Chì ghjè un'antenna elicoidale?
Un'antenna elicoidale, cunnisciuta ancu cum'è antenna à elica, hè un'antenna à filu furmata avvolgendu un filu o un tubu conduttivu in una elica tridimensionale. Una estremità di l'elica hè nurmalmente cunnessa à u cunduttore cintrali di a linea di alimentazione, mentre chì u cunduttore esternu hè cunnessu à un pianu di terra metallicu o riflettore.
A so geometria distintiva permette à l'antenna di funziunà in diverse modalità di radiazione secondu a relazione trà e dimensioni di l'elica è a lunghezza d'onda operativa.
Trà sti modi, umodu assialehè particularmente impurtante in l'ingegneria RF è microonde perchè pò furnisce radiazione direzionale, larghezza di banda relativamente larga è polarizazione circulare. Queste caratteristiche rendenu l'antenne elicoidali utili in i cullegamenti satellitari, a telemetria, u tracciamentu, a cumunicazione spaziale, a radioastronomia è altre applicazioni induve l'orientazione di l'antenna pò cambià.
A frequenza di funziunamentu di un'antenna elicoidale ùn hè micca limitata à una banda fissa. Invece, hè principalmente determinata da e so dimensioni fisiche relative à a lunghezza d'onda. E strutture elicoidali ponu dunque esse cuncepite per sistemi VHF è UHF, è ancu per applicazioni RF è microonde à alta frequenza.
Figura 1. Esempiu d'antenne elicoidali aduprate in un sistema di cumunicazione direzionale.
Struttura basica di un'antenna elicoidale
Un'antenna elicoidale tipica hè cumposta da quattru parti principali:
- Conduttore elicoidale
- Pianu di terra o riflettore
- Puntu di alimentazione RF
- Struttura di supportu meccanicu
L'elica hè cumunamente fatta di filu di rame, tubi, o un altru materiale conduttivu. Una estremità hè cunnessa à u cunduttore cintrali di una linea di trasmissione cuassiale, mentre chì u cunduttore esternu cuassiale hè cunnessu elettricamente à u pianu di terra.
U pianu di terra aiuta à cuntrullà a direzzione di a radiazione è agisce cum'è parte di a struttura di alimentazione di l'antenna. In i disinni pratichi, e so dimensioni ponu influenzà significativamente l'impedenza, e prestazioni fronte-retro è u diagramma di radiazione risultante.
Parechji parametri geometrichi determinanu u cumpurtamentu elettricu di l'antenna:
- D — Diametru di l'elica
- C — Circunferenza di una volta
- S — Spaziu trà e spire adiacenti
- N — Numeru di giri
- α — Angulu di pitch
- L — Lunghezza assiale tutale
A circunferenza hè:
[C=\π D]
L'angulu di pitch pò esse espressu cum'è:
[\alpha=\tan^{-1}\left(\frac{S}{\pi D}\right)]
Questi parametri ùn ponu esse cunsiderati indipindentamente perchè cambià una dimensione altera l'impedenza, a polarizazione, a larghezza di u fasciu, u guadagnu è a frequenza operativa di l'antenna.
Figura 2. Struttura tipica di l'antenna elicoidale cù cunduttore elicoidale è riflettore di u pianu di terra.
Dui Modi di Radiazione Principali
Una di e caratteristiche più interessanti di un'antenna elicoidale hè chì a stessa struttura basica pò pruduce mudelli di radiazione assai diversi secondu a so dimensione elettrica.
I dui modi operativi cumunimenti discussi sò:
- Modu nurmale
- Modu assiale
Capisce a differenza trà sti dui modi hè essenziale quandu si sceglie o si cuncepisce un'antenna elicoidale.
Antenna Elicoidale in Modu Normale
In modu nurmale, u diametru generale è a spaziatura di l'elica sò elettricamente chjuchi paragunati à a lunghezza d'onda.
A radiazione hè principalmente diretta apprussimatamente perpendicolarmente à l'asse di l'elica piuttostu chè longu à questu. U cumpurtamentu elettromagneticu pò esse capitu cum'è una cumbinazione di i campi prudutti da un dipolo elettricu cortu è un picculu circuitu.
Sicondu a geometria di l'elica, l'angulu di pitch, a dispusizione di l'alimentazione è a direzzione d'osservazione, a polarizazione risultante pò esse lineare, ellittica, o in certi disinni vicinu à circulare.
L'eliche in modu nurmale sò tipicamente compatte, ma e so dimensioni elettricamente chjuche risultanu in una resistenza à a radiazione relativamente bassa. Questu pò purtà à una efficienza di radiazione più bassa è à una larghezza di banda più stretta cà un disignu in modu assiale.
Sò dunque utili quandu a dimensione di l'antenna hè una limitazione maiò è ùn hè micca necessariu un guadagnu assai altu.
Figura 3. Diagramma di radiazione illustrativu di un'antenna elicoidale di modu nurmale.
Antenna Elicoidale in Modu Assiale
Umodu assiale, qualchì volta chjamata modalità end-fire, hè a cunfigurazione più cumunemente assuciata à l'antenne elicoidali d'alte prestazioni.
In questu modu, l'energia elettromagnetica hè irradiata principalmente longu l'asse di l'elica, furmendu un fasciu direzionale.
Un cuncepimentu tipicu di modu assiale usa una circunferenza di l'elica apprussimativamente paragunabile à una lunghezza d'onda:
[C ∫circa λ]
A distanza di i giri hè spessu intornu à:
[S \circa 0,2\lambda \text{ à } 0,3\lambda]
cù circa un quartu di lunghezza d'onda essendu un puntu di partenza cumunu.
Per parechji disinni cunvinziunali in modu assiale, l'anguli di pitch intornu à 12°-14° sò spessu usati.
Sott'à cundizioni geometriche adatte, i campi generati da giri successivi si combinanu costruttivamente longu l'asse di l'elica. Questu produce un fasciu direzionale inseme cù una polarizazione circulare o quasi circulare.
U numeru di giri affetta ancu e prestazioni di l'antenna. Aumentà u numeru di giri pò generalmente aumentà a direttività è u guadagnu mentre si restringe u fasciu principale, ancu se i disinni pratichi devenu ancu cunsiderà a lunghezza meccanica, a perdita di u cunduttore, l'adattamentu d'impedenza è i vincoli d'installazione.
Figura 4. Diagramma di radiazione illustrativu di l'antenna elicoidale in modu assiale cù un fasciu principale direzionale.
Polarizazione circulare à diritta è à manca
Unu di i principali vantaghji di un'antenna elicoidale in modu assiale hè a so capacità naturale di generà polarizazione circulare.
Sicondu a direzzione di l'avvolgimentu è a direzzione di a radiazione, una elica pò esse cuncipita per pruduce:
- RHCP — Polarizazione Circulare à Destra
- LHCP — Polarizazione Circulare à Manca
A polarizazione circulare hè particularmente utile quandu l'orientazione relativa trà l'antenne di trasmissione è di ricezione ùn pò micca stà fissa.
Per esempiu, i satelliti, i veiculi spaziali, e piattaforme aeree, i sistemi rotanti è l'apparecchiature di cumunicazione mobile ponu cambià continuamente l'orientazione. Un'antenna à polarizazione circulare pò riduce a sensibilità di u ligame di cumunicazione à sta variazione angulare.
A currispundenza di polarizazione hè sempre impurtante. Un'antenna RHCP cumunica idealmente cù un'antenna RHCP, mentre chì un'antenna LHCP deve esse nurmalmente accoppiata cù un'antenna LHCP. Polarizazioni circulari opposte ponu purtà à una perdita di polarizazione significativa.
Per a valutazione ingegneristica,rapportu assialehè cumunamente adupratu per discrive a qualità di a polarizazione circulare. Un'onda ideale polarizzata circularmente hà un rapportu assiale di 0 dB, mentre chì l'antenne pratiche polarizzate circularmente sò spessu valutate contr'à un requisitu di rapportu assiale specificatu in tutta a frequenza desiderata è a gamma angulare.
Fattori chì influenzanu e prestazioni di l'antenna elicoidale
U cumpurtamentu di un'antenna elicoidale hè strettamente ligatu à a so geometria.
I parametri di cuncepimentu impurtanti includenu:
Circunferenza di l'elica
A relazione trà a circunferenza è a lunghezza d'onda ghjoca un rolu maiò per determinà se l'antenna funziona in modu nurmale o in modu assiale.
Spaziatura di e svolte
A spaziatura affetta a relazione di fase trà e currenti nantu à e spire adiacenti è dunque influenza a direzzione di u fasciu, l'impedenza è a polarizazione.
Angulu di pitch
L'angulu di pitch descrive a rapidità cù a quale l'elica avanza longu u so asse. Hè un parametru impurtante per mantene un cumpurtamentu stabile in modu assiale.
Numeru di giri
Più giri generalmente aumentanu l'apertura elettrica è ponu furnisce una direttività più alta, ma aumentanu ancu a lunghezza di l'antenna è a cumplessità meccanica.
Pianu di terra
A dimensione è a forma di u riflettore influenzanu u diagramma di radiazione diretta, l'impedenza è a radiazione inversa.
Corrispondenza di l'alimentazione è di l'impedenza
Ancu cù dimensioni currette di l'elica, una mala adattazione di l'impedenza pò aumentà a putenza riflessa è riduce e prestazioni di l'antenna realizate. I disinni pratichi devenu dunque valutà a perdita di ritornu o VSWR inseme cù e caratteristiche di radiazione.
Schema di radiazione è guadagnu
In modu assiale, un'antenna elicoidale produce un fasciu principale centratu apprussimatamente longu l'asse di l'elica.
À misura chì a lunghezza elettrica è u numeru di spire aumentanu, u fasciu principale diventa generalmente più strettu è a direttività di l'antenna aumenta. I lobi laterali ponu ancu cumparisce, in particulare in strutture più lunghe o micca ottimizzate.
L'antenna ùn deve dunque micca esse valutata solu per u guadagnu. L'ingegneri cunsideranu nurmalmente parechje caratteristiche inseme:
- Guadagnu
- Guadagnu realizatu
- Larghezza di u fasciu à meza putenza
- Rapportu assiale
- VSWR o perdita di ritornu
- Rapportu fronte-retro
- Livellu di i lobi laterali
- Purità di polarizazione
- Efficienza di radiazione
Questa cumbinazione di parametri furnisce un quadru assai più cumpletu di e prestazioni di l'antenna chè un solu valore di guadagnu.
Vantaghji di l'antenne elicoidali
L'antenne elicoidali offrenu parechji vantaghji ingegneristici utili:
- Custruzzione meccanica relativamente simplice
- Capacità di polarizazione circulare naturale in modu assiale
- Larghezza di banda operativa utile
- Bona prestazione direzionale
- Geometria scalabile per diverse gamme di frequenza
- Implementazione flessibile di RHCP o LHCP
- Adattu per antenne individuali o array di antenne
Limitazioni di cuncepimentu
Ci sò ancu parechji fattori da cunsiderà:
- I disinni in modu assiale ponu richiede una lunghezza fisica significativa
- Un guadagnu più altu richiede nurmalmente più giri è dunque un'antenna più longa
- U rendiment dipende assai da a precisione geometrica
- E dimensioni di u pianu di terra influenzanu e caratteristiche di a radiazione
- A currispundenza di l'alimentazione deve esse cuncipita currettamente
- U supportu meccanicu diventa più impurtante à un numeru di giri più altu
- I sensi di polarizazione circulare opposti ponu pruduce una perdita di mismatch di polarizazione elevata
Applicazioni tipiche
Antenne elicoidali ponu esse truvate in una larga gamma di sistemi RF, cumpresi:
- Cumunicazione satellitare
- Telemetria è tracciamentu di navi spaziali
- Cumunicazione trà e stazioni terrestri
- Radioastronomia
- Sistemi di cumunicazione aerea è aerospaziale
- Telemetria RF
- Collegamenti VHF è UHF direzionali
- Teledetezione
- Misurazione è ricerca di l'antenna
- Esperimenti di polarizazione circulare
- Test di u sistema di cumunicazione
Perchè l'antenne elicoidali sò impurtanti in l'ingegneria RF
L'antenna elicoidale hè un eccellente esempiu di cume a geometria di l'antenna cuntrolla u cumpurtamentu elettromagneticu.
Cambiendu parametri cum'è a circunferenza, a spaziatura, l'angulu di pitch è u numeru di giri, l'ingegneri ponu passà da un radiatore compactu à latu largu à un'antenna direzionale à polarizazione circulare.
Questa relazione trà a geometria fisica è e prestazioni elettriche hè ancu impurtante quandu si studianu tecnulugie d'antenna più avanzate cum'è antenne à corna polarizzate circularmente, schiere d'antenne, antenne satellitari, antenne di misurazione à banda larga è sistemi di cumunicazione à microonde.
RF MISO sviluppa antenne è cumpunenti à microonde per applicazioni di test RF, cumunicazione, radar, misurazione di antenne è integrazione di sistemi. A comprensione di e strutture fundamentali di l'antenna cum'è l'antenna elicoidale aiuta l'ingegneri à valutà megliu i parametri impurtanti, cumpresi a gamma di frequenza, u guadagnu, a polarizazione, u rapportu assiale, a larghezza di u fasciu, u VSWR è u diagramma di radiazione.
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Data di publicazione: 07 d'aostu 2026
