Hvad er en spiralformet antenne?
En spiralantenne, også kendt som en helixantenne, er en trådantenne, der dannes ved at vikle en ledende ledning eller et rør til en tredimensionel helix. Den ene ende af helixen er normalt forbundet til den midterste leder af fødeledningen, mens den ydre leder er forbundet til et metallisk jordplan eller en reflektor.
Dens karakteristiske geometri gør det muligt for antennen at fungere i forskellige strålingstilstande afhængigt af forholdet mellem helixdimensionerne og den operationelle bølgelængde.
Blandt disse tilstande eraksial tilstander især vigtig inden for RF- og mikrobølgeteknik, fordi den kan give retningsbestemt stråling, relativt bred båndbredde og cirkulær polarisering. Disse egenskaber gør spiralformede antenner nyttige i satellitforbindelser, telemetri, sporing, rumkommunikation, radioastronomi og andre anvendelser, hvor antennens orientering kan ændre sig.
Driftsfrekvensen for en spiralantenne er ikke begrænset til ét fast bånd. I stedet bestemmes den primært af dens fysiske dimensioner i forhold til bølgelængden. Spiralformede strukturer kan derfor designes til VHF- og UHF-systemer samt højerefrekvente RF- og mikrobølgeapplikationer.
Figur 1. Eksempel på spiralformede antenner anvendt i et retningsbestemt kommunikationssystem.
Grundlæggende struktur af en spiralformet antenne
En typisk spiralantenne består af fire hoveddele:
- Spiralformet leder
- Jordplan eller reflektor
- RF-fødepunkt
- Mekanisk støttestruktur
Helixen er almindeligvis lavet af kobbertråd, rør eller et andet ledende materiale. Den ene ende er forbundet til centerlederen i en koaksial transmissionslinje, mens den koaksiale ydre leder er elektrisk forbundet til jordplanet.
Jordplanet hjælper med at styre strålingsretningen og fungerer som en del af antennens fødestruktur. I praktiske designs kan dets dimensioner have betydelig indflydelse på impedans, front-til-bag-ydeevne og det resulterende strålingsmønster.
Flere geometriske parametre bestemmer antennens elektriske adfærd:
- D — Helixdiameter
- C — Omkreds af én drejning
- S — Afstand mellem tilstødende drejninger
- N — Antal omdrejninger
- α — Hældningsvinkel
- L — Samlet aksial længde
Omkredsen er:
[C = π D]
Hældningsvinklen kan udtrykkes som:
[\alpha=\tan^{-1}\venstre(\frac{S}{\pi D}\højre)]
Disse parametre kan ikke betragtes uafhængigt, fordi ændring af én dimension ændrer antennens impedans, polarisering, strålebredde, forstærkning og driftsfrekvens.
Figur 2. Typisk spiralformet antennestruktur med spiralleder og jordplanreflektor.
To primære strålingstilstande
En af de mest interessante egenskaber ved en spiralantenne er, at den samme grundstruktur kan producere meget forskellige strålingsmønstre afhængigt af dens elektriske størrelse.
De to almindeligt omtalte driftstilstande er:
- Normal tilstand
- Aksial tilstand
Det er vigtigt at forstå forskellen mellem disse to tilstande, når man vælger eller designer en spiralantenne.
Normal-tilstand spiralantenne
In normal tilstand, er den samlede diameter og afstand mellem helixen elektrisk lille sammenlignet med bølgelængden.
Stråling er primært rettet omtrent vinkelret på helixaksen snarere end langs den. Den elektromagnetiske opførsel kan forstås som en kombination af de felter, der produceres af en kort elektrisk dipol og en lille sløjfe.
Afhængigt af helixgeometrien, stigningsvinklen, tilførselsarrangementet og observationsretningen kan den resulterende polarisering være lineær, elliptisk eller i visse designs tæt på cirkulær.
Normal-mode helixer er typisk kompakte, men deres elektrisk små dimensioner resulterer i relativt lav strålingsmodstand. Dette kan føre til lavere strålingseffektivitet og smallere båndbredde end et aksial-mode design.
De er derfor nyttige, når antennestørrelsen er en stor begrænsning, og der ikke er behov for en meget høj forstærkning.
Figur 3. Illustrativt strålingsmønster for en normal-mode spiralantenne.
Aksial-mode spiralantenne
Deaksial tilstand, undertiden kaldet end-fire-tilstand, er den konfiguration, der oftest forbindes med højtydende spiralantenner.
I denne tilstand udstråles elektromagnetisk energi hovedsageligt langs helixens akse og danner en retningsbestemt stråle.
Et typisk aksialt design bruger en helixomkreds, der er omtrent sammenlignelig med én bølgelængde:
[C \approx \lambda]
Drejeafstanden er ofte omkring:
[S \approx 0,2\lambda \text{ til } 0,3\lambda]
med cirka en kvart bølgelængde som et almindeligt udgangspunkt.
For mange konventionelle aksialtilstandsdesign anvendes ofte hældningsvinkler omkring 12°-14°.
Under passende geometriske forhold kombineres felter genereret af successive vindinger konstruktivt langs helixaksen. Dette producerer en retningsbestemt stråle sammen med cirkulær eller næsten cirkulær polarisering.
Antallet af vindinger påvirker også antennens ydeevne. En forøgelse af antallet af vindinger kan generelt øge retningsvirkningen og forstærkningen, samtidig med at fjernstrålen indsnævres, selvom praktiske designs også skal tage hensyn til mekanisk længde, ledertab, impedanstilpasning og installationsbegrænsninger.
Figur 4. Illustrativt strålingsmønster for en aksial-mode spiralformet antenne med en retningsbestemt hovedstråle.
Højre- og venstrehåndet cirkulær polarisering
En af de største fordele ved en aksial-mode spiralantenne er dens naturlige evne til at generere cirkulær polarisering.
Afhængigt af viklingsretningen og strålingsretningen kan en helix designes til at producere enten:
- RHCP — Højrehåndscirkulær polarisering
- LHCP — Venstrehånds cirkulær polarisering
Cirkulær polarisering er især nyttig, når den relative orientering mellem sende- og modtageantennerne ikke kan forblive fast.
For eksempel kan satellitter, rumfartøjer, luftbårne platforme, roterende systemer og mobilt kommunikationsudstyr kontinuerligt ændre retning. En cirkulært polariseret antenne kan reducere kommunikationsforbindelsens følsomhed over for denne vinkelvariation.
Polarisationsmatchning er stadig vigtig. En RHCP-antenne kommunikerer ideelt set med en RHCP-antenne, mens en LHCP-antenne normalt bør parres med en LHCP-antenne. Modsatrettede cirkulære polarisationer kan resultere i betydeligt polarisationstab.
Til ingeniørevaluering,aksialt forholdbruges almindeligvis til at beskrive cirkulær polarisationskvalitet. En ideel cirkulært polariseret bølge har et aksialt forhold på 0 dB, mens praktiske cirkulært polariserede antenner ofte evalueres i forhold til et specificeret aksialt forholdskrav på tværs af det ønskede frekvens- og vinkelområde.
Faktorer, der påvirker spiralantennens ydeevne
En spiralformet antennes opførsel er tæt forbundet med dens geometri.
Vigtige designparametre omfatter:
Helix-omkreds
Forholdet mellem omkreds og bølgelængde spiller en vigtig rolle i at bestemme, om antennen fungerer i normal tilstand eller aksial tilstand.
Drejafstand
Afstand påvirker faseforholdet mellem strømme på tilstødende vindinger og påvirker derfor stråleretning, impedans og polarisering.
Hældningsvinkel
Hældningsvinklen beskriver, hvor hurtigt helixen bevæger sig langs sin akse. Det er en vigtig parameter for at opretholde stabil aksialtilstandsadfærd.
Antal drejninger
Flere vindinger øger generelt den elektriske apertur og kan give højere retningsvirkning, men de øger også antennelængden og den mekaniske kompleksitet.
Jordplan
Reflektorens størrelse og form påvirker det fremadrettede strålingsmønster, impedansen og den bagudrettede stråling.
Tilførsels- og impedansmatchning
Selv med korrekte helixdimensioner kan dårlig impedanstilpasning øge den reflekterede effekt og reducere den realiserede antenneydelse. Praktiske designs skal derfor evaluere returtab eller VSWR sammen med strålingskarakteristika.
Strålingsmønster og forstærkning
I aksial tilstand producerer en spiralformet antenne en hovedstråle centreret omtrent langs spiralaksen.
Efterhånden som den elektriske længde og antallet af vindinger øges, bliver fjernstrålen generelt smallere, og antennens retningsvirkning øges. Sidelober kan også forekomme, især i længere eller ikke-optimerede strukturer.
Antennen bør derfor ikke evalueres udelukkende ud fra forstærkning. Ingeniører overvejer normalt flere karakteristika sammen:
- Gevinst
- Realiseret gevinst
- Halv effekt strålebredde
- Aksialforhold
- VSWR eller returtab
- Forhold mellem forside og bagside
- Sidelobeniveau
- Polariseringsrenhed
- Strålingseffektivitet
Denne kombination af parametre giver et langt mere komplet billede af antennens ydeevne end en enkelt forstærkningsværdi.
Fordele ved spiralformede antenner
Spiralformede antenner tilbyder adskillige nyttige tekniske fordele:
- Relativt simpel mekanisk konstruktion
- Naturlig cirkulær polariseringskapacitet i aksial tilstand
- Nyttig driftsbåndbredde
- God retningsbestemt ydeevne
- Skalerbar geometri til forskellige frekvensområder
- Fleksibel RHCP- eller LHCP-implementering
- Velegnet til individuelle antenner eller antennearrays
Designbegrænsninger
Der er også flere faktorer at overveje:
- Aksialtilstandsdesign kan kræve betydelig fysisk længde
- Højere forstærkning kræver normalt flere vindinger og derfor en længere antenne
- Ydeevnen afhænger stærkt af geometrisk nøjagtighed
- Jordplanets dimensioner påvirker strålingskarakteristika
- Fodermatchning skal være korrekt designet
- Mekanisk støtte bliver vigtigere ved højere turantal
- Modsatte cirkulære polarisationssensorer kan producere et højt tab af polarisationsmismatch
Typiske anvendelser
Spiralantenner kan findes i en bred vifte af RF-systemer, herunder:
- Satellitkommunikation
- Telemetri og sporing af rumfartøjer
- Jordstationskommunikation
- Radioastronomi
- Luftbårne og rumfartskommunikationssystemer
- RF-telemetri
- Retningsbestemte VHF- og UHF-forbindelser
- Fjernmåling
- Antennemåling og -forskning
- Cirkulære polarisationseksperimenter
- Test af kommunikationssystemer
Hvorfor spiralformede antenner er vigtige i RF-teknik
Den spiralformede antenne er et glimrende eksempel på, hvordan antennegeometri styrer elektromagnetisk adfærd.
Ved at ændre parametre som omkreds, afstand, pitchvinkel og antal vindinger kan ingeniører gå fra en kompakt bredsideradiator til en retningsbestemt cirkulært polariseret antenne.
Denne sammenhæng mellem fysisk geometri og elektrisk ydeevne er også vigtig, når man studerer mere avancerede antenneteknologier såsom cirkulært polariserede hornantenner, antennearrays, satellitantenner, bredbåndsmåleantenner og mikrobølgekommunikationssystemer.
RF MISO udvikler antenner og mikrobølgekomponenter til RF-testning, kommunikation, radar, antennemåling og systemintegrationsapplikationer. Forståelse af grundlæggende antennestrukturer, såsom den spiralformede antenne, hjælper ingeniører med bedre at evaluere vigtige parametre, herunder frekvensområde, forstærkning, polarisering, aksialt forhold, strålebredde, VSWR og strålingsmønster.
For at lære mere om antenner, besøg venligst:
Opslagstidspunkt: 7. august 2026
