Heeliksantenn

Monofilaarsetest elementidest heeliksantenn satelliitsideks

Heeliksantenn, mida nimetatakse ka spiraalantenniks, on ühe või mitme spiraalikujulise aktiivelemendiga suundantenn ringpolariseeritud elektromagnetlainete edastamiseks ja vastuvõtmiseks.

Heeliksantennid võivad olla mitmesuguse ehitusega. Kõik nad koosnevad ühest või mitmest kruvijooneliselt painutatud elektrijuhist (lint või traat), kusjuures keerdude läbimõõt ja samm sõltuvad lainepikkusest. Spiraalantenni leiutas 1947. aastal John D. Kraus.

Tüübid

Aktiivelemenni ehituse järgi saab heeliksantennid jaotadqa kolme põhirühma.

• Monofilaarne (ühetraadiline) antenn koosneb ainult ühest spiraaljuhist. Antenni võimenduse suurendamiseks lisatakse antenni tagumisse otsa metallplaat –reflektor, mis toimib aktiivelemendi suhtes elektrilise vastukaaluna. Elektromagnetlaine ringpolarisatsiooni suund vastab elektrijuhi spiraalorientatsioonile.
• Bifilaarse antenni aktiivelement koosneb kahest teineteise ümber keerutatud spiraaljuhist, mida toidetakse 180° vastassuundades. Toitekaabel ühendatakse antenni tippu, seega kiirgab see [lainejuhe |ainejuhi]] struktuurisuunale vastassuunas. Suunatoime pole nii hea kui monofilaarsel heeliksantennil, kuid tal on eeliseid mõnes satelliitside rakenduses.
• Kvadrofilaarne spiraalantenn koosneb neljast spiraaljuhist, millest igaüks on 90° kaugusel teistest. Sõltuvalt konkreetsest konstruktsioonist ei vaja kvadrofilaarsed heeliksantennid tingimata oma otsas reflektorit ja elektromagnetlaine ringpolarisatsiooni suund võib olenevalt toitepunktist olla ka nelja elektrijuhi pöördesuunale vastasotsas. Lühikesed kvadrofilaarantennid on kitsaribalised ja neil puuduvad lainejuhi omadused.

Edastusriba laiuse suurendamiseks saab spiraalantenne kujundada ka kooniliste või sfääriliste kuplitena. Sellised vormid ühendavad heeliksantennide hea suunatoime laiaribalisusega.

Monofilaarne heeliksantenn

Heeliksantenni ehitus:
S – spiraalne kiirguselement, R – metallplaadist või -võrgust reflektor, B – kiirguri kesktugi, E – vahetoed, C – koaksiaalkaabel, mille punutis on impedantsisobituslüli kaudu ühendatud reflektoriga ja traatsoon spiraali otsaga

Monofilaarse antenni spiraali ümbermõõt on võrdne töölainepikkusega $\lambda$. Seega on spiraali läbimõõt

$D={\frac {\lambda }{\pi }}$

Seetõttu kasutatakse heeliksantenne peamiselt detsimeeterlainetel (1–10 [detsimeeter|dm]], sagedusvahemik 0,3–3 GHz).

Spiraali optimaalne samm $s$ on 0,2–0,3 lainepikkuse juures. Koos keerdude arvuga $N$ suureneb võimendus $G$ ja paraneb antenni suunatoime.

$G=15\cdot N\cdot s\cdot {\frac {(\pi \cdot D)^{2}}{\lambda ^{3}}}$

või kui $D={\frac {\lambda }{\pi }}$ ja $s={\frac {\lambda }{4}}$:

$G\approx 4\cdot N$

Maksimaalne saavutatav võimendus läheneb 15 dB piirile pikkuse :$7\cdot \lambda$ korral. Mida suurem on võimendus, seda väiksem on avanurk $\Theta$ kraadides:

$\Theta ={\frac {52^{\circ }}{\pi \cdot D}}\cdot {\sqrt {\frac {\lambda ^{3}}{N\cdot s}}}$

$\Theta \approx {\frac {200^{\circ }}{\sqrt {G}}}$

Tagumine metallpind (reflektor) toimib koaksiaalsignaali vastukaaluna. See pind on umbes ühe lainepikkuse suurune. Tulenevalt suurest ribalaiusest pole monofilaarsed antennid mõõtmete suhtes eriti kriitilised.

Toitepunkti takistus (spiraali alguses) $Z$ (oomides):

$Z\approx 140\mathrm {\ \Omega } \cdot \pi \cdot {\frac {D}{\lambda }}$

või $D={\frac {\lambda }{\pi }}$ korral:

$Z\approx 140\mathrm {\ \Omega }$

Antenni toitepunkti takistuse $Z$ sobitamiseks toitekaabliga (koaksiaalkaabli lainetakistus tavaliselt 50–75 Ω) on vaja sobituslüli, mis on teostatud näiteks sobivate mõõtmetega plekiriba kujul.

Kvadrofilaarne resonantsantenn GPS-vastuvõtuks raadiosondil

Kvadrofilaarne heeliksantenn

Kvadrofilaarne antenn koosneb neljast juhtmespiraalist, kusjuures iga spiraalii algus on pööratud 90° .võrra. Maksimaalse võimenduse saavutamiseks peab spiraalidel olema seitse kuni kaheksa keerdu. Suundantennina töötamiseks on vaja samasugust reflektorit nagu monofilaarse konstruktsiooni puhul. Antenni võindus on kvadrofilaarsel konstruktsioonil suurem kui monofilaarsel tüübil, kuid valmistamine kulujam.

GPS-vastuvõtjate puhul on vajalik kvadofilaarne resonantsantenn. Seda iseloomustavad kitsaribalisus ja reflektori puudumine, mis muudab selle eriti kergeks. Selle nelja spiraalse juhi pikkus on olenevalt tüübist täpselt 1/4 või 1/2 keerdu. Juhtide pöördessuund on vastupidine ringpolariseeritud laine pöörlemissuunale.

Kasutamine

Kuna spiraali pöörlemissuund määrab edastatava või vastuvõetava ringpolariseeritud laine pöörlemissuuna, peavad saatva ja vastuvõtva antenni pöörlemissuunad ühtima. Vastupidise ringpolarisatsiooniga signaalid on seevastu tugevalt summutatud, mis võimaldab mõlemat polarisatsiooni iseseisvalt kasutada samas sagedusalas. Iga heeliksantenn on aga võimeline vastu võtma mis tahes suunas lineaarselt polariseeritud laineid. Seetõttu kasutatakse neid sageli juhtudel, kus tuleb vastu võtta mistahes lineaarselt polariseeritud laineid, kuid niisuguste lainete vastuvõtmisel on võimendus 3 dB väiksem.

Ringpolarisatsioonil on eelised satelliit- ja kosmosesides, sest polarisatsiooni vaibumist ei toimu, kui lainete polarisatsiooni suund ionosfääri läbimisel Faraday efekti tõttu ettearvamatult pöördub või kui pöördub kosmosesondide orientatsioon.

Tüüpilised rakendused on järgmised:

• Satelliidid ja kosmoseaparaadid: sageli koonilised antennikonstruktsioonid.
• Maapealne satelliitside, näiteks ilmasatelliitidega ühenduse loomiseks.
• Lihtsa ehitusega suundantennina traadita kohtvõrgus punktist punkti ühendusteks ja amatöörraadiosides.
• Reflektorita kvadrofilarsed resonantsantennid väga kergete suure antennivõimendusega GPS-vastuvõtuantennidena, muuhulgas ilmavaatluse raadiosondides.

Välislingid

• Mathematische Grundlagen u. a. der Wendelantenne
• Betriebsgeschichte ROBOTRON Radeberg; Richtfunktechnik 1947 - 1991: Wendelantennen