Што такое спіральная антэна?
Спіральная антэна, таксама вядомая як спіральная антэна, — гэта дроцяная антэна, якая ўтвараецца шляхам намотвання праводнага дроту або трубкі ў трохмерную спіраль. Адзін канец спіралі звычайна падключаны да цэнтральнага правадніка сілкавальнай лініі, а вонкавы праваднік — да металічнай зазямляльнай плоскасці або адбівальніка.
Яе адметная геаметрыя дазваляе антэне працаваць у розных рэжымах выпраменьвання ў залежнасці ад суадносін паміж памерамі спіралі і працоўнай даўжынёй хвалі.
Сярод гэтых рэжымаў,восевы рэжымасабліва важная ў радыёчастотнай і мікрахвалевай тэхніцы, паколькі яна можа забяспечваць накіраванае выпраменьванне, адносна шырокую паласу прапускання і кругавую палярызацыю. Гэтыя характарыстыкі робяць спіральныя антэны карыснымі ў спадарожнікавых лініях сувязі, тэлеметрыі, адсочванні, касмічнай сувязі, радыёастраноміі і іншых прымяненнях, дзе арыентацыя антэны можа змяняцца.
Рабочая частата спіральнай антэны не абмежаваная адной фіксаванай паласой. Замест гэтага яна ў першую чаргу вызначаецца яе фізічнымі памерамі адносна даўжыні хвалі. Такім чынам, спіральныя структуры могуць быць распрацаваны для сістэм УКХ і УКХ, а таксама для больш высокачастотных радыёчастотных і мікрахвалевых прымяненняў.
Малюнак 1. Прыклад спіральных антэн, якія выкарыстоўваюцца ў накіраванай сістэме сувязі.
Асноўная структура спіральнай антэны
Тыповая спіральная антэна складаецца з чатырох асноўных частак:
- Спіральны праваднік
- Зазямляльная плоскасць або адбівальнік
- Пункт харчавання радыёчастотных сігналаў
- Механічная апорная канструкцыя
Спіраль звычайна вырабляецца з меднага дроту, трубкі або іншага праводзячага матэрыялу. Адзін канец падлучаны да цэнтральнага правадніка кааксіяльнай лініі перадачы, а вонкавы кааксіяльны праваднік электрычна злучаны з зазямляльнай плоскасцю.
Зазямляльная плоскасць дапамагае кантраляваць кірунак выпраменьвання і выступае ў якасці часткі структуры харчавання антэны. У практычных канструкцыях яе памеры могуць істотна ўплываць на імпеданс, характарыстыкі франтальнай і задняй дыяграмы накіраванасці і атрыманую дыяграму накіраванасці.
Некалькі геаметрычных параметраў вызначаюць электрычныя ўласцівасці антэны:
- D — Дыяметр спіралі
- C — Акружнасць аднаго абароту
- S — Адлегласць паміж суседнімі паваротамі
- N — Колькасць абаротаў
- α — Кут тангажу
- L — Агульная восевая даўжыня
Акружнасць складае:
[C=\π D]
Кут нахілу можна выразіць як:
[\alpha=\tan^{-1}\left(\frac{S}{\pi D}\right)]
Гэтыя параметры нельга разглядаць асобна, бо змяненне аднаго вымярэння змяняе імпеданс антэны, палярызацыю, шырыню прамяня, каэфіцыент узмацнення і рабочую частату.
Малюнак 2. Тыповая структура спіральнай антэны са спіральным правадніком і адбівальнікам на зазямляльнай плоскасці.
Два асноўныя рэжымы выпраменьвання
Адной з найбольш цікавых характарыстык спіральнай антэны з'яўляецца тое, што адна і тая ж базавая структура можа ствараць вельмі розныя дыяграмы выпраменьвання ў залежнасці ад яе электрычных памераў.
Два найбольш распаўсюджаныя рэжымы працы:
- Звычайны рэжым
- Восевы рэжым
Разуменне розніцы паміж гэтымі двума рэжымамі мае важнае значэнне пры выбары або праектаванні спіральнай антэны.
Спіральная антэна нармальнага рэжыму
In звычайны рэжым, агульны дыяметр і адлегласць паміж спіраллю электрычна малыя ў параўнанні з даўжынёй хвалі.
Выпраменьванне ў асноўным накіравана прыблізна перпендыкулярна восі спіралі, а не ўздоўж яе. Электрамагнітныя ўласцівасці можна зразумець як камбінацыю палёў, створаных кароткім электрычным дыполем і невялікай пятлёй.
У залежнасці ад геаметрыі спіралі, вугла нахілу, размяшчэння падачы і кірунку назірання, атрыманая палярызацыя можа быць лінейнай, эліптычнай або ў некаторых канструкцыях блізкай да кругавой.
Спіралі нармальнага рэжыму звычайна кампактныя, але іх электрычна малыя памеры прыводзяць да адносна нізкага супраціўлення выпраменьванню. Гэта можа прывесці да ніжэйшай эфектыўнасці выпраменьвання і вузейшай паласы прапускання, чым у канструкцыі з восевым рэжымам.
Таму яны карысныя, калі памер антэны з'яўляецца асноўным абмежаваннем і не патрабуецца вельмі высокі каэфіцыент узмацнення.
Малюнак 3. Ілюстрацыйная дыяграма накіраванасці спіральнай антэны нармальнага рэжыму.
Спіральная антэна з восевым рэжымам
Гэтывосевы рэжым, які часам называюць рэжымам канцавога агню, — гэта канфігурацыя, якая часцей за ўсё асацыюецца з высокапрадукцыйнымі спіральнымі антэнамі.
У гэтым рэжыме электрамагнітная энергія выпраменьваецца ў асноўным уздоўж восі спіралі, утвараючы накіраваны прамень.
Тыповая канструкцыя з восевым рэжымам выкарыстоўвае акружнасць спіралі, прыблізна параўнальную з адной даўжынёй хвалі:
[C прыблізна лямбда]
Інтэрвал паміж паваротамі часта складае прыкладна:
[S прыблізна ад 0,2 лямбда да 0,3 лямбда]
прычым прыблізна чвэрць даўжыні хвалі з'яўляецца агульнай адпраўной кропкай.
Для многіх традыцыйных канструкцый з восевым рэжымам часта выкарыстоўваюцца вуглы тангажу каля 12°–14°.
Пры адпаведных геаметрычных умовах палі, якія ствараюцца паслядоўнымі паваротамі, канструктыўна аб'ядноўваюцца ўздоўж восі спіралі. Гэта стварае накіраваны прамень разам з кругавой або амаль кругавой палярызацыяй.
Колькасць віткоў таксама ўплывае на прадукцыйнасць антэны. Павелічэнне колькасці віткоў, як правіла, можа павялічыць каэфіцыент накіраванасці і ўзмацнення, адначасова звужаючы галоўны прамень, хоць практычныя канструкцыі павінны таксама ўлічваць механічную даўжыню, страты ў правадніку, узгадненне імпедансу і абмежаванні на ўстаноўку.
Малюнак 4. Ілюстрацыйная дыяграма накіраванасці спіральнай антэны з аксіяльным рэжымам і накіраваным асноўным прамянём.
Правабаковая і левабаковая кругавая палярызацыя
Адной з галоўных пераваг спіральнай антэны з восевым рэжымам з'яўляецца яе натуральная здольнасць генераваць кругавую палярызацыю.
У залежнасці ад кірунку намоткі і кірунку выпраменьвання, спіраль можа быць распрацавана для атрымання:
- RHCP — праварукая кругавая палярызацыя
- LHCP — Левая кругавая палярызацыя
Кругавая палярызацыя асабліва карысная, калі адносная арыентацыя паміж перадаючай і прыёмнай антэнамі не можа заставацца фіксаванай.
Напрыклад, спадарожнікі, касмічныя караблі, паветраныя платформы, верцяльныя сістэмы і абсталяванне мабільнай сувязі могуць пастаянна мяняць арыентацыю. Антэна з цыркулярнай палярызацыяй можа знізіць адчувальнасць лініі сувязі да гэтага вуглавога змянення.
Узгадненне палярызацыі ўсё яшчэ важнае. Антэна RHCP ідэальна злучаецца з антэнай RHCP, у той час як антэна LHCP звычайна павінна быць спалучана з антэнай LHCP. Процілеглыя кругавыя палярызацыі могуць прывесці да значных страт палярызацыі.
Для інжынернай ацэнкі,восевае суадносінызвычайна выкарыстоўваецца для апісання якасці кругавой палярызацыі. Ідэальная кругавая палярызаваная хваля мае восевае стаўленне 0 дБ, у той час як практычныя кругавая палярызаваныя антэны часта ацэньваюцца ў адпаведнасці з зададзеным патрабаваннем да восевага стаўлення ў патрэбным дыяпазоне частот і вуглоў.
Фактары, якія ўплываюць на прадукцыйнасць спіральнай антэны
Паводзіны спіральнай антэны цесна звязаны з яе геаметрыяй.
Важныя параметры канструкцыі ўключаюць:
Акружнасць спіралі
Суадносіны паміж акружнасцю і даўжынёй хвалі адыгрываюць важную ролю ў вызначэнні таго, ці працуе антэна ў нармальным або восевым рэжыме.
Адлегласць паміж паваротамі
Адлегласць уплывае на фазавыя суадносіны паміж токамі на суседніх вітках і, такім чынам, уплывае на кірунак прамяня, імпеданс і палярызацыю.
Кут нахілу
Кут нахілу апісвае, наколькі хутка спіраль рухаецца ўздоўж сваёй восі. Гэта важны параметр для падтрымання стабільнай паводзін у восевым рэжыме.
Колькасць абаротаў
Большая колькасць паваротаў звычайна павялічвае электрычную апертуру і можа забяспечыць больш высокую накіраванасць, але яны таксама павялічваюць даўжыню антэны і механічную складанасць.
Плоскасць зямлі
Памер і форма адбівальніка ўплываюць на дыяграму накіраванасці прамой лініі выпраменьвання, імпеданс і адваротнае выпраменьванне.
Узгадненне падачы і імпедансу
Нават пры правільных памерах спіралі дрэннае ўзгадненне імпедансу можа павялічыць адлюстраваную магутнасць і знізіць рэалізаваныя характарыстыкі антэны. Таму на практычных праектах неабходна ацэньваць страты на адлюстраванне або КСХН разам з характарыстыкамі выпраменьвання.
Дыяграма выпраменьвання і ўзмацненне
У восевым рэжыме спіральная антэна стварае галоўны прамень, цэнтраваны прыблізна ўздоўж восі спіралі.
Па меры павелічэння электрычнай даўжыні і колькасці віткоў галоўны прамень звычайна становіцца вузейшым, а накіраванасць антэны павялічваецца. Таксама могуць з'яўляцца бакавыя пялёсткі, асабліва ў больш доўгіх або неаптымізаваных канструкцыях.
Таму антэну нельга ацэньваць толькі па каэфіцыенце ўзмацнення. Інжынеры звычайна ўлічваюць некалькі характарыстык разам:
- Узмацненне
- Рэалізаваны прыбытак
- Шырыня прамяня пры палове магутнасці
- Восевае суадносіны
- КСВ або страты на адлюстраванне
- Суадносіны пярэдняй і задняй частак
- Узровень бакавых пялёсткаў
- Чысціня палярызацыі
- Эфектыўнасць выпраменьвання
Гэта спалучэнне параметраў дае значна больш поўную карціну прадукцыйнасці антэны, чым адно значэнне каэфіцыента ўзмацнення.
Перавагі спіральных антэн
Спіральныя антэны прапануюць некалькі карысных інжынерных пераваг:
- Адносна простая механічная канструкцыя
- Натуральная магчымасць кругавой палярызацыі ў восевым рэжыме
- Карысная прапускная здольнасць
- Добрая накіравальная прадукцыйнасць
- Маштабуемая геаметрыя для розных дыяпазонаў частот
- Гнуткая рэалізацыя RHCP або LHCP
- Падыходзіць для асобных антэн або антэнных рашотак
Абмежаванні дызайну
Таксама варта ўлічваць некалькі фактараў:
- Канструкцыі з восевым рэжымам могуць патрабаваць значнай фізічнай даўжыні
- Большы каэфіцыент узмацнення звычайна патрабуе большай колькасці віткоў і, такім чынам, большай даўжыні антэны
- Прадукцыйнасць моцна залежыць ад геаметрычнай дакладнасці
- Памеры зазямлення ўплываюць на характарыстыкі выпраменьвання
- Супастаўленне каналаў павінна быць правільна распрацавана
- Механічная падтрымка становіцца больш важнай пры большай колькасці абаротаў
- Супрацьлеглыя кругавыя палярызацыйныя пачуцці могуць прывесці да высокіх страт з-за неадпаведнасці палярызацыі.
Тыповыя прымянення
Спіральныя антэны можна знайсці ў шырокім дыяпазоне радыёчастотных сістэм, у тым ліку:
- Спадарожнікавая сувязь
- Тэлеметрыя і адсочванне касмічных апаратаў
- Сувязь з наземнай станцыяй
- Радыёастраномія
- Паветраныя і аэракасмічныя сістэмы сувязі
- радыёчастотная тэлеметрыя
- Накіраваныя лініі сувязі УКХ і УКХ
- Дыстанцыйнае зондаванне
- Вымярэнні і даследаванні антэн
- Эксперыменты па кругавой палярызацыі
- Тэставанне сістэмы сувязі
Чаму спіральныя антэны маюць значэнне ў радыёчастотнай тэхніцы
Спіральная антэна — выдатны прыклад таго, як геаметрыя антэны кантралюе электрамагнітныя ўласцівасці.
Змяняючы такія параметры, як акружнасць, адлегласць паміж імі, кут тангажу і колькасць віткоў, інжынеры могуць перайсці ад кампактнага шырокапалоснага выпраменьвальніка да накіраванай антэны з кругавой палярызацыяй.
Гэтая ўзаемасувязь паміж фізічнай геаметрыяй і электрычнымі характарыстыкамі таксама важная пры вывучэнні больш перадавых тэхналогій антэн, такіх як цыркулярна палярызаваныя рупарныя антэны, антэнныя рашоткі, спадарожнікавыя антэны, шырокапалосныя вымяральныя антэны і сістэмы мікрахвалевай сувязі.
RF MISO распрацоўвае антэны і мікрахвалевыя кампаненты для радыёчастотных выпрабаванняў, сувязі, радараў, вымярэнняў антэн і сістэмнай інтэграцыі. Разуменне асноўных структур антэн, такіх як спіральная антэна, дапамагае інжынерам лепш ацэньваць важныя параметры, у тым ліку дыяпазон частот, узмацненне, палярызацыю, восевае каэфіцыент, шырыню прамяня, КСХ і дыяграму накіраванасці.
Каб даведацца больш пра антэны, наведайце:
Час публікацыі: 07 жніўня 2026 г.
