Hva er en spiralantenne?
En spiralantenne, også kjent som en helixantenne, er en trådantenne som dannes ved å vikle en ledende ledning eller et rør til en tredimensjonal helix. Den ene enden av helixen er vanligvis koblet til den midtre lederen på mateledningen, mens den ytre lederen er koblet til et metallisk jordplan eller reflektor.
Den særegne geometrien gjør at antennen kan operere i forskjellige strålingsmoduser avhengig av forholdet mellom helixdimensjonene og driftsbølgelengden.
Blant disse modusene,aksial moduser spesielt viktig innen RF- og mikrobølgeteknikk fordi den kan gi retningsbestemt stråling, relativt bred båndbredde og sirkulær polarisering. Disse egenskapene gjør spiralformede antenner nyttige i satellittforbindelser, telemetri, sporing, romkommunikasjon, radioastronomi og andre applikasjoner der antennens orientering kan endre seg.
Driftsfrekvensen til en spiralantenne er ikke begrenset til ett fast bånd. I stedet bestemmes den primært av dens fysiske dimensjoner i forhold til bølgelengde. Spiralstrukturer kan derfor utformes for VHF- og UHF-systemer så vel som høyerefrekvente RF- og mikrobølgeapplikasjoner.
Figur 1. Eksempel på spiralformede antenner brukt i et retningsbestemt kommunikasjonssystem.
Grunnleggende struktur av en spiralantenne
En typisk spiralantenne består av fire hoveddeler:
- Spiralleder
- Jordplan eller reflektor
- RF-matingspunkt
- Mekanisk støttestruktur
Helixen er vanligvis laget av kobbertråd, rør eller et annet ledende materiale. Den ene enden er koblet til senterlederen i en koaksial transmisjonslinje, mens den koaksiale ytre lederen er elektrisk koblet til jordplanet.
Jordplanet bidrar til å kontrollere strålingsretningen og fungerer som en del av antennens matestruktur. I praktiske design kan dimensjonene påvirke impedans, ytelse fra front til bak og det resulterende strålingsmønsteret betydelig.
Flere geometriske parametere bestemmer antennens elektriske oppførsel:
- D — Helixdiameter
- C — Omkretsen av én sving
- S — Avstand mellom tilstøtende svinger
- N — Antall svinger
- α — Hellingsvinkel
- L — Total aksial lengde
Omkretsen er:
[C = π D]
Stigningsvinkelen kan uttrykkes som:
[α=tan^{-1}(S}{πλεD)]
Disse parameterne kan ikke vurderes uavhengig av hverandre fordi endring av én dimensjon endrer antennens impedans, polarisering, strålebredde, forsterkning og driftsfrekvens.
Figur 2. Typisk spiralformet antennestruktur med spiralleder og jordplanreflektor.
To hovedstrålingsmoduser
En av de mest interessante egenskapene til en spiralantenne er at den samme grunnstrukturen kan produsere svært forskjellige strålingsmønstre avhengig av dens elektriske størrelse.
De to ofte omtalte driftsmodusene er:
- Normal modus
- Aksialmodus
Det er viktig å forstå forskjellen mellom disse to modusene når man velger eller designer en spiralantenne.
Normalmodus spiralantenne
In normal modus, er den totale diameteren og avstanden til heliksen elektrisk liten sammenlignet med bølgelengden.
Stråling er primært rettet omtrent vinkelrett på helixaksen snarere enn langs den. Den elektromagnetiske oppførselen kan forstås som en kombinasjon av feltene produsert av en kort elektrisk dipol og en liten sløyfe.
Avhengig av helixgeometrien, stigningsvinkelen, matearrangementet og observasjonsretningen, kan den resulterende polarisasjonen være lineær, elliptisk eller i visse design nær sirkulær.
Normalmodushelikser er vanligvis kompakte, men deres elektrisk små dimensjoner resulterer i relativt lav strålingsmotstand. Dette kan føre til lavere strålingseffektivitet og smalere båndbredde enn en aksialmodusdesign.
De er derfor nyttige når antennestørrelse er en stor begrensning og det ikke er behov for veldig høy forsterkning.
Figur 3. Illustrativt strålingsmønster for en normalmodus spiralantenne.
Aksialmodus spiralantenne
Deaksial modus, noen ganger kalt end-fire-modus, er konfigurasjonen som oftest er assosiert med høyytelses spiralantenner.
I denne modusen utstråles elektromagnetisk energi hovedsakelig langs helixens akse, og danner en retningsbestemt stråle.
En typisk aksialmodusdesign bruker en helixomkrets som er omtrent sammenlignbar med én bølgelengde:
[C \ca. \lambda]
Svingavstanden er ofte rundt:
[S \approx 0,2\lambda \text{ til } 0,3\lambda]
med omtrent en kvart bølgelengde som et vanlig utgangspunkt.
For mange konvensjonelle aksialmodusdesign brukes ofte stigningsvinkler rundt 12°–14°.
Under passende geometriske forhold kombineres felt generert av suksessive vindinger konstruktivt langs helixaksen. Dette produserer en retningsbestemt stråle sammen med sirkulær eller nesten sirkulær polarisering.
Antall vindinger påvirker også antennens ytelse. Å øke antall vindinger kan generelt øke retningsevnen og forsterkningen samtidig som hovedstrålen blir smalere, selv om praktiske design også må ta hensyn til mekanisk lengde, ledertap, impedanstilpasning og installasjonsbegrensninger.
Figur 4. Illustrativt strålingsmønster for en aksialmodus spiralantenne med en retningsbestemt hovedstråle.
Høyre- og venstrehånds sirkulær polarisering
En av de største fordelene med en aksialmodus spiralantenne er dens naturlige evne til å generere sirkulær polarisering.
Avhengig av viklingsretningen og strålingsretningen, kan en helix utformes for å produsere enten:
- RHCP — Høyrehåndssirkulær polarisering
- LHCP — Venstrehåndssirkulær polarisering
Sirkulær polarisering er spesielt nyttig når den relative orienteringen mellom sende- og mottakerantennene ikke kan forbli fast.
For eksempel kan satellitter, romfartøy, luftbårne plattformer, roterende systemer og mobilt kommunikasjonsutstyr kontinuerlig endre retning. En sirkulært polarisert antenne kan redusere følsomheten til kommunikasjonslenken for denne vinkelvariasjonen.
Polarisasjonsmatching er fortsatt viktig. En RHCP-antenne kommuniserer ideelt sett med en RHCP-antenne, mens en LHCP-antenne normalt bør pares med en LHCP-antenne. Motsatt sirkulær polarisering kan føre til betydelig polarisasjonstap.
For ingeniørvurdering,aksialt forholdbrukes ofte for å beskrive sirkulær polarisasjonskvalitet. En ideell sirkulært polarisert bølge har et aksialforhold på 0 dB, mens praktiske sirkulært polariserte antenner ofte evalueres mot et spesifisert aksialforholdskrav over ønsket frekvens og vinkelområde.
Faktorer som påvirker ytelsen til en spiralantenne
Oppførselen til en spiralformet antenne er nært knyttet til dens geometri.
Viktige designparametere inkluderer:
Helix-omkrets
Forholdet mellom omkrets og bølgelengde spiller en viktig rolle i å avgjøre om antennen opererer i normal modus eller aksial modus.
Svingavstand
Avstand påvirker faseforholdet mellom strømmer på tilstøtende vindinger og påvirker derfor stråleretning, impedans og polarisering.
Stegvinkel
Stigningsvinkelen beskriver hvor raskt heliksen beveger seg langs aksen sin. Det er en viktig parameter for å opprettholde stabil aksialmodusoppførsel.
Antall svinger
Flere vindinger øker generelt den elektriske blenderåpningen og kan gi høyere retningsevne, men de øker også antennelengden og den mekaniske kompleksiteten.
Jordplan
Reflektorens størrelse og form påvirker det fremoverrettede strålingsmønsteret, impedansen og den bakoverrettede strålingen.
Mating og impedansmatching
Selv med korrekte helixdimensjoner kan dårlig impedanstilpasning øke reflektert effekt og redusere realisert antenneytelse. Praktiske design må derfor evaluere returtap eller VSWR sammen med strålingskarakteristikker.
Strålingsmønster og forsterkning
I aksial modus produserer en spiralformet antenne en hovedstråle sentrert omtrent langs spiralaksen.
Etter hvert som den elektriske lengden og antall vindinger øker, blir hovedstrålen generelt smalere og antenneretningsevnen øker. Sidelober kan også forekomme, spesielt i lengre eller ikke-optimaliserte strukturer.
Antennen bør derfor ikke evalueres kun etter forsterkning. Ingeniører vurderer vanligvis flere egenskaper sammen:
- Gevinst
- Realisert gevinst
- Halv effekt strålebredde
- Aksialforhold
- VSWR eller returtap
- Forhold mellom forside og bakside
- Sidelobenivå
- Polarisasjonsrenhet
- Strålingseffektivitet
Denne kombinasjonen av parametere gir et mye mer komplett bilde av antennens ytelse enn en enkelt forsterkningsverdi.
Fordeler med spiralantenner
Spiralantenner tilbyr flere nyttige tekniske fordeler:
- Relativt enkel mekanisk konstruksjon
- Naturlig sirkulær polarisasjonsevne i aksial modus
- Nyttig driftsbåndbredde
- God retningsbestemt ytelse
- Skalerbar geometri for forskjellige frekvensområder
- Fleksibel RHCP- eller LHCP-implementering
- Egnet for individuelle antenner eller antennearrayer
Designbegrensninger
Det er også flere faktorer å vurdere:
- Aksialmodusdesign kan kreve betydelig fysisk lengde
- Høyere forsterkning krever vanligvis flere vindinger og derfor en lengre antenne
- Ytelsen er sterkt avhengig av geometrisk nøyaktighet
- Jordplanets dimensjoner påvirker strålingsegenskapene
- Feedmatching må være riktig utformet
- Mekanisk støtte blir viktigere ved høyere turantall
- Motsatte sirkulære polarisasjonssanser kan produsere høyt tap av polarisasjonsmismatch
Typiske bruksområder
Spiralantenner finnes i et bredt spekter av RF-systemer, inkludert:
- Satellittkommunikasjon
- Romfartøytelemetri og sporing
- Kommunikasjon mellom bakkestasjoner
- Radioastronomi
- Luftbårne og romfartskommunikasjonssystemer
- RF-telemetri
- Retningsbestemte VHF- og UHF-lenker
- Fjernmåling
- Antennemåling og forskning
- Sirkulærpolarisasjonseksperimenter
- Testing av kommunikasjonssystem
Hvorfor spiralantenner er viktige i RF-teknikk
Den spiralformede antennen er et utmerket eksempel på hvordan antennegeometri styrer elektromagnetisk oppførsel.
Ved å endre parametere som omkrets, avstand, stigningsvinkel og antall vindinger, kan ingeniører gå fra en kompakt bredsideradiator til en retningsbestemt sirkulært polarisert antenne.
Dette forholdet mellom fysisk geometri og elektrisk ytelse er også viktig når man studerer mer avanserte antenneteknologier som sirkulært polariserte hornantenner, antennearrayer, satellittantenner, bredbåndsmåleantenner og mikrobølgekommunikasjonssystemer.
RF MISO utvikler antenner og mikrobølgekomponenter for RF-testing, kommunikasjon, radar, antennemåling og systemintegrasjonsapplikasjoner. Å forstå grunnleggende antennestrukturer som den spiralformede antennen hjelper ingeniører med å bedre evaluere viktige parametere, inkludert frekvensområde, forsterkning, polarisering, aksialforhold, strålebredde, VSWR og strålingsmønster.
For å lære mer om antenner, vennligst besøk:
Publisert: 07.08.2026
