რა არის სპირალური ანტენა?
სპირალური ანტენა, ასევე ცნობილი როგორც სპირალური ანტენა, არის მავთულისებრი ანტენა, რომელიც წარმოიქმნება გამტარი მავთულის ან მილის სამგანზომილებიან სპირალში დახვევით. სპირალის ერთი ბოლო ჩვეულებრივ დაკავშირებულია კვების ხაზის ცენტრალურ გამტართან, ხოლო გარე გამტარი დაკავშირებულია მეტალის დამიწების სიბრტყესთან ან რეფლექტორთან.
მისი გამორჩეული გეომეტრია ანტენას საშუალებას აძლევს იმუშაოს სხვადასხვა გამოსხივების რეჟიმში, სპირალის ზომებსა და სამუშაო ტალღის სიგრძეს შორის თანაფარდობიდან გამომდინარე.
ამ რეჟიმებს შორის,ღერძული რეჟიმიგანსაკუთრებით მნიშვნელოვანია რადიოსიხშირული და მიკროტალღური ინჟინერიაში, რადგან მას შეუძლია უზრუნველყოს მიმართულებისმიერი გამოსხივება, შედარებით ფართო გამტარობა და წრიული პოლარიზაცია. ეს მახასიათებლები სპირალურ ანტენებს სასარგებლოს ხდის თანამგზავრულ კავშირებში, ტელემეტრიაში, თვალთვალში, კოსმოსურ კომუნიკაციებში, რადიოასტრონომიასა და სხვა გამოყენებებში, სადაც ანტენის ორიენტაცია შეიძლება შეიცვალოს.
სპირალური ანტენის სამუშაო სიხშირე არ შემოიფარგლება ერთი ფიქსირებული დიაპაზონით. ამის ნაცვლად, ის ძირითადად განისაზღვრება მისი ფიზიკური ზომებით ტალღის სიგრძესთან მიმართებაში. ამიტომ, სპირალური სტრუქტურების დაპროექტება შესაძლებელია VHF და UHF სისტემებისთვის, ასევე მაღალი სიხშირის რადიოსიხშირული და მიკროტალღური აპლიკაციებისთვის.
სურათი 1. მიმართულებითი საკომუნიკაციო სისტემაში გამოყენებული სპირალური ანტენების მაგალითი.
სპირალური ანტენის ძირითადი სტრუქტურა
ტიპიური სპირალური ანტენა ოთხი ძირითადი ნაწილისგან შედგება:
- სპირალური გამტარი
- მიწის სიბრტყე ან რეფლექტორი
- რადიოსიხშირული კვების წერტილი
- მექანიკური საყრდენი სტრუქტურა
სპირალი, როგორც წესი, დამზადებულია სპილენძის მავთულისგან, მილისგან ან სხვა გამტარი მასალისგან. ერთი ბოლო დაკავშირებულია კოაქსიალური გადამცემი ხაზის ცენტრალურ გამტართან, ხოლო გარე კოაქსიალური გამტარი ელექტრულად დაკავშირებულია დამიწების სიბრტყესთან.
დამიწების სიბრტყე ხელს უწყობს გამოსხივების მიმართულების კონტროლს და ანტენის კვების სტრუქტურის ნაწილია. პრაქტიკულ დიზაინში, მის ზომებს შეუძლიათ მნიშვნელოვნად იმოქმედონ წინაღობაზე, წინა და უკანა ხედვის მუშაობაზე და შედეგად გამოსხივების სურათზე.
ანტენის ელექტრულ ქცევას რამდენიმე გეომეტრიული პარამეტრი განსაზღვრავს:
- D — სპირალის დიამეტრი
- C — ერთი ბრუნვის გარშემოწერილობა
- S — მიმდებარე შემობრუნებებს შორის მანძილი
- N — ბრუნვების რაოდენობა
- α — დახრის კუთხე
- L — ღერძის სრული სიგრძე
გარშემოწერილობაა:
[C=\pi D]
დახრილობის კუთხე შეიძლება გამოიხატოს შემდეგნაირად:
[\alpha=\tan^{-1}\left(\frac{S}{\pi D}\right)]
ეს პარამეტრების დამოუკიდებლად განხილვა შეუძლებელია, რადგან ერთი განზომილების შეცვლა ცვლის ანტენის წინაღობას, პოლარიზაციას, სხივის სიგანეს, გაძლიერებას და სამუშაო სიხშირეს.
სურათი 2. ტიპიური სპირალური ანტენის სტრუქტურა სპირალური გამტარით და დამიწების სიბრტყის რეფლექტორით.
ორი ძირითადი რადიაციული რეჟიმი
სპირალური ანტენის ერთ-ერთი ყველაზე საინტერესო მახასიათებელი ის არის, რომ ერთი და იგივე ძირითადი სტრუქტურა, მისი ელექტრული ზომის მიხედვით, შეიძლება ძალიან განსხვავებული გამოსხივების ნიმუშები წარმოქმნას.
ორი ხშირად განხილული ოპერაციული რეჟიმია:
- ნორმალური რეჟიმი
- ღერძული რეჟიმი
სპირალური ანტენის შერჩევის ან დიზაინის შექმნისას აუცილებელია ამ ორ რეჟიმს შორის განსხვავების გაგება.
ნორმალური რეჟიმის სპირალური ანტენა
In ნორმალური რეჟიმი, სპირალის საერთო დიამეტრი და დაშორება ელექტრულად მცირეა ტალღის სიგრძესთან შედარებით.
გამოსხივება ძირითადად მიმართულია დაახლოებით პერპენდიკულარულად სპირალის ღერძის მიმართ და არა მის გასწვრივ. ელექტრომაგნიტური ქცევა შეიძლება გავიგოთ, როგორც მოკლე ელექტრული დიპოლისა და პატარა მარყუჟის მიერ წარმოქმნილი ველების კომბინაცია.
სპირალის გეომეტრიიდან, დახრილობის კუთხიდან, მიწოდების განლაგებიდან და დაკვირვების მიმართულებიდან გამომდინარე, შედეგად მიღებული პოლარიზაცია შეიძლება იყოს წრფივი, ელიფსური ან გარკვეულ დიზაინში წრიულთან ახლოს.
ნორმალური რეჟიმის სპირალები, როგორც წესი, კომპაქტურია, მაგრამ მათი ელექტრულად მცირე ზომები იწვევს შედარებით დაბალ რადიაციულ წინააღმდეგობას. ამან შეიძლება გამოიწვიოს უფრო დაბალი გამოსხივების ეფექტურობა და უფრო ვიწრო გამტარობა, ვიდრე ღერძულ რეჟიმში მოწყობილმა დიზაინმა.
ამიტომ, ისინი სასარგებლოა, როდესაც ანტენის ზომა მთავარი შეზღუდვაა და ძალიან მაღალი გაძლიერება არ არის საჭირო.
სურათი 3. ნორმალური რეჟიმის სპირალური ანტენის საილუსტრაციო გამოსხივების სქემა.
ღერძული რეჟიმის სპირალური ანტენა
ისღერძული რეჟიმი, რომელსაც ზოგჯერ ბოლო ცეცხლის რეჟიმს უწოდებენ, არის კონფიგურაცია, რომელიც ყველაზე ხშირად ასოცირდება მაღალი ხარისხის სპირალურ ანტენებთან.
ამ რეჟიმში, ელექტრომაგნიტური ენერგია ძირითადად სპირალის ღერძის გასწვრივ გამოიყოფა და მიმართულებითი სხივის ფორმირებას ახდენს.
ტიპიური ღერძული რეჟიმის დიზაინი იყენებს სპირალის გარშემოწერილობას, რომელიც დაახლოებით ერთი ტალღის სიგრძის შედარებადია:
[C \დაახლოებით \ლამბდა]
შემობრუნების ინტერვალი ხშირად დაახლოებით შემდეგია:
[S \დაახლოებით 0.2\ლამბდა \text{ } 0.3\ლამბდა-მდე]
დაახლოებით ერთი მეოთხედი ტალღის სიგრძით, როგორც საერთო საწყისი წერტილი.
ტრადიციული ღერძული რეჟიმის მრავალი დიზაინის შემთხვევაში, ხშირად გამოიყენება 12°–14°-ის გარშემო დახრის კუთხეები.
შესაბამის გეომეტრიულ პირობებში, თანმიმდევრული ბრუნვებით წარმოქმნილი ველები კონსტრუქციულად ერწყმის სპირალის ღერძის გასწვრივ. ეს წარმოქმნის მიმართულებით სხივს წრიულ ან თითქმის წრიულ პოლარიზაციასთან ერთად.
ბრუნვების რაოდენობა ასევე მოქმედებს ანტენის მუშაობაზე. ბრუნვების რაოდენობის გაზრდამ, როგორც წესი, შეიძლება გაზარდოს ორიენტაცია და გაძლიერება მთავარი სხივის შევიწროებისას, თუმცა პრაქტიკული დიზაინისას ასევე უნდა იქნას გათვალისწინებული მექანიკური სიგრძე, გამტარის დანაკარგი, წინაღობის შესაბამისობა და ინსტალაციის შეზღუდვები.
სურათი 4. ღერძული რეჟიმის სპირალური ანტენის გამოსხივების ილუსტრაციული სქემა მიმართულებითი მთავარი სხივით.
მარჯვენა და მარცხენა ხელის წრიული პოლარიზაცია
ღერძული რეჟიმის სპირალური ანტენის ერთ-ერთი მთავარი უპირატესობა მისი ბუნებრივი უნარია, წარმოქმნას წრიული პოლარიზაცია.
გრაგნილის მიმართულებისა და გამოსხივების მიმართულებიდან გამომდინარე, სპირალი შეიძლება დაპროექტდეს შემდეგი ფორმების მისაღებად:
- RHCP — მარჯვენა წრიული პოლარიზაცია
- LHCP — მარცხენა ხელის წრიული პოლარიზაცია
წრიული პოლარიზაცია განსაკუთრებით სასარგებლოა, როდესაც გადამცემ და მიმღებ ანტენებს შორის ფარდობითი ორიენტაცია ვერ შენარჩუნდება.
მაგალითად, თანამგზავრებმა, კოსმოსურმა ხომალდებმა, საჰაერო პლატფორმებმა, მბრუნავმა სისტემებმა და მობილური საკომუნიკაციო აღჭურვილობამ შეიძლება განუწყვეტლივ შეიცვალონ ორიენტაცია. წრიულად პოლარიზებულ ანტენას შეუძლია შეამციროს საკომუნიკაციო არხის მგრძნობელობა ამ კუთხური ვარიაციის მიმართ.
პოლარიზაციის შესაბამისობა კვლავ მნიშვნელოვანია. RHCP ანტენა იდეალურ შემთხვევაში RHCP ანტენასთან კომუნიკაციისთვისაა განკუთვნილი, ხოლო LHCP ანტენა ჩვეულებრივ LHCP ანტენასთან უნდა იყოს დაწყვილებული. საპირისპირო წრიულმა პოლარიზაციამ შეიძლება მნიშვნელოვანი პოლარიზაციის დანაკარგი გამოიწვიოს.
საინჟინრო შეფასებისთვის,ღერძული თანაფარდობაჩვეულებრივ გამოიყენება წრიული პოლარიზაციის ხარისხის აღსაწერად. იდეალურ წრიულად პოლარიზებულ ტალღას აქვს 0 დბ ღერძული თანაფარდობა, მაშინ როცა პრაქტიკული წრიულად პოლარიზებული ანტენები ხშირად ფასდება სასურველი სიხშირისა და კუთხური დიაპაზონის განმავლობაში ღერძული თანაფარდობის მითითებული მოთხოვნის მიმართ.
სპირალური ანტენის მუშაობაზე მოქმედი ფაქტორები
სპირალური ანტენის ქცევა მჭიდრო კავშირშია მის გეომეტრიასთან.
დიზაინის მნიშვნელოვან პარამეტრებს შორისაა:
სპირალის გარშემოწერილობა
წრეწირსა და ტალღის სიგრძეს შორის ურთიერთობა მნიშვნელოვან როლს ასრულებს იმის განსაზღვრაში, მუშაობს თუ არა ანტენა ნორმალურ თუ ღერძულ რეჟიმში.
ბრუნვის ინტერვალი
დაშორება გავლენას ახდენს მიმდებარე მოსახვევებზე დენებს შორის ფაზურ თანაფარდობაზე და, შესაბამისად, გავლენას ახდენს სხივის მიმართულებაზე, წინაღობასა და პოლარიზაციაზე.
დახრის კუთხე
დახრილობის კუთხე აღწერს, თუ რამდენად სწრაფად მოძრაობს სპირალი თავისი ღერძის გასწვრივ. ეს მნიშვნელოვანი პარამეტრია ღერძული რეჟიმის სტაბილური ქცევის შესანარჩუნებლად.
შემობრუნებების რაოდენობა
მეტი ბრუნვა, როგორც წესი, ზრდის ელექტრულ დიაფრაგმას და შეუძლია უზრუნველყოს უფრო მაღალი ორიენტაცია, მაგრამ ასევე ზრდის ანტენის სიგრძეს და მექანიკურ სირთულეს.
მიწის სიბრტყე
რეფლექტორის ზომა და ფორმა გავლენას ახდენს პირდაპირი გამოსხივების სურათზე, წინაღობაზე და უკუ გამოსხივებაზე.
საკვებისა და წინაღობის შესაბამისობა
სწორი სპირალური ზომების შემთხვევაშიც კი, არასწორმა წინაღობამ შეიძლება გაზარდოს არეკლილი სიმძლავრე და შეამციროს ანტენის რეალიზებული მუშაობა. ამიტომ, პრაქტიკული დიზაინის დროს საჭიროა გამოსხივების მახასიათებლებთან ერთად შეფასდეს დაბრუნების დანაკარგი ან VSWR.
რადიაციის ნიმუში და გაძლიერება
ღერძულ რეჟიმში, სპირალური ანტენა წარმოქმნის მთავარ სხივს, რომელიც დაახლოებით სპირალური ღერძის გასწვრივ არის ორიენტირებული.
ელექტრული სიგრძისა და ბრუნვების რაოდენობის ზრდასთან ერთად, მთავარი სხივი ზოგადად ვიწროვდება და ანტენის მიმართულება იზრდება. ასევე შეიძლება გაჩნდეს გვერდითი წილები, განსაკუთრებით გრძელ ან არაოპტიმიზებულ სტრუქტურებში.
ამიტომ, ანტენა არ უნდა შეფასდეს მხოლოდ გაძლიერების მიხედვით. ინჟინრები, როგორც წესი, რამდენიმე მახასიათებელს ერთად განიხილავენ:
- მოგება
- რეალიზებული მოგება
- ნახევარი სიმძლავრის სხივის სიგანე
- ღერძული თანაფარდობა
- VSWR ან შემოსავლის დაკარგვა
- წინა და უკანა თანაფარდობა
- გვერდითი წილის დონე
- პოლარიზაციის სისუფთავე
- რადიაციული ეფექტურობა
პარამეტრების ეს კომბინაცია ანტენის მუშაობის გაცილებით სრულყოფილ სურათს იძლევა, ვიდრე ერთი გაძლიერების მნიშვნელობა.
სპირალური ანტენების უპირატესობები
სპირალური ანტენები რამდენიმე სასარგებლო საინჟინრო უპირატესობას გვთავაზობს:
- შედარებით მარტივი მექანიკური კონსტრუქცია
- ბუნებრივი წრიული პოლარიზაციის შესაძლებლობა ღერძულ რეჟიმში
- სასარგებლო ოპერაციული გამტარუნარიანობა
- კარგი მიმართულებითი შესრულება
- მასშტაბირებადი გეომეტრია სხვადასხვა სიხშირის დიაპაზონისთვის
- მოქნილი RHCP ან LHCP იმპლემენტაცია
- შესაფერისია ინდივიდუალური ანტენებისთვის ან ანტენის მასივებისთვის
დიზაინის შეზღუდვები
ასევე გასათვალისწინებელია რამდენიმე ფაქტორი:
- ღერძული რეჟიმის დიზაინებს შეიძლება დასჭირდეთ მნიშვნელოვანი ფიზიკური სიგრძე
- უფრო მაღალი გაძლიერება ჩვეულებრივ მეტ ბრუნს მოითხოვს და შესაბამისად, უფრო გრძელ ანტენას
- შესრულება დიდად არის დამოკიდებული გეომეტრიულ სიზუსტეზე
- მიწის სიბრტყის ზომები გავლენას ახდენს რადიაციის მახასიათებლებზე
- საკვების შესაბამისობა სწორად უნდა იყოს შემუშავებული
- მექანიკური მხარდაჭერა უფრო მნიშვნელოვანი ხდება ბრუნების მაღალი რაოდენობის დროს
- საპირისპირო წრიული პოლარიზაციის შეგრძნებებმა შეიძლება გამოიწვიოს მაღალი პოლარიზაციის შეუსაბამობის დანაკარგი.
ტიპიური აპლიკაციები
სპირალური ანტენები შეგიძლიათ იპოვოთ რადიოსიხშირული სისტემების ფართო სპექტრში, მათ შორის:
- სატელიტური კომუნიკაცია
- კოსმოსური ხომალდის ტელემეტრია და თვალყურის დევნება
- მიწისზედა სადგურის კომუნიკაცია
- რადიოასტრონომია
- საჰაერო და კოსმოსური საკომუნიკაციო სისტემები
- რადიოსიხშირული ტელემეტრია
- მიმართულებითი VHF და UHF კავშირები
- დისტანციური ზონდირება
- ანტენის გაზომვა და კვლევა
- ცირკულარული პოლარიზაციის ექსპერიმენტები
- საკომუნიკაციო სისტემის ტესტირება
რატომ არის სპირალური ანტენები მნიშვნელოვანი რადიოსიხშირული ინჟინერიის სფეროში
სპირალური ანტენა შესანიშნავი მაგალითია იმისა, თუ როგორ აკონტროლებს ანტენის გეომეტრია ელექტრომაგნიტურ ქცევას.
ისეთი პარამეტრების შეცვლით, როგორიცაა გარშემოწერილობა, დაშორება, დახრის კუთხე და ბრუნვების რაოდენობა, ინჟინრებს შეუძლიათ კომპაქტური ფართომხრივი რადიატორიდან მიმართულებით წრიულად პოლარიზებულ ანტენაზე გადავიდნენ.
ფიზიკურ გეომეტრიასა და ელექტრულ მახასიათებლებს შორის ეს ურთიერთობა ასევე მნიშვნელოვანია უფრო მოწინავე ანტენის ტექნოლოგიების შესწავლისას, როგორიცაა წრიულად პოლარიზებული რქისებრი ანტენები, ანტენის მასივები, თანამგზავრული ანტენები, ფართოზოლოვანი საზომი ანტენები და მიკროტალღური საკომუნიკაციო სისტემები.
RF MISO ავითარებს ანტენებსა და მიკროტალღურ კომპონენტებს RF ტესტირების, კომუნიკაციის, რადარის, ანტენის გაზომვისა და სისტემური ინტეგრაციის აპლიკაციებისთვის. ანტენის ფუნდამენტური სტრუქტურების, როგორიცაა სპირალური ანტენა, გაგება ინჟინრებს ეხმარება უკეთ შეაფასონ მნიშვნელოვანი პარამეტრები, მათ შორის სიხშირის დიაპაზონი, გაძლიერება, პოლარიზაცია, ღერძული თანაფარდობა, სხივის სიგანე, VSWR და გამოსხივების დიაგრამა.
ანტენების შესახებ დამატებითი ინფორმაციის მისაღებად, გთხოვთ, ეწვიოთ:
გამოქვეყნების დრო: 2026 წლის 7 აგვისტო
