Was ist eine Wendelantenne?
Eine Helixantenne, auch Wendelantenne genannt, ist eine Drahtantenne, die durch Aufwickeln eines leitfähigen Drahtes oder Rohres zu einer dreidimensionalen Helix geformt wird. Ein Ende der Helix ist üblicherweise mit dem Innenleiter der Zuleitung verbunden, während der Außenleiter mit einer metallischen Grundplatte oder einem Reflektor verbunden ist.
Durch ihre besondere Geometrie kann die Antenne in verschiedenen Strahlungsmodi betrieben werden, abhängig vom Verhältnis zwischen den Helixabmessungen und der Betriebswellenlänge.
Zu diesen Modi gehört deraxialer ModusIn der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik ist die Wendelantenne besonders wichtig, da sie gerichtete Strahlung, eine relativ große Bandbreite und zirkulare Polarisation ermöglicht. Diese Eigenschaften machen Wendelantennen nützlich für Satellitenverbindungen, Telemetrie, Ortung, Weltraumkommunikation, Radioastronomie und andere Anwendungen, bei denen sich die Antennenausrichtung ändern kann.
Die Betriebsfrequenz einer Wendelantenne ist nicht auf ein festes Frequenzband beschränkt. Sie wird vielmehr primär durch ihre physikalischen Abmessungen im Verhältnis zur Wellenlänge bestimmt. Wendelantennen können daher sowohl für VHF- und UHF-Systeme als auch für höherfrequente HF- und Mikrowellenanwendungen ausgelegt werden.
Abbildung 1. Beispiel für Wendelantennen, die in einem Richtkommunikationssystem verwendet werden.
Grundstruktur einer Wendelantenne
Eine typische Wendelantenne besteht aus vier Hauptteilen:
- Wendelleiter
- Grundfläche oder Reflektor
- HF-Einspeisepunkt
- Mechanische Stützstruktur
Die Helix besteht üblicherweise aus Kupferdraht, -rohr oder einem anderen leitfähigen Material. Ein Ende ist mit dem Innenleiter einer Koaxialleitung verbunden, während der Außenleiter der Koaxialleitung elektrisch mit der Massefläche verbunden ist.
Die Grundfläche trägt zur Steuerung der Strahlungsrichtung bei und ist Bestandteil der Antennenspeisestruktur. In der Praxis können ihre Abmessungen die Impedanz, das Vor-/Rückverhältnis und das resultierende Strahlungsdiagramm maßgeblich beeinflussen.
Mehrere geometrische Parameter bestimmen das elektrische Verhalten der Antenne:
- D — Helixdurchmesser
- C – Umfang einer Umdrehung
- S — Abstand zwischen benachbarten Kurven
- N — Anzahl der Umdrehungen
- α — Nickwinkel
- L — Gesamte axiale Länge
Der Umfang beträgt:
[C=\pi D]
Der Nickwinkel kann wie folgt ausgedrückt werden:
[\alpha=\tan^{-1}\left(\frac{S}{\pi D}\right)]
Diese Parameter können nicht unabhängig voneinander betrachtet werden, da die Änderung einer Dimension die Impedanz, Polarisation, Strahlbreite, Verstärkung und Betriebsfrequenz der Antenne verändert.
Abbildung 2. Typischer Aufbau einer Wendelantenne mit Wendelleiter und Grundflächenreflektor.
Zwei Hauptstrahlungsarten
Eine der interessantesten Eigenschaften einer Wendelantenne ist, dass die gleiche Grundstruktur je nach ihrer elektrischen Größe sehr unterschiedliche Strahlungsmuster erzeugen kann.
Die beiden üblicherweise diskutierten Betriebsarten sind:
- Normalmodus
- Axialmodus
Das Verständnis des Unterschieds zwischen diesen beiden Betriebsarten ist bei der Auswahl oder dem Entwurf einer Wendelantenne unerlässlich.
Normalmodus-Helixantenne
In NormalmodusDer Gesamtdurchmesser und der Abstand der Helix sind im Vergleich zur Wellenlänge elektrisch klein.
Die Strahlung ist primär annähernd senkrecht zur Helixachse gerichtet, nicht parallel zu ihr. Das elektromagnetische Verhalten lässt sich als Kombination der Felder eines kurzen elektrischen Dipols und einer kleinen Schleife verstehen.
Je nach Geometrie der Helix, Steigungswinkel, Speiseanordnung und Beobachtungsrichtung kann die resultierende Polarisation linear, elliptisch oder bei bestimmten Ausführungen nahezu kreisförmig sein.
Normalmoden-Helixantennen sind typischerweise kompakt, aber ihre elektrisch kleinen Abmessungen führen zu einem relativ geringen Strahlungswiderstand. Dies kann zu einer geringeren Strahlungseffizienz und einer schmaleren Bandbreite als bei einer Axialmoden-Antenne führen.
Sie sind daher nützlich, wenn die Antennengröße eine große Einschränkung darstellt und kein sehr hoher Gewinn erforderlich ist.
Abbildung 3. Beispielhaftes Strahlungsdiagramm einer Helixantenne im Normalmodus.
Axialmodus-Helixantenne
Deraxialer ModusDie sogenannte Endfeuer-Konfiguration wird am häufigsten mit Hochleistungs-Helixantennen in Verbindung gebracht.
In diesem Modus wird die elektromagnetische Energie hauptsächlich entlang der Achse der Helix abgestrahlt und bildet einen gerichteten Strahl.
Ein typisches Design im Axialmodus verwendet einen Helixumfang, der in etwa einer Wellenlänge entspricht:
[C \approx \lambda]
Der Kurvenabstand beträgt oft etwa:
[S \approx 0.2\lambda \text{ to } 0.3\lambda]
Ein üblicher Ausgangspunkt ist etwa eine Viertelwellenlänge.
Bei vielen herkömmlichen Axialmodus-Konstruktionen werden häufig Nickwinkel um 12°–14° verwendet.
Unter geeigneten geometrischen Bedingungen überlagern sich die durch aufeinanderfolgende Windungen erzeugten Felder konstruktiv entlang der Helixachse. Dadurch entsteht ein gerichteter Strahl mit zirkularer oder nahezu zirkularer Polarisation.
Die Anzahl der Windungen beeinflusst auch die Antennenleistung. Eine Erhöhung der Windungszahl kann im Allgemeinen die Richtwirkung und den Gewinn steigern, gleichzeitig aber den Hauptstrahl verengen. Bei der praktischen Auslegung müssen jedoch auch die mechanische Länge, die Leiterverluste, die Impedanzanpassung und die Installationsbedingungen berücksichtigt werden.
Abbildung 4. Beispielhaftes Strahlungsdiagramm einer axialen Helixantenne mit gerichtetem Hauptstrahl.
Rechts- und linkszirkulare Polarisation
Einer der größten Vorteile einer axialen Helixantenne ist ihre natürliche Fähigkeit, zirkulare Polarisation zu erzeugen.
Je nach Wicklungsrichtung und Abstrahlrichtung kann eine Helix so konstruiert sein, dass sie entweder Folgendes erzeugt:
- RHCP – Rechtszirkulare Polarisation
- LHCP – Linkszirkulare Polarisation
Zirkulare Polarisation ist besonders nützlich, wenn die relative Ausrichtung zwischen Sende- und Empfangsantenne nicht konstant bleiben kann.
Beispielsweise können Satelliten, Raumfahrzeuge, Flugplattformen, rotierende Systeme und mobile Kommunikationsgeräte ihre Ausrichtung ständig ändern. Eine zirkular polarisierte Antenne kann die Empfindlichkeit der Kommunikationsverbindung gegenüber dieser Winkeländerung verringern.
Die Anpassung der Polarisation ist weiterhin wichtig. Eine RHCP-Antenne kommuniziert idealerweise mit einer anderen RHCP-Antenne, während eine LHCP-Antenne normalerweise mit einer anderen LHCP-Antenne kombiniert werden sollte. Entgegengesetzte zirkulare Polarisationen können zu erheblichen Polarisationsverlusten führen.
Für die technische Bewertung,AchsenverhältnisDas Achsenverhältnis wird häufig zur Beschreibung der Qualität zirkular polarisierter Wellen verwendet. Eine ideale zirkular polarisierte Welle hat ein Achsenverhältnis von 0 dB, während in der Praxis zirkular polarisierte Antennen oft anhand einer vorgegebenen Anforderung an das Achsenverhältnis über den gewünschten Frequenz- und Winkelbereich bewertet werden.
Faktoren, die die Leistung von Wendelantennen beeinflussen
Das Verhalten einer Wendelantenne hängt eng mit ihrer Geometrie zusammen.
Wichtige Konstruktionsparameter sind:
Helixumfang
Das Verhältnis zwischen Umfang und Wellenlänge spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung, ob die Antenne im Normalmodus oder im Axialmodus arbeitet.
Abstände zwischen den Kurven
Der Abstand beeinflusst die Phasenbeziehung zwischen den Strömen in benachbarten Windungen und somit die Strahlrichtung, die Impedanz und die Polarisation.
Nickwinkel
Der Steigungswinkel beschreibt, wie schnell sich die Helix entlang ihrer Achse bewegt. Er ist ein wichtiger Parameter für die Aufrechterhaltung eines stabilen axialen Modenverhaltens.
Anzahl der Züge
Mehr Windungen erhöhen im Allgemeinen die elektrische Apertur und können eine höhere Richtwirkung erzielen, aber sie erhöhen auch die Antennenlänge und die mechanische Komplexität.
Grundebene
Die Größe und Form des Reflektors beeinflussen das Vorwärtsstrahlungsmuster, die Impedanz und die Rückwärtsstrahlung.
Speise- und Impedanzanpassung
Selbst bei korrekten Helixabmessungen kann eine mangelhafte Impedanzanpassung die reflektierte Leistung erhöhen und die Antennenleistung verringern. In der Praxis müssen daher neben den Strahlungseigenschaften auch die Rückflussdämpfung bzw. das Stehwellenverhältnis (VSWR) berücksichtigt werden.
Strahlungsmuster und Verstärkung
Im axialen Modus erzeugt eine Wendelantenne einen Hauptstrahl, der annähernd entlang der Wendelachse zentriert ist.
Mit zunehmender elektrischer Länge und Windungszahl verengt sich der Hauptstrahl im Allgemeinen, und die Richtwirkung der Antenne nimmt zu. Insbesondere bei längeren oder nicht optimierten Strukturen können auch Nebenkeulen auftreten.
Die Antenne sollte daher nicht allein anhand ihrer Verstärkung bewertet werden. Ingenieure berücksichtigen üblicherweise mehrere Eigenschaften gemeinsam:
- Gewinnen
- Realisierter Gewinn
- Halbwertsbreite
- Achsenverhältnis
- VSWR oder Rückflussdämpfung
- Vorder-/Rückseitenverhältnis
- Nebenkeulenpegel
- Polarisationsreinheit
- Strahlungseffizienz
Diese Kombination von Parametern liefert ein wesentlich umfassenderes Bild der Antennenleistung als ein einzelner Verstärkungswert.
Vorteile von Wendelantennen
Helixantennen bieten mehrere nützliche technische Vorteile:
- Relativ einfache mechanische Konstruktion
- Natürliche Zirkularpolarisationsfähigkeit im axialen Modus
- Nutzbare Betriebsbandbreite
- Gutes Richtungsverhalten
- Skalierbare Geometrie für verschiedene Frequenzbereiche
- Flexible RHCP- oder LHCP-Implementierung
- Geeignet für Einzelantennen oder Antennenarrays
Konstruktionsbeschränkungen
Es sind außerdem mehrere Faktoren zu berücksichtigen:
- Axialmodus-Designs können eine erhebliche physikalische Länge erfordern.
- Höhere Verstärkung erfordert normalerweise mehr Windungen und somit eine längere Antenne.
- Die Leistung hängt stark von der geometrischen Genauigkeit ab.
- Die Abmessungen der Grundfläche beeinflussen die Strahlungseigenschaften
- Die Speisezuordnung muss ordnungsgemäß ausgelegt sein.
- Die mechanische Unterstützung gewinnt bei höheren Umdrehungszahlen an Bedeutung.
- Entgegengesetzte Zirkularpolarisationsrichtungen können hohe Polarisationsfehlanpassungsverluste verursachen.
Typische Anwendungen
Helixantennen finden sich in einer Vielzahl von HF-Systemen, darunter:
- Satellitenkommunikation
- Telemetrie und Verfolgung von Raumfahrzeugen
- Bodenstationskommunikation
- Radioastronomie
- Luftgestützte und raumfahrttechnische Kommunikationssysteme
- HF-Telemetrie
- Richtfunkverbindungen im VHF- und UHF-Bereich
- Fernerkundung
- Antennenmessung und -forschung
- Experimente zur zirkularen Polarisation
- Testen des Kommunikationssystems
Warum Wendelantennen in der Hochfrequenztechnik wichtig sind
Die Wendelantenne ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie die Antennengeometrie das elektromagnetische Verhalten beeinflusst.
Durch die Änderung von Parametern wie Umfang, Abstand, Neigungswinkel und Windungszahl können Ingenieure von einem kompakten Breitseitenstrahler zu einer gerichteten, zirkular polarisierten Antenne übergehen.
Dieser Zusammenhang zwischen physikalischer Geometrie und elektrischer Leistung ist auch bei der Untersuchung fortgeschrittenerer Antennentechnologien wie zirkular polarisierten Hornantennen, Antennenarrays, Satellitenantennen, Breitbandmessantennen und Mikrowellenkommunikationssystemen von Bedeutung.
RF MISO entwickelt Antennen und Mikrowellenkomponenten für HF-Tests, Kommunikation, Radar, Antennenmessung und Systemintegration. Das Verständnis grundlegender Antennenstrukturen wie der Helixantenne hilft Ingenieuren, wichtige Parameter wie Frequenzbereich, Verstärkung, Polarisation, Achsenverhältnis, Strahlbreite, Stehwellenverhältnis (VSWR) und Strahlungsdiagramm besser zu bewerten.
Um mehr über Antennen zu erfahren, besuchen Sie bitte:
Veröffentlichungsdatum: 07.08.2026
