam pokyčiui.
Poliarizacijos atitikimas vis dar svarbus. RHCP antena idealiai bendrauja su RHCP antena, o LHCP antena paprastai turėtų būti suporuota su LHCP antena. Priešingos apskritos poliarizacijos gali sukelti didelius poliarizacijos nuostolius.
Inžineriniam vertinimui,ašinis santykisdažniausiai naudojamas apskritosios poliarizacijos kokybei apibūdinti. Ideali apskritosios poliarizacijos banga turi 0 dB ašinį santykį, o praktinės apskritosios poliarizacijos antenos dažnai vertinamos pagal nurodytą ašinio santykio reikalavimą norimame dažnių ir kampų diapazone.
Spiralinės antenos veikimą įtakojantys veiksniai
Spiralinės antenos elgesys yra glaudžiai susijęs su jos geometrija.
Svarbūs projektavimo parametrai:
Spiralės apimtis
Apskritimo ir bangos ilgio santykis vaidina svarbų vaidmenį nustatant, ar antena veikia įprastu, ar ašiniu režimu.
Posūkių tarpai
Tarpai turi įtakos srovių fazių santykiui gretimose vijose ir todėl turi įtakos spindulio krypčiai, varžai ir poliarizacijai.
Pakreipimo kampas
Spirito posūkio kampas apibūdina spiralės judėjimo greitį išilgai savo ašies. Tai svarbus parametras, padedantis išlaikyti stabilų ašinio režimo veikimą.
Apsisukimų skaičius
Daugiau vijų paprastai padidina elektrinę apertūrą ir gali užtikrinti didesnį kryptingumą, tačiau jos taip pat padidina antenos ilgį ir mechaninį sudėtingumą.
Įžeminimo plokštuma
Reflektoriaus dydis ir forma įtakoja tiesioginės spinduliuotės modelį, varžą ir atgalinę spinduliuotę.
Maitinimo ir varžos suderinimas
Net ir esant teisingiems spiralės matmenims, prastas impedanso suderinimas gali padidinti atspindėtą galią ir sumažinti realias antenos charakteristikas. Todėl praktiniuose projektuose reikia įvertinti atspindžio nuostolius arba VSWR kartu su spinduliuotės charakteristikomis.
Spinduliuotės modelis ir stiprinimas
Ašiniu režimu spiralinė antena sukuria pagrindinį spindulį, kurio centras yra maždaug išilgai spiralės ašies.
Didėjant elektrinio ilgio ir vijavimo skaičiui, pagrindinis spindulys paprastai siaurėja, o antenos kryptingumas didėja. Taip pat gali atsirasti šoninių skiltelių, ypač ilgesnėse arba neoptimizuotose konstrukcijose.
Todėl antenos nereikėtų vertinti vien pagal stiprinimo koeficientą. Inžinieriai paprastai kartu atsižvelgia į kelias charakteristikas:
- Pelnas
- Realizuotas pelnas
- Pusės galios spindulio plotis
- Ašinis santykis
- VSWR arba grįžtamieji nuostoliai
- Priekinės ir galinės ašies santykis
- Šoninės skilties lygis
- Poliarizacijos grynumas
- Spinduliuotės efektyvumas
Šis parametrų derinys suteikia daug išsamesnį antenos veikimo vaizdą nei viena stiprinimo vertė.
Spiralinių antenų privalumai
Spiralinės antenos turi keletą naudingų inžinerinių privalumų:
- Santykinai paprasta mechaninė konstrukcija
- Natūrali apskrito poliarizacijos galimybė ašiniu režimu
- Naudingas darbinis pralaidumas
- Geras kryptinis veikimas
- Keičiama geometrija skirtingiems dažnių diapazonams
- Lankstus RHCP arba LHCP įgyvendinimas
- Tinka individualioms antenoms arba antenų masyvams
Dizaino apribojimai
Taip pat reikia atsižvelgti į keletą veiksnių:
- Ašinio režimo konstrukcijoms gali reikėti didelio fizinio ilgio
- Didesniam stiprinimui paprastai reikia daugiau apvijų, taigi ir ilgesnės antenos.
- Našumas labai priklauso nuo geometrinio tikslumo
- Įžeminės plokštumos matmenys turi įtakos spinduliuotės charakteristikoms
- Pašarų derinimas turi būti tinkamai suprojektuotas
- Mechaninė parama tampa svarbesnė esant didesniam apsisukimų skaičiui
- Priešingos apskritos poliarizacijos jutimo sistemos gali sukelti didelius poliarizacijos neatitikimo nuostolius
Tipinės taikymo sritys
Spiralinės antenos gali būti naudojamos įvairiose radijo dažnių sistemose, įskaitant:
- Palydovinis ryšys
- Erdvėlaivių telemetrija ir sekimas
- Antžeminės stoties ryšys
- Radioastronomija
- Oro ir kosmoso ryšių sistemos
- RF telemetrija
- Kryptiniai VHF ir UHF ryšiai
- Nuotolinis stebėjimas
- Antenos matavimas ir tyrimai
- Apskritinės poliarizacijos eksperimentai
- Ryšių sistemos testavimas
Kodėl spiralinės antenos svarbios RF inžinerijoje
Spiralinė antena yra puikus pavyzdys, kaip antenos geometrija kontroliuoja elektromagnetinį elgesį.
Keisdami tokius parametrus kaip apimtis, atstumas, žingsnio kampas ir vijų skaičius, inžinieriai gali pereiti nuo kompaktiško plačiajuosčio radiatoriaus prie kryptinės apskrito poliarizacijos antenos.
Šis fizinės geometrijos ir elektrinių charakteristikų ryšys taip pat svarbus tiriant pažangesnes antenų technologijas, tokias kaip apskrito poliarizacijos raginės antenos, antenų masyvai, palydovinės antenos, plačiajuosčio ryšio matavimo antenos ir mikrobangų ryšio sistemos.
RF MISO kuria antenas ir mikrobangų komponentus radijo dažnių bandymams, ryšiui, radarams, antenų matavimui ir sistemų integravimo taikymams. Supratimas apie pagrindines antenų struktūras, tokias kaip spiralinė antena, padeda inžinieriams geriau įvertinti svarbius parametrus, įskaitant dažnių diapazoną, stiprinimą, poliarizaciją, ašių santykį, spindulio plotį, VSWR ir spinduliuotės modelį.
Norėdami sužinoti daugiau apie antenas, apsilankykite:
Įrašo laikas: 2026 m. rugpjūčio 7 d.
