Anteny helikalne - podstawy teoretyczne

Jednym ze sposobów promieniowania anteny spiralnej jest promieniowanie wzdłuż osi spirali w formie skoncentrowanej wiązki, podobnie jak przy wieloelementowych antenach typu Yagi, ten sposób promieniowania nazywa się wiązkowym lub osiowym. Sposób promieniowania anteny spiralnej zależy od jej wymiarów w stosunku do długości fali; wiązkowe promieniowanie otrzymuje się dla stosunkowo dużego zakresu zmiany wymiarów: średnicy spirali rzędu 0,2 do 0,5 długości fali i przy odstępach między zwojami do 0,5 długości fali. Antena jest zbudowana z przewodnika zwiniętego w kształcie spirali. Przy wymiarach długości obwodu spirali rzędu długości fali spirala może pracować jako antena o dużej kierunkowości. Prostopadle do osi spirali umieszcza się reflektor.

Kształt jego powierzchni może być bardzo różnorodny, jednak najczęściej stosuje się tarczę o powierzchni kołowej i wymiarach rzędu długości fali. Spiralę można pobudzić do promieniowania wiązkowego kilkoma sposobami; najprostszym jest zasilanie spirali linią koncentryczną, której wewnętrzny przewód dołączony jest do końca spirali, a osłona zewnętrzna połączona z metalową płytą reflektora. Promieniowanie jest maksymalne w kierunku osi spirali i spolaryzowane kołowo. Charakterystyki kierunkowe anteny spiralnej o promieniowaniu wiązkowym są interesujące z uwagi na duży zysk kierunkowy zapewniony mimo małych wymiarów i prostej konstrukcji anteny. Ponieważ charakterystyka impedancji wejściowej anteny i charakterystyka kierunkowa są stałe w dużym zakresie częstotliwości, dlatego antena spiralna doskonale nadaje się do zastosowania przy pracy w szerokim zakresie częstotliwości. Pomiar impedancji wejściowej kilku anten o stałej długości fizycznej, lecz o różnych kątach alfa oraz pomiar anten o stałym kącie alfa, lecz o różnej ilości zwojów wykazał, że przy długościach fal, dla których wymiary anteny są zbyt małe dla promieniowania wiązkowego, impedancja wejściowa przyjmuje zmienne wartości w szerokich granicach; przy częstotliwościach, przy których uzyskujemy promieniowanie wiązkowe, impedancja wejściowa jest stała dookoła średniej wartości składowej rzeczywistej 130 omów i składowej urojonej ±15 omów. Pomiary przeprowadzono na antenach zaprojektowanych na środkową częstotliwość 420 MHz, a zakres częstotliwości promieniowania wiązkowego wynosił 300 do 500 MHz. Badane anteny miały następujące wymiary: średnica spirali D=22,5 cm; długość spirali A+B = 123 cm; kąt alfa kolejno: 6°, 12°, 18°, i 24° (ilości zwojów — kolejno: 18, 8,5 oraz 3,9). Wszystkie spirale miały przekrój kołowy i były nawinięte rurką miedzianą o średnicy d = 1,27 cm. Dla spirali o kącie 12° i 18° promieniowanie wiązkowe otrzymano dla zakresu częstotliwości od 300 do 500 MHz, dla spirali 6° — w zakresie 350 do 450 MHz. Spirala o kącie alfa = 24° nie wykazała ściśle określonego maksimum promieniowania w kierunku osi spirali, wiązka była rozstrzelona na kilka mniejszych, o prawie równej wielkości. Dla spiral o kątach 12° i 18° impedancja poniżej 300 MHz zmieniła się bardzo silnie przy małych nawet zmianach częstotliwości. W zakresie częstotliwości, w którym antena pracuje w kierunku osi, zmiany impedancji przy zmianach częstotliwości są bardzo małe. Jedynie przy spiralach o małym kącie alfa (poniżej 6°) zmiany impedancji były nieco większe niż przy pozostałych antenach. Stałość impedancji wejściowej wskazuje, że fala odbita od otwartego końca spirali i wędrująca z powrotem do punktu zasilania jest bardzo mała. To zachowanie się jest podobne do pracy linii transmisyjnej zamkniętej na końcu opornością równą oporności charakterystycznej linii. Również i współczynnik fali stojącej na linii zasilającej antenę spiralną wykazuje dużą stałość w całym zakresie promieniowania wiązkowego i jest mniejszy od 1,25 w zakresie od 300 do 500 MHz (szerokość pasma 80%) dla anteny o pięciu zwojach i kącie alfa = 18°. Przy tej samej antenie impedancja wejściowa w zakresie 285 do 500 MHz przyjmuje wartości między 105 a 145 omów (część rzeczywista) i ±15 omów część urojona. Z pomiarów impedancji wynika więc, że jej zmiana maleje ze wzrostem kąta alfa. Jednak dla wszystkich anten (z wyjątkiem alfa = 6°) średnia geometryczna" ze skrajnych wartości oporności wejściowej wynosi około 130 omów w całym zakresie częstotliwości dla promieniowania wiązkowego. Zasilając antenę kablem koncentrycznym o oporności falowej innej niż 130 omów trzeba zastosować transformator dopasowujący, wykonany również w formie odcinka kabla koncentrycznego. Zbadano również wpływ ilości zwojów na impedancję wejściową. Pomiary wykonano na antenach o kącie 12° (D = 23,2 cm) i przy ilości zwojów n = 1, 4 i 10. Antena nawinięta rurką miedzianą o średnicy d = 1,27 cm. Dla spiral cztero i dziesięciozwojowych impedancja jest prawie niezależna od ilości zwojów w zakresie częstotliwości promieniowania wiązkowego. Również zmiana średnicy spirali D oraz odstępu S między zwojami, związanego z kątem a zależnością

nie wpływa wyraźnie na impedancję wejściowa w zakresie promieniowania wiązkowego. Dopiero przy wymiarach Df (wyrażonych w długościach fali) większych od

(gdzie Sf = odstęp między zwojami wyrażony w długościach fali), promieniowanie wiązkowe przechodzi w stożkowe rys. 2b

lub „normalne", tj. promieniowanie prostopadłe do osi spirali rys. 2c. Przy osiowo promieniującej antenie rys. 2a składowa natężenia pola elektrycznego w kierunku osi spirali równa się zeru; można więc umieścić przewodnik np. pręt metalowy podtrzymujący spiralę na linii osi spirali, bez wprowadzenia zmian charakterystyki anteny. Przykłady takiego zamocowania spirali przedstawiono na rys. 3c i 3d.

Wszystkie pomiary były przeprowadzone na antenach z grubego przewodnika o średnicy rzędu 0,02 długości fali. Średnica przewodnika wpływa na impedancję w ten sposób, że zakres częstotliwości, w którym impedancja wejściowa jest stała, maleje znacznie ze zmniejszaniem średnicy rurki. Również ze względów konstrukcyjnych średnica nie powinna być zbyt mała. Wymiary i kształt reflektora mogą mieć wpływ na impedancję wejściową, jednak przy wymiarach powyżej 2-długości fali zmiany są bardzo nieznaczne. Średnica reflektora nie powinna być mniejsza od 0,8 długości fali. Przy zbyt małych wymiarach reflektora zmienią się wartości liczbowe oporności wejściowej, lecz własności kierunkowe anteny pozostaną takie same. Anteny spiralne posiadają duży zysk kierunkowy przez zwężenie wiązki zarówno w płaszczyźnie pionowej jak i poziomej w bardzo szerokim zakresie częstotliwości.

Na rys. 4 przedstawiono typowe charakterystyki kierunkowe anteny spiralnej o wymiarach: kąt alfa = 12°; ilość zwojów n = 7; średnica spirali D = 22,5 cm; średnica przewodnika d = 1,27 cm; odstęp między zwojami S = 15 cm; długość spirali A = 112 cm; średnica tarczy reflektora C = 66 cm; dla tej anteny, stosunek częstotliwości maksymalnej do minimalnej wynosi około 1,7 do 1. Powyżej 520 MHz charakterystyka się zmienia, pojawiają się liczne i duże listki zamiast pożądanej jednej wiązki głównej. Gdy częstotliwość pracy jest zbyt duża lub zbyt mała dla pobudzenia promieniowania wiązkowego, charakterystyka przyjmuje kształt stożka rys. 2b. Wnioski wypływające z licznych pomiarów anten o różnych wymiarach są następujące: dla pracy w dużym zakresie częstotliwości najlepsze wyniki uzyskuje się przy dużych średnicach przewodnika użytego na spiralę. Wymiar „d" nie powinien być mniejszy od 0,02 długości fali. Kąt optymalny wynosi a = 14° dla długości anteny A = 1,65 długości fali, chociaż wartości kąta od 10° do 20° dają dobre wyniki. Optymalna ilość zwojów od 5 do 1. Przy projektowaniu anteny na pasmo amatorskie np. 420 do 460 MHz przyjmujemy długość B = 0,5 S (ten odcinek spirali jest zagięty do wewnątrz w kierunku osi aż do miejsca dołączenia kabla koncentrycznego). Następnie obliczamy ilość zwojów z wzoru orientacyjnego:

Kątowi alfa = 14° odpowiada odstęp między zwojami S = 0,24 długości fali; stąd ilość zwojów n = 6,4; przyjmujemy 6 zwojów. Zysk kierunkowy takiej anteny w porównaniu z izotropową anteną wynosi około 10,4 dB (11-krotny zysk mocy) przy 300 MHz, dochodzi do 14 dB (25-krotny zysk mocy) przy 500 MHz. Współczynnik fali stojącej w tym zakresie zmienia się od 1,03 do 1,4 max. W zakresie od 420 do 460 MHz współczynnik fali stojącej wynosi od 1,2 do 1,03. Zysk kierunkowy można zwiększyć przez zwiększenie ilości zwojów spirali. Jednak aby uzyskać znaczne zmiany kierunkowości ilość zwojów musiałaby niewspółmiernie wzrosnąć. Dla podniesienia zysku z 12 dB (dla typowej anteny o długości spirali 1,5 długości fali) do 22 dB — długość spirali powinna wynosić około 20 długości fali. Antena o takich wymiarach byłaby pod wieloma względami niepraktyczna, a anteny ścianowe o znacznie mniejszych wymiarach fizycznych dają takie same wyniki przy tych częstotliwościach. Inny sposób zwiększenia kierunkowości anten spiralnych jest przedstawiony na rys.5.

Rysunek 5a pokazuje połączenie anteny spiralnej z reflektorem parabolicznym. Taka kombinacja daje bardzo duży zysk kierunkowy, jednak ze względu na konieczność dużych wymiarów reflektora względem długości fali stosuje się ją raczej na pasmach mikrofalowych powyżej 1215 MHz. To samo odnosi się do rys. 5b, gdzie antena spiralna współpracuje z reflektorem tubowym (o przekroju cylindrycznym), który powinien mieć wymiary otworu wylotowego rzędu 5 długości fali. Najprostszym sposobem powiększenia kierunkowości jest kombinacja kilku anten spiralnych w formie anteny ścianowej rys. 5c. Przykład anteny złożonej z czterech spirali przedstawia rys.6

Wszystkie spirale są nawinięte w tym samym kierunku i pobudzane w fazie. Gdy dwie spirale są nawinięte w jednym kierunku, a pozostałe dwie w przeciwnym, otrzymujemy polaryzację liniową zamiast kołowej. Zysk takiej anteny wynosi około 40 (16 dB) przy dolnej granicznej częstotliwości i 120 (22 dB) przy górnej częstotliwości zakresu wiązkowego i biorąc pod uwagę małe Wymiary anteny 2,5 na 2,5 długości fali na środkowej częstotliwości zakresu — jest bardzo pokaźny. Odstęp 1,5 długości fali między spiralami jest obrany dla uzyskania dużego zysku kierunkowego, natomiast dla usunięcia bocznych listków charakterystyki promieniowania odpowiednio dobiera się wymiary poszczególnych spiral. Stosując antenę spiralną do nadawania i do odbioru, należy pamiętać o tym, aby kierunek nawinięcia zwojów spiral był taki sam w obu antenach. Antena odbiorcza nie reaguje zupełnie na sygnały pochodzące z anteny nadawczej o przeciwnym zwrocie przy polaryzacji kołowej. Aby zapobiec ewentualnym nieporozumieniom, trzeba ustalić standartowy kierunek polaryzacji kołowej np. jako prawoskrętny.