معرفی آنتن هلیکس (Helix Antenna) و کاربرد آن در GPS

آنتن هلیکس یک روش ساده برای دستیابی به بهره بالا و پهنای باند فرکانسی وسیع است. این آنتن زمانی تابش مؤثری دارد که محیط (دور) هلیکس در حدود یک طول موج باشد و تابش قوی‌ترین حالت خود را در امتداد محور هلیکس نشان می‌دهد. این آنتن عمدتاً جهت‌دار است.

تابش آنتن هلیکس قطبش دایره‌ای دارد؛ به این معنا که میدان الکترومغناطیسی حول محور هلیکس در جهت پیچش هلیکس می‌چرخد. بنابراین، تابش یا قطبش دایره‌ای راست‌گرد (RHCP) خواهد بود یا قطبش دایره‌ای چپ‌گرد (LHCP).

اگر میدان تابشی یک آنتن هلیکس را در جهت حداکثر تابش با یک آنتن ساده مونوپل یا دیپول بررسی کنید، متوجه می‌شوید که شدت سیگنال دریافتی تا زمانی که دیپول عمود بر محور هلیکس باشد، ثابت می‌ماند. در سمت‌های جانبی آنتن هلیکس، میدان قطبش بیضوی (Elliptically Polarized) دارد؛ بنابراین نسبت اجزای افقی و عمودی سیگنال برابر نیست.

نکات مهم برای طراحی بهینه:

• محیط هر دور (C) نزدیک به طول موج، مهم‌ترین پارامتر برای عملکرد خوب در حالت محوری است.
• زاویه پیچش حدود ۱۲٫۵ درجه بهترین تعادل بین بهره و پهنای باند را ایجاد می‌کند.
• فاصله دورها (S) معمولاً کمی کمتر از λ/۴ انتخاب می‌شود تا بهره کمی بیشتر شود.
• قطر سیم فقط برای استحکام مکانیکی مهم است و روی عملکرد الکتریکی تأثیر کمی دارد.

این مقادیر برای حالت محوری (Axial Mode) هستند که بیشترین بهره و جهت‌داری را فراهم می‌کند و معمولاً در فرکانس‌های VHF، UHF و مایکروویو استفاده می‌شود.

ویژگی‌های عملکردی آنتن مارپیچی محوری (Axial Mode Helical Antenna)

فرمول‌های زیر تقریبی و تجربی هستند و عمدتاً بر اساس کارهای جان دی. کراوس (John D. Kraus) – مخترع آنتن مارپیچی – ارائه شده‌اند. این روابط برای آنتن‌هایی با حداقل ۳ دور و پارامترهای نزدیک به بهینه (C ≈ λ، S ≈ ۰٫۲۳λ تا ۰٫۲۵λ، α ≈ ۱۲–۱۴ درجه) معتبر هستند.

• امپدانس ورودی (Input Impedance) Z ≈ 140 × (C/λ) ohms
  توضیح: در حالت محوری، امپدانس تقریباً خالص مقاومتی است. وقتی C ≈ λ، امپدانس حدود ۱۴۰ اهم می‌شود. برای تطبیق با خطوط کواکسیال ۵۰ اهم معمولاً از یک matcher ساده (مانند یک نوار مسی یا ترانسفورماتور کوارترویو) استفاده می‌شود.
• عرض پرتو نیم‌توان (Half-Power Beamwidth – HPBW) HPBW ≈ 52 / ( (C/λ) × √(N × (S/λ)) ) degrees
  توضیح: این مقدار عرض پرتوی ۳ دسی‌بل در جهت محور آنتن را نشان می‌دهد. با افزایش تعداد دورها (N) یا کاهش فاصله بین دورها (S)، پرتو باریک‌تر می‌شود.
• عرض پرتو بین اولین صفرها (Beamwidth Between First Nulls – BWFN) BWFN ≈ 115 / ( (C/λ) × √(N × (S/λ)) ) degrees
  توضیح: عرض پرتو تا اولین صفرهای الگو تقریباً دو برابر HPBW است.
• بهره تقریبی (Directivity / Gain) Gain ≈ 15 × log₁₀ (N × (C/λ) × (S/λ)) + 3 dBi
  توضیح: این فرمول یکی از روابط تجربی معروف کراوس است.
• پهنای باند (Bandwidth) Fractional Bandwidth ≈ 50–70%
  توضیح: آنتن مارپیچی محوری یکی از پهن‌باندترین آنتن‌هاست. محدوده عملیاتی معمولاً جایی است که محیط دور هلیکس بین حدود ۰٫۷۵λ تا ۱٫۳۳λ قرار گیرد (یعنی ۳λ/۴ ≤ C ≤ ۴λ/۳). این محدوده معادل پهنای باند کسری حدود ۵۰ تا ۷۰ درصد نسبت به فرکانس مرکزی است. در عمل، با طراحی دقیق، پهنای باند مفید (با حفظ پلاریزاسیون دایره‌ای خوب و بهره مناسب) می‌تواند بیشتر از این مقدار هم باشد.

این ساختار و فرمول‌ها برای طراحی عملی و ساخت آنتن هلیکس در فرکانس‌های VHF/UHF/SHF مناسب هستند.

قطبش در آنتن هلیکس RHCP در مقابل LHCP

آنتن هلیکس به دلیل ساختار مارپیچی خود، به طور طبیعی قطبش دایره‌ای (Circular Polarization) تولید یا دریافت می‌کند. این قطبش می‌تواند دو نوع باشد:

• RHCP (Right-Hand Circular Polarization) :قطبش دایره‌ای راست‌گرد
•  LHCP (Left-Hand Circular Polarization) :قطبش دایره‌ای چپ‌گرد

انتخاب قطبش بر اساس جهت پیچش سیم هلیکس

جهت پیچش سیم رسانا تعیین‌کننده نوع قطبش است. برای تشخیص آن:

• آنتن را از انتهای تابشی (جهت خروج امواج) نگاه کنید.
• اگر سیم به صورت ساعت‌گرد (Clockwise) بچرخد :  RHCP
• اگر سیم به صورت پادساعت‌گرد (Counter-Clockwise) بچرخد :  LHCP

این قانون بر اساس قانون دست راست (Right-Hand Rule) است: انگشتان دست راست را در جهت پیچش سیم قرار دهید؛ شست دست جهت انتشار موج را نشان می‌دهد.

عدم تطابق قطبش RHCP و LHCP

• یک آنتن  RHCP نمی‌تواند سیگنال LHCP  را به خوبی دریافت کند (و بالعکس).
• در تئوری، عدم تطابق قطبش باعث تلفات بی‌نهایت (infinite dB loss) می‌شود.
• در عمل، به دلیل ناکامل بودن آنتن، کمی از قطبش مخالف (Cross-Polarization) وجود دارد، اما بسیار ضعیف است (معمولاً ۴۰–۲۰ dB سرکوب می‌شود)

اثر بازتاب: وارونگی قطبش

یکی از ویژگی‌های مهم امواج با قطبش دایره‌ای این است که هنگام بازتاب از سطوح رسانا مانند فلز، ساختمان، زمین یا رفلکتور دیش قطبش وارونه می‌شود:

• RHCP → LHCP
• LHCP → RHCP

ویژگی‌های فنی کلیدی آنتن هلیکس

• شکل: سیم مارپیچ روی هسته دی‌الکتریک (مانند سرامیک یا هوا).
• قطبش: RHCP یا LHCP بسته به جهت پیچش
• بهره: ۲۰–۸ dBi (با افزایش تعداد دورها افزایش می‌یابد)
• پهنای باند: وسیع (L-band ۱٫۱ تا ۱٫۶ گیگاهرتز)
• تعداد دورها: حداقل ۴–۳ دور برای عملکرد مناسب؛ دور بیشتر = بهره بالاتر اما اندازه بزرگ‌تر.
• مواد: مس/آلومینیوم روی PTFE یا سرامیک.

کاربردهای اصلی آنتن هلیکس در GNSS

• پهپادها و UAV (وزن کم و عملکرد در جهت‌های مختلف)
• نقشه‌برداری دقیق RTK و Surveying
• کشاورزی دقیق
• ناوبری هوایی و دریایی
• ایستگاه‌های پایه GNSS
• تجهیزات نظامی و ضدجمینگ
• دستگاه‌های حرفه‌ای قابل حمل

 کاربرد در آنتن هلیکس به عنوان فید دیش

هنگام استفاده از آنتن هلیکس به عنوان فید (Feed) یک آنتن پارابولیک (دیش):

• برای دریافت سیگنال RHCP، باید از هلیکس LHCP استفاده کنید رفلکتور قطبش را وارونه می‌کند و LHCP به RHCP تبدیل می‌شود.
• برای دریافت سیگنال LHCP، از هلیکس RHCP  استفاده کنید.

در آنتن‌های پیچیده‌تر با سوب‌رفلکتور (مانند Gregorian یا Cassegrain ) تعداد بازتاب‌ها را بشمارید و قطبش را بر اساس تعداد وارونگی‌ها تنظیم کنید. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند آنتن هلیکس در کاربردهایی مانند GNSS (که معمولاً RHCP استفاده می‌شود) ارتباطات ماهواره‌ای و FPV (مانند پهپادها) بسیار مفید باشد.

چرا آنتن هلیکس برای GNSS/GPS ایده‌آل است؟

سیگنال‌های GNSS با قطبش RHCP ارسال می‌شوند. مزایای کلیدی آنتن هلیکس عبارتند از:

• قطبش دایره‌ای طبیعی با Axial Ratio پایین (کمتر از  3dB) دریافت بهینه بدون وابستگی به جهت‌گیری دستگاه.
• سرکوب قوی تداخل چندمسیری (Multipath) : سیگنال‌های بازتابی )معمولاً LHCP( به خوبی رد می‌شوند.
• پهنای باند وسیع : پشتیبانی از چند فرکانس L1: 1575 MHz، L2: 1227 MHz، L5: 1176 MHz
• بهره بالا :معمولاً (20–8) dBi دریافت سیگنال‌های ضعیف از ماهواره‌های کم‌ارتفاع.
• الگوی تابشی وسیع : پوشش زوایای مختلف آسمان.
• عدم نیاز به صفحه زمین : سبک و مناسب برای پهپادها و تجهیزات متحرک.

ماهواره‌های GNSS برای ارسال سیگنال از آنتن هلیکس (معمولاً Quadrifilar Helix ) استفاده می‌کنند زیرا:

• قطبش RHCP تولید می‌کند.
• اثر چرخش پلاریزاسیون (Faraday rotation) در یونوسفر را به حداقل می‌رساند.
• تطابق قطبش با گیرنده‌های زمینی : افزایش قدرت سیگنال.
• پوشش کامل زمین با الگوی تابشی مناسب.

سوالات متداول درباره آنتن هلیکس

• آنتن هلیکس چیست؟ آنتن هلیکس نوعی آنتن است که از یک یا چند سیم رسانا تشکیل شده که به شکل مارپیچ (هلیکس) پیچیده شده‌اند. رایج‌ترین نوع آن، آنتن مونوفیلیار (monofilar) است که تنها یک سیم مارپیچی دارد. مدل‌هایی که با دو یا چهار سیم مارپیچی ساخته می‌شوند به ترتیب بی‌فیلیار (bifilar) و کوادری‌فیلیار (quadrifilar) نامیده می‌شوند.
• فرکانس کاری آنتن هلیکس چقدر است؟ بسته به طراحی متفاوت است، اما به عنوان مثال یک طراحی رایج دارای مشخصات زیر است: محدوده فرکانسی: ۱٫۳ تا ۲ گیگاهرتز/ بهره: ۱۳ دسی‌بل ± ۱٫۵ دسی‌بل / نسبت محوری (Axial Ratio): کمتر از ۱٫۵ (نشان‌دهنده پلاریزاسیون دایره‌ای بسیار خوب)

• چرا ماهواره‌های GPS از آنتن هلیکس استفاده می‌کنند؟ آنتن‌های هلیکس به دلیل داشتن پلاریزاسیون دایره‌ای طبیعی (معمولاً RHCP) انتخاب می‌شوند. این ویژگی باعث می‌شود سیگنال‌های ماهواره‌ای حتی در محیط‌هایی با بازتاب و تداخل زیاد، با دقت بالاتری دریافت شوند. همچنین اثر چرخش پلاریزاسیون (Faraday Rotation) در یونوسفر را به حداقل می‌رسانند و پوشش مناسبی از سطح زمین فراهم می‌کنند.

• آیا آنتن هلیکس جهت‌دار است؟ بله، در حالت Axial Mode جهت‌دار است و بیشترین تابش در جهت محور دارد.
• آیا GPS بدون اینترنت کار می‌کند؟ بله، GPS مستقیماً سیگنال ماهواره را دریافت می‌کند؛ اینترنت فقط برای نقشه و خدمات اضافی لازم است.
• هلیکس یا پچ : کدام بهتر است؟ هلیکس برای دقت بالا و محیط‌های سخت؛ پچ برای اندازه کوچک و هزینه پایین.