Spiralantenne

Eine Spiralantenne ist eine spiralförmige Hochfrequenzantenne [ 1 ^{] : 14–2,} die ^erstmals 1956 beschrieben wurde. [ ^{2 ] Archimedische} Spiralantennen sind am weitesten verbreitet, während logarithmische Spiralantennen frequenzunabhängig sind: ^{[ 3 ]} Die Eingangsimpedanz, das Strahlungsmuster und die Polarisation solcher Antennen bleiben über eine große Bandbreite unverändert. ^{[ 4 ]} Spiralantennen sind von Natur aus zirkular polarisiert und weisen eine geringe Verstärkung auf ; Antennenarrays können die Verstärkung erhöhen. Durch die Windungen sind Spiralantennen extrem klein. Verlustbehaftete Hohlräume ^{[ 5 ]} werden üblicherweise auf der Rückseite angebracht, um Rückkeulen zu eliminieren, da bei solchen Antennen in der Regel ein unidirektionales Strahlungsmuster erwünscht ist. Spiralantennen werden in verschiedene Konfigurationen eingeteilt: archimedische Spirale, logarithmische Spirale, quadratische Spirale usw.

Antennen können im Allgemeinen in drei verschiedenen Betriebsarten arbeiten: Wanderwelle, schnelle Welle und Leckwelle. Spiralantennen nutzen alle drei.

Die auf den Spiralarmen entstehende Wanderwelle ermöglicht eine Breitbandleistung. Die schnelle Welle entsteht durch die gegenseitige Kopplung zwischen den Spiralarmen. Die Leckwelle gibt während ihrer Ausbreitung durch die Spiralarme Energie ab und erzeugt so Strahlung.

Die Ringtheorie (Bandtheorie) erklärt das Funktionsprinzip von Spiralantennen. Die Theorie besagt, dass Spiralantennen von einem aktiven Bereich aus strahlen , in dem der Umfang der Spirale der Wellenlänge entspricht. ^{[ 6 ]}

Beim Entwurf einer quadratischen Spiralantenne sind verschiedene Designparameter zu berücksichtigen. Zu diesen Parametern gehören der Windungsabstand , die Armbreite , der Innenradius und der Außenradius . Der Innenradius wird von der Spiralmitte zur Mitte der ersten Windung gemessen, der Außenradius von der Spiralmitte zur Mitte der äußersten Windung. Neben diesen Designparametern weisen Spiralantennen die niedrigsten ( und höchsten ) Betriebsfrequenzen auf. Hierbei entspricht der Lichtgeschwindigkeit im Metall der Antenne, die hauptsächlich durch die elektrische Permittivität des Substrats, auf dem die Spirale liegt, und dessen Beschichtung (falls vorhanden) bestimmt wird. ${\displaystyle s}$${\displaystyle w}$${\displaystyle r_{1}}$${\displaystyle r_{2}}$${\displaystyle f_{\text{low}}=c/2\pi r_{2})}$${\displaystyle (f_{\text{high}}=c/2\pi r_{1})}$${\displaystyle c\leq 299.79{\text{ Mm/s}}=c_{0}}$

In einem Polarkoordinatensystem wächst die Spirale gleichzeitig entlang der x- und y-Achse. Häufig verwendete archemische Spiralen erfüllen eine besonders einfache Gleichung, wobei dem Wachstumsfaktor und dem Multiplikationsfaktor entspricht. Daraus ergibt sich ein gleichmäßiger Abstand zwischen den Windungen, was die Breite der Spiralarme begrenzt, die üblicherweise konstant gehalten wird. Alternativ können auch andere Spiralformen verwendet werden, beispielsweise logarithmische Spiralen , die die Gleichung erfüllen . Die resultierenden Spiralarme weisen in den äußeren Windungen einen größeren Abstand auf, wodurch sich Arme mit deutlicher Verbreiterung besser integrieren lassen. ${\displaystyle (r,\theta )}$${\displaystyle r}$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle r=a+b\,\theta }$${\displaystyle a}$${\displaystyle b}$${\displaystyle r=a+b\,e^{m\theta }}$

Unterschiedliche Designs von Spiralantennen lassen sich erzielen, indem man die Anzahl der Windungen pro Arm, die Anzahl der Arme, die Art der Spirale, den Abstand zwischen den Windungen, die Breite der Arme und das/die umgebende(n) Material(ien), wie zum Beispiel das Substrat, auf dem sie liegt, variiert.

Die Antenne besitzt üblicherweise zwei leitende Spiralarme, die sich vom Zentrum nach außen erstrecken. Die Drehrichtung der Spirale bestimmt die Polarisationsrichtung der Antenne. Zusätzliche Spiralen können ebenfalls vorhanden sein, um eine mehrspiralige Struktur zu bilden. Die Antenne kann eine flache Scheibe sein, deren Leiter zwei locker ineinanderliegenden Uhrfedern ähneln, oder die Spiralen können sich dreidimensional wie ein Schraubengewinde erstrecken.

Der Ausgang einer zwei- oder vierarmigen Spiralantenne ist eine symmetrische Leitung . Soll eine einzelne Eingangs- oder Ausgangsleitung – beispielsweise eine geerdete Koaxialleitung – benötigt werden, wird ein Balun oder ein anderer Transformator hinzugefügt, um die elektrische Form des Signals zu ändern.

Üblicherweise ist die Spirale mit einem Hohlraum versehen – das heißt, hinter der Spirale befindet sich ein Hohlraum aus Luft, nichtleitendem Material oder Vakuum, der von leitfähigen Wänden umgeben ist. Ein Hohlraum mit geeigneter Form und Größe verändert das Antennenmuster so, dass die Antenne nur in eine Richtung, vom Hohlraum weg, sendet und empfängt.

Die Spirale kann auf ein speziell ausgewähltes dielektrisches Medium gedruckt oder geätzt werden, dessen Permittivität die Frequenz bei gegebener Größe beeinflussen kann. Dielektrische Medien wie Rogers RT Duroid tragen zur Verkleinerung der Antenne bei. Dünne Substrate mit höherer Permittivität erzielen dasselbe Ergebnis wie dicke Substrate mit niedrigerer Permittivität. Der einzige Nachteil solcher Materialien ist ihre geringere Verfügbarkeit und die hohen Kosten. ^{[ 7 ]}

Spiralantennen senden zirkular polarisierte Radiowellen aus und empfangen linear polarisierte Wellen in jeder Ausrichtung. Zirkular polarisierte Signale, die mit der entgegengesetzten Drehung empfangen werden, werden jedoch stark gedämpft. Eine Spiralantenne unterdrückt zirkular polarisierte Wellen einer Polarisationsart, empfängt aber Wellen der anderen Polarisation einwandfrei.

Eine Anwendung von Spiralantennen ist die Breitbandkommunikation. Eine weitere Anwendung ist die Überwachung des Frequenzspektrums. Eine einzelne Antenne kann über eine große Bandbreite empfangen, beispielsweise mit einem Frequenzverhältnis von 5:1 zwischen maximaler und minimaler Frequenz. Üblicherweise werden in dieser Anwendung zwei Spiralantennen verwendet, die bis auf die Polarisation identische Parameter aufweisen (eine ist rechtsdrehend, die andere linksdrehend). Spiralantennen eignen sich zur Mikrowellen-Peilung. ^{[ 8 ]}

• „Spiralantenne“ . Antennentheorie .