Ελικοειδής κεραία: 7 σημαντικά γεγονότα που πρέπει να γνωρίζετε

Εξώφυλλο Image Credit - Απεικονιζόμενη υπηρεσία: Πολεμική Αεροπορία
Χειριστής κάμερας: SSGT LOUIS COMEGER, Κεραία Hammer Ace SATCOM, επισημαίνεται ως δημόσιος τομέας, περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με Wikimedia Commons

Σημεία συζητήσεων

Εισαγωγή στην ελικοειδή κεραία

            Για να ορίσουμε μια ελικοειδή κεραία, πρέπει να γνωρίζουμε προηγουμένως τον σωστό ορισμό της κεραίας. Σύμφωνα με τους τυπικούς ορισμούς των κεραιών ή καλοριφέρ IEEE,

«Η κεραία είναι ένα μέσο μετάδοσης και λήψης ραδιοκυμάτων».

Υπάρχουν αρκετές προσαρμογές κεραιών. Μερικά από αυτά είναι - κεραίες διπόλων, κεραίες κέρατων, περιοδικές κεραίες, κεραίες επιθέματος, κεραίες ευρυζωνικής κλπ.

Helical Κεραία
Helical Κεραία, Credit Image -
"Helical Beam Κεραίες, 1951"(CC BY-NC-ND 2.0) με NASAJPL

          Οι ελικοειδείς κεραίες ή οι ελικοειδείς κεραίες είναι μία από τις κατηγορίες των ευρυζωνικών κεραιών. Είναι μια από τις πιο απλές, πρωταρχικές και ρεαλιστικές κεραίες με ελικοειδή δομή, αποτελούμενη από αγωγό τραυματισμού.

Τι είναι η κεραία κέρατος; Εξερευνώ εδώ!

Γεωμετρική ανάλυση και διαμόρφωση

          Οι ελικοειδείς κεραίες ή οι ελικοειδείς κεραίες έρχονται γενικά με επίπεδο γείωσης το οποίο έχει την ικανότητα να δέχεται διαφορετικές μορφές. Για τη δημιουργία μιας τυπικής έλικας σύνδεσης με το επίπεδο γείωσης, η διάμετρος του επιπέδου γείωσης πρέπει να είναι τουλάχιστον 3 * λ / 4. Αν και, το επίπεδο μπορεί να μεταγγιστεί σε κυλινδρικό κρατήρα. Στο σημείο τροφοδοσίας, οι γραμμές μετάδοσης συναντώνται με την κεραία.

Αρχή της ελικοειδούς κεραίας
Γεωμετρία ελικοειδούς κεραίας, Credit Image - ΟύλφμπαστελΑρχή της ελικοειδούς κεραίαςCC BY-SA 3.0

          Η γεωμετρική περιγραφή μιας ελικοειδούς κεραίας αποτελείται συνήθως από N αριθμό στροφών, τη διάμετρο D και την απόσταση μεταξύ δύο ελικοειδούς βρόχου S.

Όλο το μήκος δίνεται από -> L = N S.

Όλο το μήκος του αγώγιμου σύρματος δίνεται από -> Ln = NL0 (Φέρει το ρεύμα κυρίως προφανώς!)

 Ή, Λn = Ν √ (Γ2 + S2); μεγάλο0 = √ (Γ2 + S2)

L0 αντιπροσωπεύει τη διάσταση του σύρματος μεταξύ δύο ελικοειδών βρόχων. Δίνει πραγματικά το μήκος.

Το C αντιπροσωπεύει ολόκληρη την περιφέρεια ενός σπειροειδούς βρόχου, και δίνεται από -> π Δ.

Υπάρχει μια άλλη παράμετρος της κεραίας ή της ελικοειδούς κεραίας, η οποία είναι επίσης πολύ σημαντική. Αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό αλφάβητο άλφα (α) και ορίζεται ως «γωνία κλίσης». Αυτή η γωνία είναι γενικά η μέτρηση της γωνίας της γραμμής - κανονική στο σύρμα έλικα και απότομη γείωση στον άξονα έλικα. Η μαθηματική έκφραση δίνεται παρακάτω.

α = μαύρισμα-1 (S / C)

ή, α = μαύρισμα-1 (S / π D)

Παρατηρώντας προσεκτικά την εξίσωση, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι όταν η γωνία τείνει σε 0 μοίρες, η περιέλιξη καταπατείται. Ως αποτέλεσμα, η ελικοειδής κεραία μειώνεται και γίνεται παρόμοια με μια απλή κεραία βρόχου. Και πάλι, όταν η γωνία γίνεται 90 μοίρες, η κεραία γίνεται γραμμικό σύρμα. Όταν η γωνία είναι μικρότερη από 90 μοίρες και μεγαλύτερη από 0 μοίρες, τότε μια πρακτική έλικα έχει πεπερασμένη τιμή περιφέρειας.

Οι αρχιτεκτονικές παράμετροι μπορούν να αλλάξουν τις ιδιότητες ακτινοβολίας των ελικοειδών κεραιών. Ο έλεγχος των γεωμετρικών παραμέτρων θα μεταβάλλει τις ιδιότητες ακτινοβολίας που σχετίζονται με το μήκος κύματος. Η σύνθετη αντίσταση εισόδου έχει σχέση με τη γωνία βήματος και το μέγεθος του αγωγού, ως αλλαγή στις τιμές γωνίας βήματος και το μέγεθος του σύρματος θα αλλάξει τις τιμές σύνθετης αντίστασης εισόδου.

Η ελικοειδής κεραία εμφανίζει συνήθως ελλειπτική πόλωση, αν και μπορεί να σχεδιαστεί για να δείχνει κυκλική και γραμμική πόλωση.

Λειτουργικοί τρόποι

Οι κεραίες Helix έχουν την ικανότητα να λειτουργούν σε πολλούς τύπους τρόπων λειτουργίας. Υπάρχουν δύο σημαντικοί και ουσιαστικοί τρόποι λειτουργίας που θα συζητήσουμε λεπτομερώς στο τελευταίο μέρος αυτού του άρθρου. Οι δύο τρόποι είναι -

Τα τρισδιάστατα σχήματα και των δύο τύπων τρόπου λειτουργίας δίνονται παρακάτω.

Λειτουργίες
Σχέδιο ακτινοβολίας της κανονικής και αξονικής λειτουργίας της ελικοειδούς κεραίας. Πιστωτική εικόνα - ocw.ump

Όπως μπορούμε να δούμε στην τυπική εικόνα, έχει ένα μέγιστο σε ένα φανταστικό επίπεδο που είναι φυσιολογικό στον άξονα και το μηδέν του είναι κατά μήκος του άξονα. Το μοτίβο ισχύος έχει στενή ομοιότητα με το σχήμα του κυκλικού βρόχου.

Τώρα, το μέγιστο είναι κατά μήκος της έλικα για τη λειτουργία τερματισμού πυρκαγιάς και το μοτίβο ισχύος είναι παρόμοιο με τη διάταξη τερματισμού πυρκαγιάς. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η λειτουργία ονομάζεται «Λειτουργία τερματισμού πυρκαγιάς».

Ο αξονικός τρόπος λειτουργίας έχει μεγαλύτερη προτίμηση σε σχέση με τον τυπικό τρόπο λειτουργίας, επειδή είναι πιο ρεαλιστικός ή πρακτικός, έχει καλύτερη απόδοση και μπορεί να δείξει κυκλική πόλωση με ευρύτερο εύρος ζώνης. Μια ελλειπτικά πολωμένη κεραία μπορεί να περιγραφεί ως άθροισμα των δύο εξωτερικών επενδεδυμένων μηχανισμών στο τετραγωνικό φάσης-χρόνου.

Τι κάνει μια γραμμή μετάδοσης; Εξερευνώ!

Κανονική λειτουργία των κεραιών Helix

Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, η ελικοειδής λειτουργία της κεραίας έχει τη μέγιστη ακτινοβολία της κατευθύνεται σε επίπεδο κανονικό προς τον άξονα έλικα και η μηδενική ακτινοβολία βρίσκεται κατά μήκος του άξονα της. Ο κανονικός τρόπος λειτουργίας της ελικοειδούς κεραίας ή της λειτουργίας ευρυγώνιας λειτουργίας επιτυγχάνεται συγκρίνοντας το μήκος κύματος, δηλαδή NL0 << λ0.

Η αρχιτεκτονική έλικα καταλήγει σε ένα βρόχο διαμέτρου D καθώς η γωνία βήματος φτάνει στο 0 σε ένα επενδεδυμένο σύρμα με μήκος S ενώ πλησιάζει τους 90 μοίρες Όχι, καθώς η γεωμετρία της έλικας, έγινε βρόχος και δίπολο, η ακτινοβολία ακραίου πεδίου σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας μπορεί να αναπαρασταθεί αντίστοιχαϕ και Εϴ συστατικά του διπόλου και του σπειροειδούς βρόχου.

Η έλικα μπορεί να περιγραφεί ως Ν αριθμός μικρών βρόχων και ο ίδιος αριθμός μικρών διπόλων. Συνδέονται μεταξύ τους κατά σειρά. Οι αρένες υπολογίζονται χρησιμοποιώντας την υπέρθεση των άλλων πεδίων από τα στοιχειώδη μέρη. Οι άξονες του βρόχου και οι άξονες του διπόλου συμπίπτουν με τον άξονα της έλικας.

Καθώς αυτό το μοντέλο έχει μικρές διαστάσεις, το ρεύμα θεωρείται σταθερό. Η λειτουργία του μπορεί να οριστεί με το άθροισμα των πεδίων που ακτινοβολούνται από μικρότερους βρόχους, που έχουν διάμετρο D και ένα κοντό δίπολο που έχει μήκος S.

Το ηλεκτρικό πεδίο μακρινών πεδίων δίνεται ως -

Eϴ = j * η * k * I0 * S * ε-jkr Sinϴ / 4πr

Το Εϕ μέρος δίνεται από -

Eϕ = η * κ2 * (Δ / 2)2 * ΕΓΩ0 * e-jkr Sinϴ / 4r

Η αναλογία Eϴ και Eϕ δίνει την αξονική αναλογία. Η μαθηματική έκφραση δίνεται παρακάτω.

AR = | μιϴ | / | μιϕ |

Ή, AR = 4S / πkD2

Ή, AR = 2λS / (πD)2

Η γωνία βήματος δίνεται ως - α = μαύρισμα-1 (π D / 2λ0)

Αξονικός τρόπος λειτουργίας για την ελικοειδή κεραία

Ο αξονικός τρόπος λειτουργίας έχει μεγαλύτερη προτίμηση από τον τυπικό τρόπο λειτουργίας, επειδή είναι πιο ρεαλιστικός ή πρακτικός, έχει καλύτερη απόδοση και μπορεί να δείξει κυκλική πόλωση με ευρύτερο εύρος ζώνης.

          Αυτή η λειτουργία επιτυγχάνεται με τη ρύθμιση μεγάλων S και D. Υπάρχουν ορισμένες απαιτήσεις για την επίτευξη κυκλικής πόλωσης. Το εύρος της περιφέρειας της έλικας θα πρέπει να βρίσκεται στο παρακάτω δεδομένο εύρος.

4/3> λ0/ C> ¾

Η γωνία βήματος έχει επίσης περιορισμένο εύρος. Το εύρος της γωνίας βήματος δίνεται παρακάτω.

12o ≤ α ≤ 14o

Το εύρος τερματικής σύνθετης αντίστασης για αυτόν τον τρόπο λειτουργίας είναι μεταξύ εκατό ωμ και διακόσια ωμ.

Η ακόλουθη μαθηματική λειτουργία υπολογίζει το κέρδος. Για την ακόλουθη εξίσωση, το S δίνει την απόσταση μεταξύ δύο στροφών και το Ν αντιπροσωπεύει τον συνολικό αριθμό στροφών σε μια ελικοειδή κεραία.

G = 15 (C / λ) 2 * (NS / λ)

Το εύρος ζώνης μισής ισχύος της ελικοειδούς κεραίας για αυτόν τον τρόπο λειτουργίας δίνεται ακολουθώντας μαθηματική έκφραση.

HPBW = 52 / [(C / λ) * √ {(NS / λ)}]

Το πλήρες μηδενικό εύρος ζώνης της ελικοειδούς κεραίας για αυτόν τον τρόπο λειτουργίας δίνεται ακολουθώντας μαθηματική έκφραση.

FNBW = 115 λ3/2 / C * √ (NS)

Δείτε το μοτίβο ακτινοβολίας της κεραίας Yagi Uda!

Σχέδιο ελικοειδούς κεραίας

  • Η αντίσταση εισόδου αντιπροσωπεύεται ως «R». Η μαθηματική εξίσωση για το «R» είναι - R = 140 (C / λ0).
  • Το εύρος ζώνης μισής ισχύος της ελικοειδούς κεραίας για αυτόν τον τρόπο λειτουργίας δίνεται ακολουθώντας μαθηματική έκφραση. Έχει την ακρίβεια περίπου συν-μείον είκοσι τοις εκατό. Είναι μια μέτρηση της γωνίας και έχει μια μονάδα σε μοίρες.

HPBW = 52 λ3/2 / C * √ (NS)

  • Το πλήρες μηδενικό εύρος ζώνης της ελικοειδούς κεραίας για αυτόν τον τρόπο λειτουργίας δίνεται ακολουθώντας μαθηματική έκφραση. Αντιπροσωπεύει το μέτρο του εύρους δέσμης μεταξύ των Nulls. Έχει επίσης μονάδα σε μοίρες.

FNBW = 115 λ3/2 / C * √ (NS)

  • Το D0 αντιπροσωπεύει την κατευθυντικότητα της κεραίας. Η μαθηματική εξίσωση είναι -

D0 = 15 * N * C2S / λ03

  • Ο ακόλουθος μαθηματικός όρος δίνει το Axial Ratio ή το AR.

AR = 2N + 1 / 2N

  • Οι ακόλουθες εκφράσεις δίνουν το γενικευμένο μοτίβο μακρινών πεδίων.

E = sin (π / 2N) cosϴ sin [(N / 2) * Ψ] / sin (Ψ / 2)

Το Ψ δίνεται από μια άλλη μαθηματική εξίσωση, και αυτό δίνεται περαιτέρω ως Ψ = κ0[S * cos ϴ - (Λ0/Π)]

                    Η τιμή του «p» για τη γενική συστοιχία end-fire είναι

p = (Λ0/ λ0) * (S / λ0 + 1)

                    Η τιμή του «p» για την ακτινοβολία Hansen-woodyard είναι πυρκαγιά

                                        p = (Λ0/ λ0) * [S / λ0 + {(2N + 1) / 2N)}]

Εφαρμογές ελικοειδών κεραιών

Η ελικοειδή κεραία έχει πολλές εφαρμογές στις σύγχρονες τεχνολογίες επικοινωνίας. Έχει μερικές μοναδικές εφαρμογές λόγω του σχεδιασμού και των προτύπων ακτινοβολίας. Μερικές από τις εφαρμογές σπειροειδούς κεραίας παρατίθενται παρακάτω.

Απόκτηση Traqueur

Μια δορυφορική ελικοειδή κεραία παρακολούθησης,

Πιστωτική εικόνα - ΚινγκμπάσταρντΑπόκτηση TraqueurCC BY-SA 3.0

  • Οι ελικοειδείς κεραίες είναι αποτελεσματικές στην ακτινοβολία σημάτων εύρους πολύ υψηλής συχνότητας.
640 εικονοστοιχεία UHF CB με εκτεθειμένο λάστιχο
Μια πολύ κοινή μορφή ελικοειδούς κεραίας, Image Credit - Σούτεντεβγκρου at Αγγλικά WikipediaUHF CB με καουτσούκ ducky εκτεθειμένοCC BY-SA 3.0
  • Οι ελικοειδείς κεραίες χρησιμοποιούνται συχνά για διαστημικές επικοινωνίες και δορυφορικές επικοινωνίες.
  • Οι επικοινωνίες μεταξύ δύο πλανητών είναι δυνατές λόγω αυτών των τύπων κεραιών.