Mis on spiraalantenn?
Spiraalantenn, tuntud ka kui spiraalantenn, on traatantenn, mis moodustatakse juhtiva traadi või toru kolmemõõtmeliseks spiraaliks kerimise teel. Spiraali üks ots on tavaliselt ühendatud toiteliini keskjuhiga, samas kui välimine juht on ühendatud metallmaaplaadi või reflektoriga.
Selle eripärane geomeetria võimaldab antennil töötada erinevates kiirgusrežiimides, olenevalt spiraali mõõtmete ja töölainepikkuse vahekorrast.
Nende režiimide hulgas onaksiaalne režiimon eriti oluline raadiosagedus- ja mikrolainetehnoloogias, kuna see suudab pakkuda suunatud kiirgust, suhteliselt laia ribalaiust ja ringpolarisatsiooni. Need omadused muudavad spiraalantennid kasulikuks satelliitsideühendustes, telemeetrias, jälgimises, kosmosesides, raadioastronoomias ja muudes rakendustes, kus antenni orientatsioon võib muutuda.
Spiraalantenni töösagedus ei ole piiratud ühe fikseeritud sagedusribaga. Selle asemel määravad selle peamiselt selle füüsikalised mõõtmed lainepikkuse suhtes. Seetõttu saab spiraalstruktuure kujundada nii VHF- ja UHF-süsteemide kui ka kõrgsageduslike raadiosagedus- ja mikrolainerakenduste jaoks.
Joonis 1. Näide suunatud sidesüsteemis kasutatavatest spiraalantennidest.
Spiraalse antenni põhistruktuur
Tüüpiline spiraalantenn koosneb neljast põhiosast:
- Spiraalne juht
- Maandusplaat või reflektor
- RF-toitepunkt
- Mehaaniline tugistruktuur
Spiraal on tavaliselt valmistatud vasktraadist, torust või muust juhtivast materjalist. Üks ots on ühendatud koaksiaalse ülekandeliini keskjuhiga, samas kui koaksiaalne välimine juht on elektriliselt ühendatud maandustasandiga.
Maandusplaat aitab kontrollida kiirgussuunda ja toimib antenni toitestruktuuri osana. Praktikas võivad selle mõõtmed oluliselt mõjutada impedantsi, esi-taha jõudlust ja sellest tulenevat kiirgusmustrit.
Antenni elektrilist käitumist määravad mitmed geomeetrilised parameetrid:
- D — spiraali läbimõõt
- C — Ühe pöörde ümbermõõt
- S — Kõrvuti asetsevate pöörete vaheline kaugus
- N — pöörete arv
- α — kaldenurk
- L — kogu aksiaalne pikkus
Ümbermõõt on:
[C=\pi D]
Kaldenurka saab väljendada järgmiselt:
[alpha=tan^{-1}(frac{S}{pi D})]
Neid parameetreid ei saa eraldi vaadelda, kuna ühe mõõtme muutmine muudab antenni impedantsi, polarisatsiooni, kiire laiust, võimendust ja töösagedust.
Joonis 2. Tüüpiline spiraalantenni struktuur spiraaljuhi ja maandustasandi reflektoriga.
Kaks peamist kiirgusrežiimi
Spiraalantenni üks huvitavamaid omadusi on see, et sama põhistruktuur võib sõltuvalt selle elektrilisest suurusest tekitada väga erinevaid kiirgusmustreid.
Kaks enim arutatud töörežiimi on:
- Tavaline režiim
- Aksiaalne režiim
Spiraalantenni valimisel või kujundamisel on oluline mõista nende kahe režiimi erinevust.
Tavarežiimis spiraalantenn
In tavarežiim, on spiraali koguläbimõõt ja vahekaugus lainepikkusega võrreldes elektriliselt väikesed.
Kiirgus on suunatud peamiselt spiraali teljega ligikaudu risti, mitte piki seda. Elektromagnetilist käitumist võib mõista kui lühikese elektrilise dipooli ja väikese silmuse tekitatud väljade kombinatsiooni.
Sõltuvalt spiraali geomeetriast, sammunurgast, etteande paigutusest ja vaatlussuunast võib saadud polarisatsioon olla lineaarne, elliptiline või teatud konstruktsioonides peaaegu ringikujuline.
Normaalrežiimis heelikud on tavaliselt kompaktsed, kuid nende elektriliselt väikesed mõõtmed põhjustavad suhteliselt madalat kiirgustakistust. See võib viia madalama kiirgustõhususe ja kitsama ribalaiuseni kui aksiaalrežiimis disain.
Seega on need kasulikud olukordades, kus antenni suurus on peamine piirang ja väga suurt võimendust pole vaja.
Joonis 3. Normaalrežiimis spiraalantenni illustreeriv kiirgusmuster.
Aksiaalrežiimiga spiraalantenn
Seeaksiaalne režiim, mida mõnikord nimetatakse ka lõpp-tule režiimiks, on konfiguratsioon, mida kõige sagedamini seostatakse suure jõudlusega spiraalantennidega.
Selles režiimis kiirgatakse elektromagnetilist energiat peamiselt spiraali telje suunas, moodustades suunatud kiire.
Tüüpiline aksiaalrežiimi disain kasutab spiraali ümbermõõtu, mis on ligikaudu võrreldav ühe lainepikkusega:
[C umbes lambda]
Pöörete vahekaugus on sageli umbes:
[S \um 0,2\lambda \text{ kuni } 0,3\lambda]
kusjuures umbes veerand lainepikkust on tavaline lähtepunkt.
Paljude tavapäraste aksiaalrežiimi konstruktsioonide puhul kasutatakse sageli umbes 12°–14° kaldenurki.
Sobivate geomeetriliste tingimuste korral kombineeruvad järjestikuste pöörete tekitatud väljad konstruktiivselt piki spiraali telge. See tekitab suunatud kiire koos ring- või peaaegu ringpolarisatsiooniga.
Keerdude arv mõjutab ka antenni jõudlust. Keerdude arvu suurendamine võib üldiselt suurendada suunavust ja võimendust, kitsendades samal ajal peakiirt, kuigi praktilistes konstruktsioonides tuleb arvestada ka mehaanilise pikkuse, juhi kadude, impedantsi sobitamise ja paigalduspiirangutega.
Joonis 4. Illustreeriv aksiaalrežiimiga spiraalantenni kiirgusmuster suunatud peakiirega.
Parempoolne ja vasakpoolne ringpolarisatsioon
Aksiaalrežiimiga spiraalantenni üks peamisi eeliseid on selle loomulik võime tekitada ümmargust polarisatsiooni.
Sõltuvalt mähise suunast ja kiirgussuunast saab spiraali konstrueerida nii, et see tooks kaasa kas:
- RHCP on akronüümide kogum, mida nimetatakse ka Parempoolseks Ringpolarisatsiooniks.
- LHCP on akronüüm nimega Vasakpoolne ringpolarisatsioon.
Ringpolarisatsioon on eriti kasulik, kui saatva ja vastuvõtva antenni suhteline orientatsioon ei saa jääda fikseerituks.
Näiteks satelliidid, kosmoseaparaadid, õhuplatvormid, pöörlevad süsteemid ja mobiilsideseadmed võivad pidevalt orientatsiooni muuta. Ringpolarisatsiooniga antenn võib vähendada sideühenduse tundlikkust selle nurgamuutuse suhtes.
Polarisatsiooni sobitamine on endiselt oluline. RHCP-antenn suhtleb ideaalis RHCP-antenniga, samas kui LHCP-antenn peaks tavaliselt olema paaris LHCP-antenniga. Vastandlikud ringpolarisatsioonid võivad põhjustada märkimisväärset polarisatsioonikadu.
Inseneri hindamiseksaksiaalne suhekasutatakse tavaliselt ringpolarisatsiooni kvaliteedi kirjeldamiseks. Ideaalsel ringpolariseeritud lainel on aksiaalsuhe 0 dB, samas kui praktilisi ringpolariseeritud antenne hinnatakse sageli kindlaksmääratud aksiaalsuhe nõude alusel soovitud sagedus- ja nurkvahemikus.
Spiraalantenni jõudlust mõjutavad tegurid
Spiraalantenni käitumine on tihedalt seotud selle geomeetriaga.
Olulised disainiparameetrid hõlmavad järgmist:
Spiraali ümbermõõt
Antenni normaalse või aksiaalse töörežiimi määramisel mängib olulist rolli ümbermõõdu ja lainepikkuse vaheline seos.
Pöördevahe
Vahekaugus mõjutab külgnevate keerdude voolude faasisuhet ja seega mõjutab kiire suunda, impedantsi ja polarisatsiooni.
Kaldenurk
Sammunurk kirjeldab spiraali liikumiskiirust mööda oma telge. See on oluline parameeter stabiilse aksiaalrežiimi käitumise säilitamiseks.
Pöörete arv
Rohkem pöördeid suurendab üldiselt elektrilist ava ja võib pakkuda suuremat suunavust, kuid need suurendavad ka antenni pikkust ja mehaanilist keerukust.
Maapind
Reflektori suurus ja kuju mõjutavad edasisuunalise kiirguse mustrit, impedantsi ja tagasisuunalist kiirgust.
Sööda ja impedantsi sobitamine
Isegi õigete spiraali mõõtmete korral võib halb impedantsi sobitamine suurendada peegeldunud võimsust ja vähendada antenni tegelikku jõudlust. Seetõttu tuleb praktilistes konstruktsioonides hinnata tagasikadu või VSWR-i koos kiirgusomadustega.
Kiirgusmuster ja võimendus
Aksiaalrežiimis tekitab spiraalantenn peakiire, mille keskpunkt on ligikaudu piki spiraaltelge.
Elektrilise pikkuse ja keerdude arvu suurenedes muutub peakiir üldiselt kitsamaks ja antenni suunavus suureneb. Võivad tekkida ka külghõlmad, eriti pikemate või optimeerimata konstruktsioonide puhul.
Seetõttu ei tohiks antenni hinnata ainult võimenduse järgi. Insenerid arvestavad tavaliselt mitme omadusega koos:
- Kasum
- Realiseeritud kasum
- Poolvõimsusega kiirelaius
- Aksiaalne suhe
- VSWR ehk tagasivoolukadu
- Esi- ja tagaosa suhe
- Külglobe tase
- Polarisatsiooni puhtus
- Kiirgustõhusus
See parameetrite kombinatsioon annab antenni jõudlusest palju terviklikuma pildi kui üksik võimendusväärtus.
Spiraalantennide eelised
Spiraalantennidel on mitmeid kasulikke tehnilisi eeliseid:
- Suhteliselt lihtne mehaaniline konstruktsioon
- Loomulik ringpolarisatsioonivõime aksiaalrežiimis
- Kasulik tööribalaius
- Hea suunavõime
- Skaleeritav geomeetria erinevate sagedusvahemike jaoks
- Paindlik RHCP või LHCP rakendamine
- Sobib üksikute antennide või antennimassiivide jaoks
Disainipiirangud
Samuti on mitmeid tegureid, mida tuleks arvestada:
- Aksiaalrežiimiga konstruktsioonid võivad nõuda märkimisväärset füüsilist pikkust
- Suurem võimendus nõuab tavaliselt rohkem pöördeid ja seega pikemat antenni
- Jõudlus sõltub suuresti geomeetrilisest täpsusest
- Maapinna mõõtmed mõjutavad kiirgusomadusi
- Sööda sobitamine peab olema korralikult kavandatud
- Mehaaniline tugi muutub olulisemaks suuremate pöörete arvu korral
- Vastandlikud ümmarguse polarisatsiooni meeled võivad põhjustada suure polarisatsiooni mittevastavuse kadu
Tüüpilised rakendused
Spiraalantenne võib leida paljudest raadiosagedussüsteemidest, sealhulgas:
- Satelliitside
- Kosmoseaparaatide telemeetria ja jälgimine
- Maapealse jaama side
- Raadioastronoomia
- Õhus ja kosmoses sidesüsteemid
- RF-telemeetria
- Suunatud VHF ja UHF lingid
- Kaugseire
- Antenni mõõtmine ja uuringud
- Ringpolarisatsiooni katsed
- Sidesüsteemi testimine
Miks on spiraalantennid raadiosagedustehnikas olulised?
Spiraalantenn on suurepärane näide sellest, kuidas antenni geomeetria kontrollib elektromagnetilist käitumist.
Muutes selliseid parameetreid nagu ümbermõõt, vahekaugus, sammunurk ja keerdude arv, saavad insenerid liikuda kompaktselt laiaulatuslikult radiaatorilt suunatud ringpolariseeritud antennile.
See füüsikalise geomeetria ja elektrilise jõudluse vaheline seos on oluline ka keerukamate antennitehnoloogiate, näiteks ümmarguse polarisatsiooniga ruuantennide, antennimassiivide, satelliitantennide, lairiba mõõtmise antennide ja mikrolaine-sidesüsteemide uurimisel.
RF MISO arendab antenne ja mikrolainekomponente raadiosagedusliku testimise, side, radari, antenni mõõtmise ja süsteemiintegratsiooni rakenduste jaoks. Antenni põhistruktuuride, näiteks spiraalantenni, mõistmine aitab inseneridel paremini hinnata olulisi parameetreid, sealhulgas sagedusvahemikku, võimendust, polarisatsiooni, telgsuhet, kiire laiust, VSWR-i ja kiirgusmustrit.
Antennide kohta lisateabe saamiseks külastage palun järgmist saiti:
Postituse aeg: 07.08.2026
