Kas ir spirālveida antena?
Spirālveida antena, kas pazīstama arī kā spirālveida antena, ir stiepļu antena, kas izveidota, tinot vadošu vadu vai cauruli trīsdimensiju spirālē. Viens spirāles gals parasti ir savienots ar barošanas līnijas centrālo vadītāju, bet ārējais vadītājs ir savienots ar metāla iezemējuma plakni vai reflektoru.
Tās īpatnējā ģeometrija ļauj antenai darboties dažādos starojuma režīmos atkarībā no spirāles izmēru un darba viļņa garuma attiecības.
Starp šiem režīmiemaksiālais režīmsir īpaši svarīga radiofrekvenču (RF) un mikroviļņu inženierijā, jo tā var nodrošināt virziena starojumu, relatīvi plašu joslas platumu un apļveida polarizāciju. Šīs īpašības padara spirālveida antenas noderīgas satelītu saitēs, telemetrijā, izsekošanā, kosmosa sakaros, radioastronomijā un citās lietojumprogrammās, kur antenas orientācija var mainīties.
Spirālveida antenas darba frekvence nav ierobežota ar vienu fiksētu joslu. Tā vietā to galvenokārt nosaka tās fizikālie izmēri attiecībā pret viļņa garumu. Tāpēc spirālveida struktūras var izstrādāt VHF un UHF sistēmām, kā arī augstākas frekvences RF un mikroviļņu lietojumiem.
1. attēls. Spirālveida antenu piemērs, ko izmanto virziena sakaru sistēmā.
Spirālveida antenas pamatstruktūra
Tipiska spirālveida antena sastāv no četrām galvenajām daļām:
- Spirālveida vadītājs
- Zemes plakne vai atstarotājs
- RF padeves punkts
- Mehāniskā atbalsta konstrukcija
Spirāle parasti ir izgatavota no vara stieples, caurules vai cita vadoša materiāla. Viens gals ir savienots ar koaksiālās pārvades līnijas centrālo vadītāju, bet koaksiālais ārējais vadītājs ir elektriski savienots ar iezemējuma plakni.
Zemējuma plakne palīdz kontrolēt starojuma virzienu un darbojas kā daļa no antenas barošanas struktūras. Praktiskos projektos tās izmēri var būtiski ietekmēt impedanci, priekšējo-aizmugurējo veiktspēju un iegūto starojuma modeli.
Antenas elektrisko uzvedību nosaka vairāki ģeometriskie parametri:
- D — spirāles diametrs
- C — Viena apgrieziena apkārtmērs
- S — atstarpe starp blakus esošajiem pagriezieniem
- N — apgriezienu skaits
- α — slīpuma leņķis
- L — kopējais aksiālais garums
Apkārtmērs ir:
[C=\pi D]
Slīpuma leņķi var izteikt šādi:
[\alpha=\tan^{-1}\left(\frac{S}{\pi D}\right)]
Šos parametrus nevar ņemt vērā neatkarīgi, jo, mainot vienu dimensiju, mainās antenas impedance, polarizācija, staru kūļa platums, pastiprinājums un darba frekvence.
2. attēls. Tipiska spirālveida antenas struktūra ar spirālveida vadītāju un iezemētās plaknes reflektoru.
Divi galvenie starojuma režīmi
Viena no interesantākajām spirālveida antenas īpašībām ir tā, ka viena un tā pati pamatstruktūra var radīt ļoti atšķirīgus starojuma modeļus atkarībā no tās elektriskā izmēra.
Divi bieži apspriestie darbības režīmi ir:
- Normālais režīms
- Aksiālais režīms
Izvēloties vai projektējot spirālveida antenu, ir svarīgi izprast atšķirību starp šiem diviem režīmiem.
Normālā režīma spirālveida antena
In normālais režīms, spirāles kopējais diametrs un atstatums ir elektriski mazs, salīdzinot ar viļņa garumu.
Starojums galvenokārt tiek virzīts aptuveni perpendikulāri spirāles asij, nevis gar to. Elektromagnētisko uzvedību var saprast kā īsa elektriskā dipola un nelielas cilpas radīto lauku kombināciju.
Atkarībā no spirāles ģeometrijas, soļa leņķa, padeves izvietojuma un novērošanas virziena iegūtā polarizācija var būt lineāra, eliptiska vai atsevišķos dizainos tuvu apļveida formai.
Normālā režīma spirāles parasti ir kompaktas, taču to elektriski mazie izmēri rada relatīvi zemu starojuma pretestību. Tas var novest pie zemākas starojuma efektivitātes un šaurāka joslas platuma nekā aksiālā režīma konstrukcijai.
Tāpēc tie ir noderīgi, ja antenas izmērs ir būtisks ierobežojums un nav nepieciešams ļoti liels pastiprinājums.
3. attēls. Normālā režīma spirālveida antenas ilustratīvs starojuma modelis.
Aksiālā režīma spirālveida antena
Theaksiālais režīms, ko dažreiz sauc par gala uguns režīmu, ir konfigurācija, kas visbiežāk tiek saistīta ar augstas veiktspējas spirālveida antenām.
Šajā režīmā elektromagnētiskā enerģija tiek izstarota galvenokārt pa spirāles asi, veidojot virziena staru kūli.
Tipiskā aksiālā režīma konstrukcijā tiek izmantots spirāles apkārtmērs, kas ir aptuveni salīdzināms ar vienu viļņa garumu:
[C aptuveni lambda]
Pagriezienu atstatums bieži vien ir aptuveni:
[S aptuveni 0,2 lambda līdz 0,3 lambda]
ar aptuveni vienu ceturtdaļu viļņa garuma, kas ir izplatīts sākumpunkts.
Daudzos tradicionālajos aksiālā režīma dizainos bieži tiek izmantoti aptuveni 12°–14° soļa leņķi.
Atbilstošos ģeometriskos apstākļos secīgu pagriezienu radītie lauki konstruktīvi apvienojas gar spirāles asi. Tas rada virziena staru kūli kopā ar apļveida vai gandrīz apļveida polarizāciju.
Vijumu skaits ietekmē arī antenas veiktspēju. Vijumu skaita palielināšana parasti var palielināt virzību un pastiprinājumu, vienlaikus sašaurinot galveno staru kūli, lai gan praktiskos projektos jāņem vērā arī mehāniskais garums, vadītāja zudumi, impedances saskaņošana un uzstādīšanas ierobežojumi.
4. attēls. Ilustratīva aksiālā režīma spirālveida antenas starojuma diagramma ar virzītu galveno staru kūli.
Labās un kreisās puses apļveida polarizācija
Viena no aksiālā režīma spirālveida antenas galvenajām priekšrocībām ir tās dabiskā spēja ģenerēt apļveida polarizāciju.
Atkarībā no tinuma virziena un starojuma virziena spirāli var konstruēt tā, lai tā radītu:
- RHCP — labās puses apļveida polarizācija
- LHCP — kreisās puses apļveida polarizācija
Apļveida polarizācija ir īpaši noderīga, ja raidošās un uztverošās antenas relatīvā orientācija nevar palikt fiksēta.
Piemēram, satelīti, kosmosa kuģi, gaisa platformas, rotējošas sistēmas un mobilo sakaru iekārtas var nepārtraukti mainīt orientāciju. Cirkulāri polarizēta antena var samazināt sakaru saites jutību pret šīm leņķiskajām izmaiņām.
Polarizācijas saskaņošana joprojām ir svarīga. RHCP antena ideālā gadījumā sazinās ar RHCP antenu, savukārt LHCP antena parasti jāsavieno pārī ar LHCP antenu. Pretējas apļveida polarizācijas var izraisīt ievērojamus polarizācijas zudumus.
Inženiertehniskai novērtēšanai,aksiālā attiecībaparasti tiek izmantots, lai aprakstītu cirkulārās polarizācijas kvalitāti. Ideālam cirkulāri polarizētam vilnim ir aksiālā attiecība 0 dB, savukārt praktiskas cirkulāri polarizētas antenas bieži tiek novērtētas, ņemot vērā noteiktu aksiālās attiecības prasību visā vēlamajā frekvenču un leņķa diapazonā.
Faktori, kas ietekmē spirālveida antenas veiktspēju
Spirālveida antenas uzvedība ir cieši saistīta ar tās ģeometriju.
Svarīgi dizaina parametri ir šādi:
Spirāles apkārtmērs
Apkārtmēra un viļņa garuma attiecībai ir liela nozīme, nosakot, vai antena darbojas normālā vai aksiālā režīmā.
Pagriezienu atstarpes
Atstatums ietekmē fāžu attiecības starp strāvām blakus esošajos vijumos un tādējādi ietekmē staru kūļa virzienu, impedanci un polarizāciju.
Piķa leņķis
Soļa leņķis raksturo spirāles kustības ātrumu pa savu asi. Tas ir svarīgs parametrs stabilas aksiālā režīma uzvedības uzturēšanai.
Pagriezienu skaits
Vairāk vijumu parasti palielina elektrisko apertūru un var nodrošināt augstāku virzību, taču tie arī palielina antenas garumu un mehānisko sarežģītību.
Zemes plakne
Atstarotāja izmērs un forma ietekmē priekšējā starojuma modeli, impedanci un atpakaļgaitas starojumu.
Barības un impedances saskaņošana
Pat ar pareiziem spirāles izmēriem slikta impedances saskaņošana var palielināt atstaroto jaudu un samazināt realizēto antenas veiktspēju. Tāpēc praktiskos projektos ir jānovērtē atstarošanas zudumi jeb VSWR kopā ar starojuma raksturlielumiem.
Radiācijas modelis un pastiprinājums
Aksiālajā režīmā spirālveida antena rada galveno staru kūli, kas centrēts aptuveni gar spirāles asi.
Palielinoties elektriskajam garumam un vijumu skaitam, galvenais stars parasti kļūst šaurāks un antenas virzība palielinās. Var parādīties arī sānu daivas, īpaši garākās vai neoptimizētās konstrukcijās.
Tāpēc antenu nevajadzētu novērtēt tikai pēc pastiprinājuma. Inženieri parasti ņem vērā vairākas īpašības kopā:
- Ieguvums
- Realizētā peļņa
- Puse jaudas stara platums
- Aksiālā attiecība
- VSWR jeb atgriešanās zudumi
- Priekšpuses un aizmugures attiecība
- Sānu daivas līmenis
- Polarizācijas tīrība
- Radiācijas efektivitāte
Šī parametru kombinācija sniedz daudz pilnīgāku priekšstatu par antenas veiktspēju nekā viena pastiprinājuma vērtība.
Spirālveida antenu priekšrocības
Spirālveida antenām ir vairākas noderīgas inženiertehniskās priekšrocības:
- Salīdzinoši vienkārša mehāniskā konstrukcija
- Dabiska apļveida polarizācijas spēja aksiālajā režīmā
- Noderīga darbības joslas platums
- Laba virziena veiktspēja
- Mērogojama ģeometrija dažādiem frekvenču diapazoniem
- Elastīga RHCP vai LHCP ieviešana
- Piemērots atsevišķām antenām vai antenu masīviem
Dizaina ierobežojumi
Jāņem vērā arī vairāki faktori:
- Aksiālā režīma konstrukcijām var būt nepieciešams ievērojams fiziskais garums
- Lielāks pastiprinājums parasti prasa vairāk apgriezienu un līdz ar to garāku antenu
- Veiktspēja ir ļoti atkarīga no ģeometriskās precizitātes
- Zemes plaknes izmēri ietekmē starojuma raksturlielumus
- Barības saskaņošanai jābūt pareizi izstrādātai
- Mehāniskais atbalsts kļūst svarīgāks, ja pagriezienu skaits ir lielāks
- Pretējās apļveida polarizācijas sajūtas var radīt lielus polarizācijas neatbilstības zudumus
Tipiski pielietojumi
Spirālveida antenas var atrast plašā RF sistēmu klāstā, tostarp:
- Satelītu sakari
- Kosmosa kuģu telemetrija un izsekošana
- Zemes stacijas sakari
- Radioastronomija
- Gaisa un kosmosa sakaru sistēmas
- RF telemetrija
- Virziena VHF un UHF saites
- Tālizpēte
- Antenas mērīšana un izpēte
- Apļveida polarizācijas eksperimenti
- Sakaru sistēmas testēšana
Kāpēc spirālveida antenas ir svarīgas RF inženierijā
Spirālveida antena ir lielisks piemērs tam, kā antenas ģeometrija kontrolē elektromagnētisko uzvedību.
Mainot tādus parametrus kā apkārtmērs, atstarpe, soļa leņķis un vijumu skaits, inženieri var pāriet no kompakta platleņķa radiatora uz virziena apļveida polarizētu antenu.
Šī saistība starp fizisko ģeometriju un elektrisko veiktspēju ir svarīga arī pētot progresīvākas antenu tehnoloģijas, piemēram, apļveida polarizētas ragu antenas, antenu blokus, satelītantenas, platjoslas mērījumu antenas un mikroviļņu sakaru sistēmas.
RF MISO izstrādā antenas un mikroviļņu komponentus RF testēšanai, sakariem, radariem, antenu mērījumiem un sistēmu integrācijas lietojumprogrammām. Izpratne par antenu pamatstruktūrām, piemēram, spirālveida antenu, palīdz inženieriem labāk novērtēt svarīgus parametrus, tostarp frekvenču diapazonu, pastiprinājumu, polarizāciju, aksiālo attiecību, staru kūļa platumu, VSWR un starojuma modeli.
Lai uzzinātu vairāk par antenām, lūdzu, apmeklējiet:
Publicēšanas laiks: 2026. gada 7. augusts
