Спиральная антенна - Helical antenna

Не путать с Спиральная антенна.

Решетка из четырех осевых спиральных антенн, используемых в качестве спутниковой антенны для отслеживания и обнаружения, Pleumeur-Bodou, Франция

Спиральная антенна:
(В) Центральная поддержка,
(С) Фидер коаксиального кабеля,
(E) Изолирующие опоры для спирали,
(Р) Плоскость заземления отражателя,
(S) Спиральный излучающий провод

А спиральная антенна является антенна состоящий из одного или нескольких проводящих проводов, намотанных в виде спираль. Винтовая антенна из одного спирального провода, наиболее распространенный вид, называется монофиляр, а антенны с двумя или четырьмя проводами в спирали называются бифилярный, или же четырехзаходный, соответственно.

В большинстве случаев направленные спиральные антенны устанавливаются над плоскость земли, а всенаправленных конструкций быть не может. В линия подачи соединяется между нижней частью спирали и заземленной плоскостью. Спиральные антенны могут работать в одном из двух основных режимов - нормальном или осевом.

в нормальный режим или же борт спиральная антенна, диаметр и подача антенны малы по сравнению с длина волны. Антенна действует аналогично электрически короткие диполь или же монополь, что эквивалентно 1/4 волны по вертикали и диаграмма направленности,^{[нужна цитата ]} похожи на эти антенны всенаправленный, с максимальным излучением под прямым углом к ​​оси спирали. Для монофилярных конструкций излучение линейно поляризованный параллельно оси спирали. Они используются для компактных антенн для портативных портативных устройств, а также для крепления на транспортных средствах. двустороннее радио, и в более крупном масштабе для антенн УВЧ телевещания. В бифилярном или квадрифилярном исполнении поперечная циркулярно поляризованный излучение может быть реализовано.

в осевой режим или же конец огня спиральная антенна, диаметр и шаг спирали сопоставимы с длиной волны. Антенна работает как направленная антенна излучение луча с концов спирали вдоль оси антенны. Он излучает циркулярно поляризованный радиоволны. Они используются для спутниковой связи. Работа в осевом режиме открыта физиком. Джон Д. Краус^[1]

Винтовой нормальный режим

Винтовой нормальный режим УВЧ Антенна телевизионного вещания 1954 г.

Если окружность спирали значительно меньше длины волны и ее подача (осевое расстояние между последовательными витками) значительно меньше четверти длины волны, антенна называется нормальный режим спираль. Антенна действует аналогично монопольная антенна, с всенаправленный диаграмма направленности, излучая одинаковую мощность во всех направлениях, перпендикулярных оси антенны. Однако из-за индуктивности, добавленной спиральной формой, антенна действует как индуктивно нагруженный монополь; на своем резонансная частота он короче четверти длины волны. Следовательно, спирали нормального режима могут использоваться как электрически короткие монополи, альтернатива центральным или базовым штыревые антенны в приложениях, где полноразмерный четвертьволновой монополь будет слишком большим. Как и в случае других электрически коротких антенн, усиление и, следовательно, дальность связи спирали будет меньше, чем у полноразмерной антенны. Их компактный размер делает "спирали" полезными в качестве антенн для мобильных и переносных устройств. коммуникационное оборудование на диапазонах HF, VHF и UHF.^{[нужна цитата ]}

Распространенной формой спиральной антенны нормального режима является "резиновая утка антенна "используется в портативных радиоприемниках.

^{[нужна цитата ]}Нагрузка, обеспечиваемая спиралью, позволяет антенне быть физически короче, чем ее электрическая длина в четверть длины волны. Это означает, что, например, 1/4-волновая антенна на 27 МГц имеет длину 2,7 м (108 дюймов) и физически совершенно не подходит для мобильных приложений. Уменьшенный размер спирали обеспечивает ту же диаграмму направленности при гораздо более компактном физическом размере с небольшим ухудшением качества сигнала.

Эффект от использования спирального проводника, а не прямого, заключается в том, что согласование сопротивление изменяется с номинального 50 Ом на базовое сопротивление от 25 до 35 Ом. Это не кажется неблагоприятным для работы или согласования с нормальным сопротивлением 50 Ом. линия передачи при условии, что соединительный источник питания является электрическим эквивалентом 1/2 длины волны на рабочей частоте.^{[нужна цитата ]}

Мобильные ВЧ спирали

Другим примером типа, используемого в мобильной связи, является «разнесенный постоянный виток», в котором одна или несколько различных линейных обмоток намотаны на один каркас и разнесены таким образом, чтобы обеспечить эффективный баланс между емкость и индуктивность для излучающего элемента на определенной резонансной частоте. Многие примеры этого типа широко использовались для 27 МГц. CB радио с широким разнообразием дизайнов, появившихся в США и Австралии в конце 1960-х годов. На сегодняшний день многие миллионы этих «спиральных антенн» производятся серийно, в основном для использования в мобильных транспортных средствах, и достигли пика производства во время бума CB Radio с 1970-х до конца 1980-х годов и используются во всем мире. Многочастотные версии с ручными вставными ответвителями стали основой для многодиапазонных однополосная модуляция (SSB) ВЧ-связь с частотным покрытием по всему ВЧ-спектру от 1 МГц до 30 МГц с от 2 до 6 выделенных частотных точек, настроенных на выделенные и распределенные частоты в диапазонах сухопутной подвижной службы, морских и воздушных судов. Недавно эти антенны были заменены устройствами согласования антенн с электронной настройкой.^{[нужна цитата ]}Большинство примеров были намотаны медь провод с использованием стекловолокно стержень как бывший. Обычно гибкий или ребристый радиатор затем покрывают ПВХ или полиолефином. термоусадочная трубка который обеспечивает упругость и надежность водонепроницаемый покрытие готовой мобильной антенны. Затем стекловолоконный стержень обычно приклеивался и / или обжимался к латунному фитингу и закреплялся винтами на изолированном основании, прикрепленном к крыше транспортного средства, ограждению или креплению с упором. Этот монтаж обеспечивал заземляющую поверхность или отражатель (предоставленный транспортным средством) для эффективной вертикальной диаграммы направленности.^{[нужна цитата ]}

Эти популярные дизайны все еще широко используются по состоянию на 2018 год.^{[Обновить]} и конструкция «постоянного поворота», разработанная в Австралии, была повсеместно адаптирована в качестве стандартных приемных FM-антенн для многих заводских автомобилей, а также в существующий базовый тип вторичного рынка ВЧ- и УКВ-передвижных спиральных антенн. Еще одно распространенное использование поперечных спиралей - "резиновая утка антенна «встречается в большинстве портативных радиостанций VHF и UHF, использующих стальной или медный провод в качестве излучающего элемента, и обычно заканчивается разъемом типа BNC / TNC или навинчивается на разъем для быстрого снятия.^{[нужна цитата ]}

Антенны радиовещательные спиральные

Специализированные спиральные антенны нормального режима используются в качестве передающих антенн для FM-радиостанций и телевизионных радиовещательных станций в диапазонах VHF и UHF.^{[нужна цитата ]}

Осевой режим спиральный

Антенна спутниковой связи End fire, база ВВС Скотт, Иллинойс, США. Системы спутниковой связи часто используют циркулярно поляризованный радиоволн, потому что спутниковая антенна может быть ориентирована под любым углом в пространстве, не влияя на передачу, а винтовые антенны с осевым режимом (торцевой) часто используются в качестве наземной антенны.

Спиральная антенна для WLAN связь, рабочая частота приложение. 2,4 ГГц

Когда окружность спирали близка к рабочей длине волны, антенна работает в осевой режим. Это нерезонансный бегущая волна режим, в котором вместо стоячие волны, волны тока и напряжения распространяются в одном направлении, вверх по спирали. Вместо излучения линейно поляризованных волн, нормальных к оси антенны, он излучает луч радиоволн с круговая поляризация вдоль оси от концов антенны. В главные доли из диаграмма направленности расположены вдоль оси спирали с обоих концов. Поскольку в направленной антенне требуется излучение только в одном направлении, другой конец спирали оканчивается плоским металлическим листом или экранным отражателем для отражения волн вперед.

В радиопередача, круговой поляризация часто используется там, где нельзя легко контролировать относительную ориентацию передающей и приемной антенн, например, в отслеживание животных и связь космического корабля или там, где поляризация сигнала может измениться, поэтому для этих приложений часто используются спиральные антенны с торцевым направлением излучения. Поскольку большие спирали сложно построить и они громоздки для управления и прицеливания, такая конструкция обычно используется только на более высоких частотах, от УКВ вплоть до микроволновая печь.

Спираль антенны может закручиваться в двух возможных направлениях: вправо или влево, причем первая имеет ту же форму, что и у обычного штопора. В массиве из 4 спиралей на первом рисунке используются левые спирали, в то время как на всех других рисунках показаны правые спирали. В спиральной антенне осевого режима направление закрутки спирали определяет поляризацию излучаемой волны. Два взаимно несовместимых соглашения используются для описания волн с круговая поляризация, поэтому взаимосвязь между направленностью (левой или правой) спиральной антенны и типом излучаемого ею излучения с круговой поляризацией часто описывается неоднозначно. Однако Краус (изобретатель спиральной антенны) утверждает: «Левая спираль реагирует на лево-круговую поляризацию, а правая спираль - на правую круговую поляризацию (определение IEEE)».^[2] IEEE определяет ощущение поляризации как «ощущение поляризации или направленности ... называется правосторонним (левосторонним), если направление вращения - по часовой стрелке (против часовой стрелки) для наблюдателя, смотрящего в направлении распространения». ^[3] Таким образом, правая спираль излучает правую волну, при этом вектор электрического поля вращается по часовой стрелке и смотрит в направлении распространения.

Спиральные антенны могут принимать сигналы с любым типом линейная поляризация, например, горизонтальная или вертикальная поляризация, но при приеме циркулярно поляризованный сигнализирует, что рукоятка приемной антенны должна быть такой же, как у передающей антенны; антенны с левой поляризацией сильно теряют прирост при приеме сигналов с правой круговой поляризацией и наоборот.

Размеры спирали определяются длина волны λ используемых радиоволн, которая зависит от частота. Для работы в аксиальном режиме длина окружности должна быть равна длине волны.^[4] Угол наклона должен составлять 13 градусов, что представляет собой шаг (расстояние между каждым витком), равный 0,23 окружности, что означает, что расстояние между катушками должно составлять примерно четверть длины волны (λ / 4).^{[нужна цитата ]} Количество витков спирали определяет, как направленный антенна: большее количество витков улучшает усиление в направлении ее оси на обоих концах (или на одном конце, когда используется пластина заземления) за счет усиления в других направлениях. Когда C <λ, он работает больше в нормальном режиме, где направление усиления представляет собой форму пончика по сторонам, а не по концам.

Терминал сопротивление в осевом режиме от 100 до 200 Ом, примерно^{[нужна цитата ]}

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

где C - длина окружности спирали, а λ - длина волны. Согласование импеданса (когда C = λ) со стандартным коаксиальным кабелем 50 или 75 Ом часто выполняется четвертьволновым методом. полоса секция, действующая как трансформатор импеданса между спиралью и заземляющей пластиной.

Максимальное усиление директивы составляет примерно:

${\displaystyle Gain\simeq 15\left({\frac {C}{\lambda }}\right)^{2}\left({\frac {NS}{\lambda }}\right)}$^[5]

где N - количество витков, а S - расстояние между витками. В большинстве схем используется C = λ и S = ​​0,23 * C, поэтому обычно коэффициент усиления G = 3,45 * N. В децибелах коэффициент усиления равен ${\displaystyle G_{dBi}=10\cdot \log _{10}\left(0.8N\right)}$.

Ширина луча на половинной мощности составляет:

${\displaystyle {\text{HPBW}}\simeq {\frac {52}{{\frac {C}{\lambda }}{\sqrt {\frac {NS}{\lambda }}}}}\,{\text{degrees}}}$^[5]

Ширина луча между нулями составляет:

${\displaystyle {\text{FNBW}}\simeq {\frac {115\lambda ^{3/2}}{C{\sqrt {NS}}}}\,{\text{degrees}}}$

Коэффициент усиления спиральной антенны сильно зависит от отражателя.^[6] Приведенные выше классические формулы предполагают, что отражатель имеет форму круглого резонатора (круглая пластина с ободом), а угол наклона оптимален для этого типа отражателя. Тем не менее, эти формулы завышают коэффициент усиления на несколько дБ.^[7] Оптимальный шаг, обеспечивающий максимальное усиление для плоской заземляющей поверхности, находится в диапазоне от 3 ° до 10 ° и зависит от радиуса провода и длины антенны.^[7]

Смотрите также

• Telstar

Рекомендации

1. Труды I.R.E., март 1949 г., стр. 263
2. Kraus, J.D. Antennas 2nd Ed, MacGraw Hill, 1988
3. IEEE Std 149-1979 (R2008), «Стандартные процедуры тестирования IEEE для антенн». Подтверждено 10 декабря 2008 г., утверждено 15 декабря 1977 г. Советом по стандартам IEEE-SA. Утверждено 9 октября 2003 г. Американским национальным институтом стандартов. ISBN  0-471-08032-2. Дои:10.1109 / IEEESTD.1979.120310, сек. 11.1, п. 61.
4. https://www.cv.nrao.edu/~demerson/helixgain/helix.htm
5. Томази, Уэйн (2004). Электронные системы связи - от основ до продвинутого. Джуронг, Сингапур: Pearson Education SE Asia Ltd. ISBN  981-247-093-Х.
6. Джорджевич, А.Р., Зайич, А.Г., и Илич, М.М., «Повышение коэффициента усиления спиральных антенн путем формирования заземляющего проводника», Антенны IEEE и письма о беспроводном распространении, Vol. 5, 2006, стр. 138-140
7. Джорджевич, А.Р., Зайич, А.Г., Илич, М.М., и Стюбер, Г.Л., «Оптимизация спиральных антенн», IEEE Antennas and Propagation Magazine, вып. 48, вып. 6 декабря 2006 г., стр. 107-115.

Общий

• Джон Д. Краус и Рональд Дж. Мархефка, "Антенны: для всех приложений, третье издание", 2002 г., Высшее образование Макгроу-Хилла.
• Константин Баланис, "Теория, анализ и конструкция антенны", 1982, John Wiley and Sons
• Уоррен Штутцман и Гэри Тиле, "Теория и конструкция антенны, 2-е изд.", 1998, John Wiley and Sons

внешняя ссылка

• Спиральные антенны Антенна-теория
• Основы четырехзаходных спиральных антенн Билл Слейд, Orban Microwave