Спиральная антенна

Спиральная антенна — это антенна , состоящая из одного или нескольких проводящих проводов, намотанных в форме спирали . Спиральная антенна, изготовленная из одного спирального провода, наиболее распространенный тип, называется монофилярной , в то время как антенны с двумя или четырьмя проводами в спирали называются бифилярными или квадрифилярными соответственно.

В большинстве случаев направленные спиральные антенны монтируются над заземляющей плоскостью , в то время как всенаправленные конструкции могут не монтироваться. Линия питания подключается между нижней частью спирали и заземляющей плоскостью. Спиральные антенны могут работать в одном из двух основных режимов: нормальном или осевом.

В нормальном режиме или широкополосной спиральной антенне диаметр и шаг антенны малы по сравнению с длиной волны . Антенна действует аналогично электрически короткому диполю или монополю , эквивалентному ⁠1/4⁠ волна вертикальная и диаграмма направленности , ^{[ необходима ссылка ]} подобно этим антеннам, является всенаправленной , с максимальным излучением под прямым углом к оси спирали. Для монофилярных конструкций излучение линейно поляризовано параллельно оси спирали. Они используются для компактных антенн для портативных ручных, а также мобильных двухсторонних радиостанций , устанавливаемых на транспортных средствах , и в большем масштабе для антенн телевизионного вещания УВЧ. В бифилярных или квадрифилярных реализациях может быть реализовано широкополосное круговое поляризованное излучение.

В аксиальном режиме или спиральной антенне с торцевым зажиганием диаметр и шаг спирали сопоставимы с длиной волны. Антенна функционирует как направленная антенна , излучающая луч с концов спирали вдоль оси антенны. Она излучает радиоволны с круговой поляризацией . Они используются для спутниковой связи. Работа в аксиальном режиме была открыта физиком Джоном Д. Краусом ^[1]

Нормальный режим спиральный

Если окружность спирали значительно меньше длины волны, а ее шаг (осевое расстояние между последовательными витками) значительно меньше четверти длины волны, антенна называется спиралью нормальной моды . Антенна действует подобно монопольной антенне с всенаправленной диаграммой направленности , излучая одинаковую мощность во всех направлениях, перпендикулярных оси антенны. Однако из-за индуктивности, добавленной спиральной формой, антенна действует как индуктивно нагруженный монополь; на своей резонансной частоте она короче четверти длины волны. Поэтому спирали нормальной моды можно использовать в качестве электрически коротких монополей, альтернативы штыревым антеннам с центральной или базовой нагрузкой , в приложениях, где полноразмерный четвертьволновый монополь был бы слишком большим. Как и в случае с другими электрически короткими антеннами, усиление и, следовательно, дальность связи спирали будут меньше, чем у полноразмерной антенны. Компактный размер делает спиральные антенны полезными в качестве антенн для мобильных и портативных средств связи в диапазонах HF, VHF и UHF. ^{[ необходима ссылка ]}

^{[ необходимая цитата ]} Нагрузка, обеспечиваемая спиралью, позволяет антенне быть физически короче ее электрической длины в четверть длины волны. Это означает, что, например, ⁠ 1 /4⁠ антенна волновая на 27 МГц имеет длину 2,7 м (110 дюймов; 8,9 футов) и физически совершенно не подходит для мобильных приложений. Уменьшенный размер спиральной антенны обеспечивает ту же диаграмму направленности в гораздо более компактном физическом размере с небольшим снижением производительности сигнала.

Эффект использования спирального проводника вместо прямого заключается в том, что согласованное сопротивление изменяется с номинального 50 Ом на базовое сопротивление между 25 и 35 Ом. Это, по-видимому, не оказывает отрицательного влияния на работу или согласование с обычной линией передачи 50 Ом , при условии, что соединительная линия является электрическим эквивалентом ⁠ 1 /2⁠ длина волны на рабочей частоте. ^{[ необходима ссылка ]}

Мобильные высокочастотные спиральные

Другим примером типа, используемого в мобильной связи, является разнесенный постоянный виток , в котором одна или несколько различных линейных обмоток намотаны на один формирователь и разнесены так, чтобы обеспечить эффективный баланс между емкостью и индуктивностью для излучающего элемента на определенной резонансной частоте. Многие примеры этого типа широко использовались для 27 МГц CB-радио с широким спектром конструкций, возникших в США и Австралии в конце 1960-х годов. На сегодняшний день многие миллионы этих «спиральных антенн» были произведены массово для использования в основном в мобильных транспортных средствах и достигли пика производства во времена бума CB-радио в 1970-х - конце 1980-х годов и использовались по всему миру.

Многочастотные версии с ручными вставными ответвителями стали основой для многополосной однополосной модуляции (SSB) HF-связи с частотным покрытием по всему HF-спектру от 1 МГц до 30 МГц с 2–6 выделенными точками ответвления частоты, настроенными на выделенные и выделенные частоты в диапазонах наземной мобильной связи, морского и авиационного транспорта. Недавно эти антенны были заменены электронно-настраиваемыми устройствами согласования антенн. ^{[ требуется ссылка ]} Большинство примеров были намотаны медной проволокой с использованием стекловолоконного стержня в качестве каркаса. Обычно гибкий или ребристый излучатель затем покрывается термоусадочной трубкой из ПВХ или полиолефина , которая обеспечивает упругое и прочное водонепроницаемое покрытие для готовой мобильной антенны. Затем стекловолоконный стержень обычно приклеивался и/или обжимался к латунному фитингу и привинчивался к изолированному основанию, прикрепленному к крыше транспортного средства, ограждению или креплению защитной дуги. Это крепление обеспечивало заземляющую плоскость или отражатель (предоставляемый транспортным средством) для эффективной вертикальной диаграммы направленности. ^{[ требуется ссылка ]}

Эти популярные конструкции все еще широко используются по состоянию на 2018 год ^{[обновлять]}, а конструкция с постоянным витком, возникшая в Австралии, была повсеместно адаптирована в качестве стандартных приемных антенн FM для многих автомобилей заводского производства, а также существующего базового стиля мобильных спиральных антенн HF и VHF вторичного рынка. Другое распространенное применение широкополосных спиралей — это так называемая резиновая антенна-утка, которая имеется на большинстве портативных радиостанций VHF и UHF, использующая стальной или медный проводник в качестве излучающего элемента и обычно заканчивающаяся на разъеме типа BNC/TNC или навинчивающемся разъеме для быстрого снятия. ^{[ требуется ссылка ]}

Спиральные вещательные антенны

Специализированные спиральные антенны нормального режима (см. фото) используются в качестве передающих антенн для телевизионных вещательных станций в диапазонах VHF и UHF. ^[2]^{: 342} Они состоят из спирального проводника вокруг трубчатого стального столба, установленного на опорных изоляторах. Элемент состоит из двух спиралей одинаковой длины, правой и левой, соединенных в центре. ^[2]^{: 362} Стержень и поверхность столба под ним действуют как излучающая линия передачи , излучающая радиоволны перпендикулярно столбу. Антенна питается снизу и, в отличие от других спиралей нормального режима, функционирует как антенна бегущей волны , при этом амплитуда тока уменьшается по мере того, как излучается энергия. Наверху ток уменьшается на 40 дБ, поэтому отражения не так много. Для перпендикулярного излучения длина каждого витка должна быть кратна длине волны , в большинстве антенн 2 длинам волн. Ширина полосы пропускания антенны составляет всего 6–7 %, поэтому для ее настройки на разные частоты элемент разделен на несколько вертикальных «отсеков» с фазорегулирующим «воротником» между ними, что позволяет поддерживать постоянную фазу по всей длине мачты.

Аксиально-винтовой режим

Когда окружность спирали близка к рабочей длине волны, антенна работает в аксиальном режиме . Это нерезонансный режим бегущей волны , в котором вместо стоячих волн волны тока и напряжения движутся в одном направлении, вверх по спирали от точки питания в передающей антенне и вниз по спирали к точке питания в приемной антенне. Вместо излучения линейно поляризованных волн нормально к оси антенны, она излучает пучок радиоволн с круговой поляризацией вдоль оси, с концов антенны. Главные лепестки диаграммы направленности расположены вдоль оси спирали, с обоих концов. Поскольку в направленной антенне требуется только излучение в одном направлении, другой конец спирали заканчивается плоским металлическим листом или экранным отражателем для отражения волн вперед.

В радиопередаче круговая поляризация часто используется там, где относительная ориентация передающих и приемных антенн не может быть легко проконтролирована, например, при отслеживании животных и связи космических аппаратов , или там, где поляризация сигнала может измениться, поэтому для этих приложений часто используются спиральные антенны с конечным срабатыванием. Поскольку большие спирали трудно построить и ими неудобно управлять и нацеливать, эта конструкция обычно используется только на более высоких частотах, от ОВЧ до СВЧ .

Спираль антенны может закручиваться в двух возможных направлениях: правостороннем или левостороннем, причем первый имеет ту же форму, что и обычный штопор. В 4-спиральной решетке на первой иллюстрации используются левосторонние спирали, в то время как на всех других иллюстрациях показаны правосторонние спирали. В спиральной антенне с аксиальным режимом направление закручивания спирали определяет поляризацию излучаемой волны. Для описания волн с круговой поляризацией используются два взаимно несовместимых соглашения [ требуется ^{ссылка ] ,} поэтому связь между направлением (левосторонним или правосторонним) спиральной антенны и типом испускаемого ею кругово-поляризованного излучения часто описывается способами, которые кажутся неоднозначными. Однако Дж. Д. Краус (изобретатель спиральной антенны) утверждает: «Левовинтовая спираль реагирует на левостороннюю круговую поляризацию, а правосторонняя спираль — на правостороннюю круговую поляризацию (определение IEEE)». ^[3] IEEE определяет чувство поляризации как:

«чувство поляризации, или направленность... называется правосторонней (левосторонней), если направление вращения по часовой стрелке (против часовой стрелки) для наблюдателя, смотрящего в направлении распространения» ^[4]

Таким образом, правосторонняя спираль излучает волну, которая является правосторонней, при этом вектор электрического поля вращается по часовой стрелке, смотря в направлении распространения.

Спиральные антенны могут принимать сигналы с любым типом линейной поляризации , например, с горизонтальной или вертикальной поляризацией, но при приеме сигналов с круговой поляризацией направленность приемной антенны должна быть такой же, как и у передающей антенны; антенны с левой поляризацией испытывают значительную потерю усиления при приеме сигналов с правой круговой поляризацией, и наоборот.

Размеры спирали определяются длиной волны ( $λ$ ) используемых радиоволн, которая зависит от частоты . Для работы в аксиальном режиме окружность должна быть равна длине волны. ^[5] Угол наклона должен быть 13°, что представляет собой шаг (расстояние между каждым витком) в 0,23 раза больше окружности, что означает, что расстояние между катушками должно быть приблизительно равно одной четверти длины волны ( ⁠  $λ$  /4⁠ ). ^{[ необходима цитата ]} Количество витков в спирали определяет направленность антенны: большее количество витков улучшает усиление в направлении ее оси на обоих концах (или на одном конце, если используется заземляющая пластина), за счет усиления в других направлениях. Когда $C < λ,$ она работает больше в нормальном режиме, где направление усиления имеет форму пончика в стороны, а не наружу из концов.

Оконечный импеданс в аксиальном режиме составляет приблизительно от 100 до 200 Ом ^{[ требуется ссылка ]}

Z\simeq 140\left({\frac {C}{\lambda }}\right)

где $C$ — окружность спирали, а $λ$ — длина волны. Согласование импеданса (когда $C = λ$ ) со стандартным коаксиальным кабелем 50 или 75 Ом часто выполняется с помощью четвертьволновой полосковой линии, действующей как трансформатор импеданса между спиралью и заземляющей пластиной.

Максимальный коэффициент направленного усиления приблизительно равен: ^[6]

{\text{Усиление}}\simeq 15\left({\frac {C}{\lambda }}\right)^{2}\left({\frac {NS}{\lambda }}\right)

где $N$ — количество витков, а S — расстояние между витками. Большинство конструкций используют C $= λ$ и $S = 0,23 C$ , поэтому усиление обычно составляет $G = 3,45 N.$ В децибелах усиление равно $G_{\text{дБи}}=10\log _{10}\left(3.45N\right)~.$

Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности составляет: ^[6]

{\text{HPBW}}\simeq {\frac {5}{2}}{{\frac {C}{\lambda }}{\sqrt {\frac {NS}{\lambda }}}}\ {\text{градусы}}

Ширина луча между нулями составляет:

{\text{FNBW}}\simeq {\frac {115}{C}}{\sqrt {\frac {\lambda ^{3}}{NS}}}\ {\text{градусы}}

Коэффициент усиления спиральной антенны сильно зависит от рефлектора. ^[7] Приведенные выше классические формулы предполагают, что рефлектор имеет форму круглого резонатора (круглая пластина с ободом), а угол наклона является оптимальным для этого типа рефлектора. Тем не менее, эти формулы переоценивают коэффициент усиления на несколько дБ . ^[8] Оптимальный шаг, который максимизирует коэффициент усиления для плоской заземляющей плоскости, находится в диапазоне 3–10° и зависит от радиуса провода и длины антенны. ^[8]

Смотрите также

Телстар

Ссылки

^ Краус, Дж. Д. (март 1949 г.). «Спиральная антенна». Труды IRE . 37 (3): 263–272. doi :10.1109/JRPROC.1949.231279.
^ ab Справочник по техническому обеспечению Национальной ассоциации вещателей, 6-е изд. (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная ассоциация вещателей. 1975.
^ Краус, JD (1988). Антенны (2-е изд.). МакГроу Хилл.
^ IEEE Стандартные процедуры испытаний антенн (Отчет) (Подтвержденное издание). IEEE-SA Standards Board / American National Standards Institute (опубликовано 10 декабря 2008 г.). 9 октября 2003 г. [15 декабря 1977 г.]. § 11.1, стр. 61. doi :10.1109/IEEESTD.1979.120310. ISBN 0-471-08032-2. Стандарт IEEE 149-1979 (R2008).
^ «Усиление спирали».
^ ab Tomasi, Wayne (2004). Электронные коммуникационные системы - от основ до продвинутого уровня . Джуронг, Сингапур: Pearson Education SE Asia. ISBN 981-247-093-X.
^ Джорджевич, АР; Зайич, АГ и Илич, ММ (2006). «Усиление усиления спиральных антенн путем формирования заземляющего проводника». IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters . 5 (1): 138–140. Bibcode : 2006IAWPL...5..138D. doi : 10.1109/LAWP.2006.873946. S2CID 31971392.
^ Аб Джорджевич, Арканзас; Заич, АГ; Илич М.М. и Штубер Г.Л. (декабрь 2006 г.). «Оптимизация винтовых антенн». Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 48 (6): 107–115. дои : 10.1109/MAP.2006.323359. S2CID 30832513.

Общий

Kraus, JD ; Marhefka, Ronald J. (2002). Антенны: для всех приложений (3-е изд.). McGraw-Hill Higher Education. Bibcode :2002aaa..book.....K.
Баланис, Константин (1982). Теория, анализ и проектирование антенн . John Wiley and Sons.
Штуцман, Уоррен; Тиле, Гэри (1998). Теория и проектирование антенн (2-е изд.). John Wiley and Sons.

Внешние ссылки

«Спиральные антенны». Теория антенн .
Слэйд, Билл (2015). "Основы квадрофилярных спиральных антенн" (PDF) . Orban Microwave . Получено 2023-03-06 .