Спиральная антенна

— Спиральная антенна это антенна, состоящая из одного или нескольких проводящих проводов, намотанных в виде спирали . Спиральная антенна, изготовленная из одного спирального провода, наиболее распространенного типа, называется монофилярной , а антенны с двумя или четырьмя проводами в спирали называются бифилярными или квадрифилярными соответственно.

В большинстве случаев направленные спиральные антенны монтируются над плоскостью заземления , тогда как ненаправленные конструкции могут быть неподходящими. Линия питания подключается между нижней частью спирали и плоскостью заземления. Спиральные антенны могут работать в одном из двух основных режимов: нормальном или аксиальном.

В обычном режиме или спиральной антенне с широкой стороной диаметр и шаг антенны малы по сравнению с длиной волны . Антенна действует аналогично электрически короткому диполю или монополю , что эквивалентно ⁠ 1/4 и ⁠ диаграмма волна вертикальная направленности , ^{[ нужна ссылка ]} Подобные антенны являются всенаправленными , с максимальным излучением под прямым углом к оси спирали. В монофилярных конструкциях излучение линейно поляризовано параллельно оси спирали. Они используются для компактных антенн для портативных портативных и мобильных радиостанций двусторонней связи , а также в больших масштабах для антенн УВЧ-телевещания. В бифилярных или четырехфилярных реализациях с широкой круговой поляризацией может быть реализовано излучение .

В осевой моде или спиральной антенне с торцевым пламенем диаметр и шаг спирали сравнимы с длиной волны. Антенна действует как направленная антенна, излучающая луч с концов спирали вдоль оси антенны. Он излучает с круговой поляризацией радиоволны . Они используются для спутниковой связи. Осевой режим был открыт физиком Джоном Д. Краусом. ^[1]

Нормальный режим спиральной

Если длина окружности спирали значительно меньше длины волны, а ее шаг (осевое расстояние между последовательными витками) значительно меньше четверти длины волны, антенну называют спиралью нормального режима . Антенна действует аналогично монопольной антенне с всенаправленной диаграммой направленности , излучая равную мощность во всех направлениях, перпендикулярных оси антенны. Однако из-за индуктивности, добавляемой спиральной формой, антенна действует как индуктивно нагруженный немонополь; на резонансной частоте он короче четверти длины волны. Таким образом, спирали нормального режима могут использоваться в качестве электрически коротких монополей, альтернативы штыревым антеннам с центральной или базовой нагрузкой , в приложениях, где полноразмерный четвертьволновой монополь был бы слишком большим. Как и в случае с другими электрически короткими антеннами, усиление и, следовательно, дальность связи спиральной антенны будет меньше, чем у полноразмерной антенны. Их компактный размер делает спирали полезными в качестве антенн для мобильных и портативных устройств. оборудование связи в диапазонах КВ, УКВ и УВЧ. ^{[ нужна ссылка ]}

^{[ нужна ссылка ]}Нагрузка, обеспечиваемая спиралью, позволяет антенне быть физически короче ее электрической длины, составляющей четверть волны. Это означает, что, например, 1 волновая антенна на частоте / 4 - 27 МГц имеет длину 2,7 м (110 дюймов; 8,9 футов) и физически совершенно непригодна для мобильных приложений. Уменьшенный размер спирали обеспечивает ту же диаграмму направленности при гораздо более компактном физическом размере с лишь небольшим снижением качества сигнала.

Эффект от использования спирального проводника вместо прямого заключается в том, что согласующее сопротивление изменяется с номинального 50 Ом на базовое сопротивление от 25 до 35 Ом. Кажется, что это не мешает работе или согласованию с нормальной линией передачи с сопротивлением 50 Ом , при условии, что соединительный источник питания является электрическим эквивалентом ⁠ 1/2 ⁠ длины волны на рабочей частоте. ^{[ нужна ссылка ]}

Мобильные ВЧ-спирали

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

Многочастотные версии с ручными вставными отводами стали основой для многополосной однополосной модуляции (SSB) ВЧ-связи с частотным охватом всего ВЧ-спектра от 1 МГц до 30 МГц с от 2 до 6 выделенных точек отвода частот. настроены на выделенных и распределенных частотах в диапазонах наземной мобильной, морской и авиационной связи. Недавно эти антенны были заменены устройствами согласования антенн с электронной настройкой. ^{[ нужна ссылка ]} Большинство образцов были намотаны медной проволокой с использованием из стекловолокна в качестве основы стержня . Обычно гибкий или ребристый радиатор затем покрывается термоусадочной трубкой из ПВХ или полиолефина , которая обеспечивает упругое и прочное водонепроницаемое покрытие для готовой мобильной антенны. Затем стержень из стекловолокна обычно приклеивался и/или обжимался к латунному фитингу и крепился винтами к изолированному основанию, прикрепленному к крыше автомобиля, ограждению или креплению на перекладине. Это крепление обеспечивало плоскость заземления или отражатель (поставляемый автомобилем) для эффективной вертикальной диаграммы направленности. ^{[ нужна ссылка ]}

Эти популярные конструкции все еще широко используются по состоянию на 2018 год. ^[update] и конструкция с постоянным поворотом, зародившаяся в Австралии, была повсеместно адаптирована в качестве стандартных приемных FM-антенн для многих автомобилей заводского производства, а также в качестве существующего базового типа мобильных спиральных ВЧ- и УКВ-антенн вторичного рынка. Другое распространенное использование спиралей с широкой стороной - это так называемая резиновая антенна-уточка , которая имеется в большинстве портативных радиостанций ОВЧ и УВЧ, в которой в качестве излучающего элемента используется стальной или медный проводник и обычно заканчивается разъемом типа BNC / TNC или навинчивается на разъем для быстрого удаления. ^{[ нужна ссылка ]}

Спиральные радиовещательные антенны

Специализированные спиральные антенны нормального режима используются в качестве передающих антенн ЧМ-радио- и телевещательных станций диапазонов ОВЧ и УВЧ. ^{[ нужна ссылка ]}

Осевой режим винтовой

Когда окружность спирали близка к рабочей длине волны, антенна работает в осевом 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, нормальных к оси антенны, он излучает луч радиоволн с круговой поляризацией вдоль оси, от концов антенны. Основные лепестки диаграммы направленности расположены вдоль оси спирали, за пределами обоих концов. Поскольку в направленной антенне требуется излучение только в одном направлении, другой конец спирали заканчивается плоским металлическим листом или экранным отражателем для отражения волн вперед.

При радиопередаче круговая поляризация часто используется там, где относительную ориентацию передающей и приемной антенн невозможно легко контролировать, например, при слежении за животными и связи космических кораблей , или когда поляризация сигнала может измениться, поэтому используются спиральные антенны с торцевым пламенем. часто используется для этих приложений. Поскольку большие спирали сложно построить и они громоздки в управлении и наведении, такая конструкция обычно используется только на более высоких частотах, от ОВЧ до микроволновых .

Спираль антенны может закручиваться в двух возможных направлениях: вправо или влево, причем первая имеет ту же форму, что и обычный штопор. В массиве из 4 спиралей на первой иллюстрации используются левые спирали, тогда как на всех остальных иллюстрациях показаны правые спирали. В спиральной антенне с осевым режимом направление закручивания спирали определяет поляризацию излучаемой волны. используются два взаимно несовместимых соглашения Для описания волн с круговой поляризацией , поэтому взаимосвязь между направлением вращения (левой или правой) спиральной антенны и типом излучаемого ею излучения с круговой поляризацией часто описывается неоднозначно. . Однако Дж. Д. Краус (изобретатель спиральной антенны) утверждает: «Левая спираль реагирует на левокруговую поляризацию, а правая спираль - на правокруговую поляризацию (определение IEEE)». ^[2] IEEE определяет смысл поляризации как:

«чувство поляризации, или леворукости... 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, причем вектор электрического поля вращается по часовой стрелке и смотрит 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 направление приемной антенны должно быть таким же, как и у передающей антенны; Антенны с левой поляризацией испытывают серьезную 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 осевом режиме длина окружности должна быть равна длине волны. ^[4] Угол наклона должен составлять 13°, что представляет собой шаговое расстояние (расстояние между каждым витком), равное 0,23 длины окружности, что означает, что расстояние между катушками должно составлять примерно одну четверть длины волны ( ⁠   $λ$  / 4 ⁠ ). ^{[ нужна ссылка ]} Количество витков спирали определяет, насколько направлена антенна: большее количество витков улучшает усиление в направлении ее оси на обоих концах (или на одном конце, когда используется заземляющая пластина), за счет усиления на другом. направления. Когда $C < λ,$ он работает больше в нормальном режиме, где направление усиления имеет форму пончика в стороны, а не наружу.

Терминальное сопротивление в осевом режиме составляет примерно от 100 до 200 Ом. ^{[ нужна ссылка ]}

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 с сопротивлением 50 или 75 Ом часто выполняется с помощью секции четвертьволновой полосковой линии, действующей как трансформатор импеданса между спиралью и пластиной заземления.

Максимальный коэффициент усиления составляет примерно:

{\text{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 конструкций используются $C = λ$ и $S = 0,23 C$ , усиления обычно составляет $G = 3,45 Н.$ поэтому коэффициент в децибелах Выигрыш $G_{\text{dBi}}=10\log _{10}\left(3.45N\right)~.$

Ширина луча половинной мощности равна:

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

^[5]

Ширина луча между нулями равна:

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

Усиление спиральной антенны сильно зависит от отражателя. ^[6] Приведенные выше классические формулы предполагают, что отражатель имеет форму кругового резонатора (круглой пластины с бортиком) и угол наклона оптимален для данного 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 3–10° и зависит от радиуса провода и длины антенны. ^[7]

См. также

Телстар

Ссылки

^ Краус, JD (март 1949 г.). «Винтовая антенна». Труды ИРЭ . 37 (3): 263–272. дои : 10.1109/JRPROC.1949.231279 .
^ Краус, JD (1988). Антенны (2-е изд.). МакГроу Хилл.
^ Стандартные процедуры испытаний антенн IEEE (отчет) (подтвержденная ред.). Совет по стандартам IEEE-SA/ Американский национальный институт стандартов (опубликовано 10 декабря 2008 г.). 9 октября 2003 г. [15 декабря 1977 г.]. § 11.1, стр. 61. doi : 10.1109/IEESTD.1979.120310 . ISBN 0-471-08032-2 . Стандарт IEEE 149-1979 (R2008).
^ «Усиление Хеликса» .
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Томаси, Уэйн (2004). Системы электронной связи – от основ до продвинутого уровня . Джуронг, Сингапур: Pearson Education SE Asia. ISBN 981-247-093-Х .
^ Джорджевич, АР; Заич, А.Г. и Илич, М.М. (2006). «Увеличение усиления спиральных антенн за счет формирования заземляющего проводника». Антенны IEEE и письма о распространении беспроводной связи . 5 (1): 138–140. Бибкод : 2006IAWPL...5..138D . дои : 10.1109/LAWP.2006.873946 . S2CID 31971392 .
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Джорджевич, АР; 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

Краус, доктор медицинских наук ; Мархефка, Рональд Дж. (2002). Антенны: Для всех приложений (3-е изд.). Высшее образование МакГроу-Хилл. Бибкод : 2002ааа..книга.....К .
Баланис, Константин (1982). Теория, анализ и проектирование антенн . Джон Уайли и сыновья.
Штуцман, Уоррен; Тиле, Гэри (1998). Теория и конструкция антенн (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья.

Внешние ссылки

«Спиральные антенны» . Антенная теория .
Слэйд, Билл (2015). «Основы четырехфилярных спиральных антенн» (PDF) . Орбан Микроволновая печь . Проверено 6 марта 2023 г.

[1] Краус, JD (март 1949 г.). «Винтовая антенна». Труды ИРЭ . 37 (3): 263–272. дои : 10.1109/JRPROC.1949.231279 .

[2] Краус, JD (1988). Антенны (2-е изд.). МакГроу Хилл.

[3] Стандартные процедуры испытаний антенн IEEE (отчет) (подтвержденная ред.). Совет по стандартам IEEE-SA/ Американский национальный институт стандартов (опубликовано 10 декабря 2008 г.). 9 октября 2003 г. [15 декабря 1977 г.]. § 11.1, стр. 61. doi : 10.1109/IEESTD.1979.120310 . ISBN 0-471-08032-2 . Стандарт IEEE 149-1979 (R2008).

[4] «Усиление Хеликса» .

[:0-5] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Томаси, Уэйн (2004). Системы электронной связи – от основ до продвинутого уровня . Джуронг, Сингапур: Pearson Education SE Asia. ISBN 981-247-093-Х .

[6] Джорджевич, АР; Заич, А.Г. и Илич, М.М. (2006). «Увеличение усиления спиральных антенн за счет формирования заземляющего проводника». Антенны IEEE и письма о распространении беспроводной связи . 5 (1): 138–140. Бибкод : 2006IAWPL...5..138D . дои : 10.1109/LAWP.2006.873946 . S2CID 31971392 .

[helix-7] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Джорджевич, АР; 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 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

v т и антенн Типы
изотропный	Изотропный радиатор
Всенаправленный	Антенна типа «летучая мышь» Биконическая антенна Клеточная антенна Коаксиальная антенна Антенна скрещенного поля Антенна с диэлектрическим резонатором Дипольная антенна Дисконусная антенна Складная однополюсная антенна Антенна Франклина Наземная антенна Антенна G5RV Гало-антенна Спиральная антенна Антенна перевернутая F Перевернутая V-образная антенна J-образная антенна Мачтовый радиатор Монопольная антенна Случайная проволочная антенна Резиновая антенна-уточка Наклонная антенна Антенна турникета Антенна Т2ФД Т-антенна Зонтичная антенна Штыревая антенна
Направленный	Адкок-антенна AS-2259 Антенна AWX-антенна Антенна для напитков Кантенна Антенна Кассегрена Дроссельная кольцевая антенна Коллинеарная антенная решетка Конформная антенна Антенна с угловым рефлектором Массив штор Складная перевернутая конформная антенна Фрактальная антенна Штуковина Спиральная антенна Рупорная антенна Логопериодическая антенна Рамочная антенна Микрополосковая антенна Моксонская антенна Офсетная тарельчатая антенна Патч-антенна Фазированная решетка Планарный массив Параболическая антенна Плазменная антенна Счетверенная антенна Рефлекторная антенна Регенеративная рамочная антенна Ромбическая антенна Секторная антенна Короткая обратная антенна Щелевая антенна Антенна Стерба Антенна Вивальди ВокФи Yagi–Uda antenna
Для конкретного приложения	АЛЛИСС Угловой отражатель (пассивный) Усовершенствованная антенна Земляной диполь Реконфигурируемая антенна ректенна Эталонная антенна Спиральная антенна Антенная решетка, расположенная по кругу Телевизионная антенна