Wat is een spiraalantenne?
Een spiraalantenne, ook wel helixantenne genoemd, is een draadantenne die wordt gevormd door een geleidende draad of buis in een driedimensionale helix te wikkelen. Het ene uiteinde van de helix is normaal gesproken verbonden met de centrale geleider van de voedingslijn, terwijl de buitenste geleider is verbonden met een metalen aardingsvlak of reflector.
Dankzij de unieke geometrie kan de antenne in verschillende stralingsmodi werken, afhankelijk van de verhouding tussen de afmetingen van de helix en de werkingsgolflengte.
Onder deze modi bevindt zich deaxiale modusDit is met name belangrijk in RF- en microgolftechniek omdat het gerichte straling, een relatief brede bandbreedte en circulaire polarisatie kan bieden. Deze eigenschappen maken spiraalantennes nuttig voor satellietverbindingen, telemetrie, tracking, ruimtecommunicatie, radioastronomie en andere toepassingen waarbij de antenneoriëntatie kan veranderen.
De werkfrequentie van een spiraalantenne is niet beperkt tot één vaste band. In plaats daarvan wordt deze voornamelijk bepaald door de fysieke afmetingen ten opzichte van de golflengte. Spiraalvormige structuren kunnen daarom worden ontworpen voor VHF- en UHF-systemen, maar ook voor RF- en microgolftoepassingen met hogere frequenties.
Figuur 1. Voorbeeld van spiraalantennes die worden gebruikt in een directioneel communicatiesysteem.
Basisstructuur van een spiraalantenne
Een typische spiraalantenne bestaat uit vier hoofdonderdelen:
- Spiraalvormige geleider
- Aardvlak of reflector
- RF-voedingspunt
- Mechanische ondersteuningsstructuur
De helix wordt doorgaans gemaakt van koperdraad, -buis of een ander geleidend materiaal. Het ene uiteinde is verbonden met de centrale geleider van een coaxiale transmissielijn, terwijl de buitenste coaxiale geleider elektrisch is verbonden met het aardvlak.
Het grondvlak helpt de stralingsrichting te controleren en fungeert als onderdeel van de antennevoedingsstructuur. In praktische ontwerpen kunnen de afmetingen ervan een aanzienlijke invloed hebben op de impedantie, de voor-achterverhouding en het resulterende stralingspatroon.
Verschillende geometrische parameters bepalen het elektrische gedrag van de antenne:
- D — Helixdiameter
- C — Omtrek van één draai
- S — Afstand tussen aangrenzende bochten
- N — Aantal beurten
- α — Hellingshoek
- L — Totale axiale lengte
De omtrek is:
[C=\pi D]
De hellingshoek kan als volgt worden uitgedrukt:
[\alpha=\tan^{-1}\left(\frac{S}{\pi D}\right)]
Deze parameters kunnen niet onafhankelijk van elkaar worden beschouwd, omdat het veranderen van één dimensie de impedantie, polarisatie, bundelbreedte, versterking en werkfrequentie van de antenne beïnvloedt.
Figuur 2. Typische spiraalvormige antennestructuur met spiraalvormige geleider en grondvlakreflector.
Twee belangrijkste stralingsmodi
Een van de meest interessante eigenschappen van een spiraalantenne is dat dezelfde basisstructuur, afhankelijk van de elektrische afmetingen, zeer verschillende stralingspatronen kan produceren.
De twee meest besproken werkingsmodi zijn:
- Normale modus
- Axiale modus
Het is essentieel om het verschil tussen deze twee modi te begrijpen bij het selecteren of ontwerpen van een spiraalantenne.
Normale spiraalantenne
In normale modusDe totale diameter en de onderlinge afstand van de helix zijn elektrisch gezien klein in vergelijking met de golflengte.
De straling is voornamelijk loodrecht op de helixas gericht, in plaats van erlangs. Het elektromagnetische gedrag kan worden begrepen als een combinatie van de velden die worden geproduceerd door een korte elektrische dipool en een kleine lus.
Afhankelijk van de spiraalgeometrie, de spoedhoek, de toevoerconfiguratie en de observatierichting kan de resulterende polarisatie lineair, elliptisch of, in bepaalde ontwerpen, bijna circulair zijn.
Normale-modus helices zijn doorgaans compact, maar hun elektrisch kleine afmetingen resulteren in een relatief lage stralingsweerstand. Dit kan leiden tot een lagere stralingsefficiëntie en een smallere bandbreedte dan bij een axiale-modus ontwerp.
Ze zijn daarom nuttig wanneer de antenneafmetingen een belangrijke beperking vormen en een zeer hoge versterking niet vereist is.
Figuur 3. Illustratief stralingspatroon van een spiraalvormige antenne in normale modus.
Axiale spiraalantenne
Deaxiale modusDeze configuratie, soms ook wel end-fire-modus genoemd, wordt het meest geassocieerd met hoogwaardige spiraalantennes.
In deze modus wordt elektromagnetische energie hoofdzakelijk langs de as van de helix uitgestraald, waardoor een gerichte bundel ontstaat.
Een typisch ontwerp met axiale modus maakt gebruik van een helixomtrek die ongeveer gelijk is aan één golflengte:
[C \approx \lambda]
De beurtafstand is vaak ongeveer:
[S ≈ 0,2λ tot 0,3λ]
waarbij een kwart golflengte een veelgebruikt uitgangspunt is.
Bij veel conventionele axiale-modusontwerpen worden vaak hellingshoeken van ongeveer 12°–14° gebruikt.
Onder geschikte geometrische omstandigheden combineren de velden die door opeenvolgende windingen worden gegenereerd constructief langs de helixas. Dit produceert een gerichte bundel met circulaire of bijna-circulaire polarisatie.
Het aantal windingen beïnvloedt ook de antenneprestaties. Een groter aantal windingen kan over het algemeen de richtingsgevoeligheid en de versterking verhogen, terwijl de hoofdbundel smaller wordt. Bij praktische ontwerpen moet echter ook rekening worden gehouden met de mechanische lengte, geleiderverliezen, impedantieaanpassing en installatiebeperkingen.
Figuur 4. Illustratief stralingspatroon van een axiale spiraalantenne met een gerichte hoofdstraal.
Rechtshandige en linkshandige circulaire polarisatie
Een van de grootste voordelen van een axiale spiraalantenne is het natuurlijke vermogen om circulaire polarisatie te genereren.
Afhankelijk van de wikkelrichting en de stralingsrichting kan een helix zo ontworpen worden dat deze het volgende produceert:
- RHCP — Rechtshandige circulaire polarisatie
- LHCP — Linkshandige circulaire polarisatie
Circulaire polarisatie is met name nuttig wanneer de relatieve oriëntatie tussen de zend- en ontvangstantennes niet constant kan blijven.
Satellieten, ruimtevaartuigen, luchtplatforms, roterende systemen en mobiele communicatieapparatuur kunnen bijvoorbeeld continu van oriëntatie veranderen. Een circulair gepolariseerde antenne kan de gevoeligheid van de communicatieverbinding voor deze hoekvariatie verminderen.
Polarisatieaanpassing blijft belangrijk. Een RHCP-antenne communiceert idealiter met een andere RHCP-antenne, terwijl een LHCP-antenne normaal gesproken gekoppeld moet worden aan een andere LHCP-antenne. Tegengestelde circulaire polarisaties kunnen leiden tot aanzienlijk polarisatieverlies.
Voor technische evaluatie,axiale verhoudingDe term wordt vaak gebruikt om de kwaliteit van circulaire polarisatie te beschrijven. Een ideale circulair gepolariseerde golf heeft een axiale verhouding van 0 dB, terwijl in de praktijk circulair gepolariseerde antennes vaak worden beoordeeld op basis van een gespecificeerde axiale verhouding over het gewenste frequentie- en hoekbereik.
Factoren die de prestaties van een spiraalantenne beïnvloeden
Het gedrag van een spiraalantenne hangt nauw samen met de geometrie ervan.
Belangrijke ontwerpparameters zijn onder meer:
Helixomtrek
De relatie tussen omtrek en golflengte speelt een belangrijke rol bij het bepalen of de antenne in de normale modus of de axiale modus werkt.
Draaiafstand
De afstand tussen de windingen beïnvloedt de faseverhouding tussen de stromen op aangrenzende windingen en heeft daardoor invloed op de bundelrichting, impedantie en polarisatie.
Hellingshoek
De spoedhoek beschrijft hoe snel de helix zich langs zijn as voortbeweegt. Het is een belangrijke parameter voor het behoud van stabiel gedrag in de axiale modus.
Aantal beurten
Meer windingen vergroten over het algemeen de elektrische opening en kunnen een hogere richtingsgevoeligheid opleveren, maar ze vergroten ook de lengte van de antenne en de mechanische complexiteit.
Grondvlak
De grootte en vorm van de reflector beïnvloeden het voorwaartse stralingspatroon, de impedantie en de achterwaartse straling.
Voeding en impedantieaanpassing
Zelfs met de juiste helixafmetingen kan een slechte impedantieaanpassing het gereflecteerde vermogen verhogen en de daadwerkelijke antenneprestaties verminderen. Bij praktische ontwerpen is het daarom noodzakelijk om het retourverlies of de VSWR te evalueren in combinatie met de stralingskarakteristieken.
Stralingspatroon en versterking
In de axiale modus produceert een spiraalantenne een hoofdstraal die ongeveer gecentreerd is langs de as van de spiraal.
Naarmate de elektrische lengte en het aantal windingen toenemen, wordt de hoofdstraal over het algemeen smaller en neemt de richtingsgevoeligheid van de antenne toe. Er kunnen ook zijlobben ontstaan, vooral bij langere of niet-geoptimaliseerde structuren.
De antenne mag daarom niet alleen op basis van de versterking worden beoordeeld. Ingenieurs houden doorgaans rekening met meerdere kenmerken tegelijk:
- Verdienen
- Gerealiseerde winst
- Halve vermogensbundelbreedte
- Axiale verhouding
- VSWR of retourverlies
- Voor-achterverhouding
- Zijlobniveau
- Polarisatiezuiverheid
- Stralingsefficiëntie
Deze combinatie van parameters geeft een veel completer beeld van de antenneprestaties dan een enkele versterkingswaarde.
Voordelen van spiraalantennes
Spiraalantennes bieden diverse nuttige technische voordelen:
- Relatief eenvoudige mechanische constructie
- Natuurlijke circulaire polarisatiemogelijkheid in axiale modus
- Nuttige bedrijfsbandbreedte
- Goede richtingsgevoeligheid
- Schaalbare geometrie voor verschillende frequentiebereiken
- Flexibele RHCP- of LHCP-implementatie
- Geschikt voor individuele antennes of antenne-arrays.
Ontwerpbeperkingen
Er zijn ook verschillende factoren waarmee rekening moet worden gehouden:
- Ontwerpen voor axiale toepassingen kunnen een aanzienlijke fysieke lengte vereisen.
- Een hogere versterking vereist doorgaans meer windingen en dus een langere antenne.
- De prestaties zijn sterk afhankelijk van de geometrische nauwkeurigheid.
- De afmetingen van het grondvlak beïnvloeden de stralingseigenschappen.
- De afstemming van de toevoer moet correct worden ontworpen.
- Mechanische ondersteuning wordt belangrijker naarmate het aantal omwentelingen toeneemt.
- Tegengestelde circulaire polarisatierichtingen kunnen leiden tot een groot polarisatie-mismatchverlies.
Typische toepassingen
Spiraalantennes zijn te vinden in een breed scala aan RF-systemen, waaronder:
- Satellietcommunicatie
- Telemetrie en tracking van ruimtevaartuigen
- Communicatie via grondstation
- Radioastronomie
- Lucht- en ruimtevaartcommunicatiesystemen
- RF-telemetrie
- Directionele VHF- en UHF-verbindingen
- Teledetectie
- Antennemeting en -onderzoek
- Circulaire-polarisatie-experimenten
- Testen van communicatiesystemen
Waarom spiraalantennes belangrijk zijn in RF-techniek
De spiraalantenne is een uitstekend voorbeeld van hoe de geometrie van een antenne het elektromagnetische gedrag beïnvloedt.
Door parameters zoals omtrek, afstand, hellingshoek en aantal windingen te wijzigen, kunnen ingenieurs overstappen van een compacte, breedstralende antenne naar een directionele, circulair gepolariseerde antenne.
Deze relatie tussen fysieke geometrie en elektrische prestaties is ook belangrijk bij het bestuderen van meer geavanceerde antennetechnologieën, zoals circulair gepolariseerde hoornantennes, antenne-arrays, satellietantennes, breedbandmeetantennes en microgolfcommunicatiesystemen.
RF MISO ontwikkelt antennes en microgolfcomponenten voor RF-testen, communicatie, radar, antennemetingen en systeemintegratietoepassingen. Inzicht in fundamentele antennestructuren zoals de spiraalantenne helpt ingenieurs belangrijke parameters beter te beoordelen, waaronder frequentiebereik, versterking, polarisatie, axiale verhouding, bundelbreedte, VSWR en stralingspatroon.
Ga voor meer informatie over antennes naar:
Geplaatst op: 7 augustus 2026
