हेलिकल एंटीना

[[File:helical antenna principle.png|thumb|अक्षीय-मोड पेचदार एंटीना: Central support,

Coaxial cable feedline,

Insulating supports for the helix,

Reflector ground plane,

Helical radiating wire]]हेलिकल एंटीना एक एंटीना (रेडियो) होता है जिसमें कुंडलित वक्रता  के रूप में एक या अधिक संवाहक तार लगे होते हैं। एक पेचदार तार से बना एक पेचदार एंटीना, सबसे आम प्रकार, मोनोफ़िलर कहा जाता है, जबकि एक हेलिक्स में दो या चार तारों द्विध्रुवीय एंटीना को क्रमशः बिफ़िलर, या क्वाड्रिफ़िलर कहा जाता है।

ज्यादातर मामलों में, दिशात्मक पेचदार एंटेना जमीन के तल पर लगाए जाते हैं, जबकि सर्वदिशात्मक डिजाइन नहीं हो सकते हैं। फीड लाइन हेलिक्स के नीचे और समतल ज़मीन  के बीच जुड़ी हुई है। हेलिकल एंटेना दो प्रमुख मोड में से एक में काम कर सकते हैं: सामान्य या अक्षीय।

सामान्य मोड या ब्रॉडसाइड हेलिकल एंटीना में, एरियल का व्यास और स्क्रू थ्रेड#लीड, पिच और शुरुआत तरंग दैर्ध्य की तुलना में छोटी होती है। ऐन्टेना विद्युतीय रूप से लघु द्विध्रुवीय ऐन्टेना या मोनोपोल एंटीना के समान कार्य करता है, जो के समतुल्य है $1⁄4$ तरंग ऊर्ध्वाधर और विकिरण पैटर्न, इन एंटेना के समान सर्व[[दिशात्मक एंटीना]] है, जिसमें हेलिक्स अक्ष के समकोण पर अधिकतम विकिरण होता है। मोनोफिलर डिज़ाइन के लिए विकिरण हेलिक्स अक्ष के समानांतर रैखिक ध्रुवीकरण है। इनका उपयोग पोर्टेबल हैंड हेल्ड के साथ-साथ मोबाइल वाहन माउंट दो-तरफा रेडियो के लिए कॉम्पैक्ट एंटेना के लिए और बड़े पैमाने पर यूएचएफ टेलीविजन प्रसारण एंटेना के लिए किया जाता है। बाइफ़िलर या क्वाड्रिफ़िलर कार्यान्वयन में, ब्रॉडसाइड सर्कुलर ध्रुवीकरण विकिरण का एहसास किया जा सकता है।

अक्षीय मोड या एंड-फायर हेलिकल एंटीना में, हेलिक्स का व्यास और पिच तरंग दैर्ध्य के बराबर होता है। ऐन्टेना एक दिशात्मक ऐन्टेना के रूप में कार्य करता है जो ऐन्टेना की धुरी के साथ हेलिक्स के सिरों से एक किरण उत्सर्जित करता है। यह गोलाकार ध्रुवीकरण रेडियो तरंगें उत्सर्जित करता है। इनका उपयोग उपग्रह संचार के लिए किया जाता है। अक्षीय मोड ऑपरेशन की खोज भौतिक विज्ञानी जॉन डी. क्रॉस ने की थी

सामान्य-मोड पेचदार
यदि हेलिक्स की परिधि तरंग दैर्ध्य से काफी कम है और इसकी पिच (क्रमिक घुमावों के बीच अक्षीय दूरी) एक चौथाई तरंग दैर्ध्य से काफी कम है, तो एंटीना को सामान्य-मोड हेलिक्स कहा जाता है। ऐन्टेना एक मोनोपोल ऐन्टेना के समान कार्य करता है, एक सर्वदिशात्मक ऐन्टेना विकिरण पैटर्न के साथ, ऐन्टेना की धुरी के लंबवत सभी दिशाओं में समान शक्ति विकिरण करता है। हालाँकि, पेचदार आकार द्वारा जोड़े गए अधिष्ठापन के कारण, ऐन्टेना एक प्रेरक रूप से लोड किए गए मोनोपोल की तरह कार्य करता है; इसकी गुंजयमान आवृत्ति पर यह एक चौथाई-तरंग दैर्ध्य से छोटा होता है। इसलिए, सामान्य-मोड हेलिकॉप्टरों का उपयोग विद्युत रूप से छोटे मोनोपोल के रूप में किया जा सकता है, जो केंद्र- या बेस-लोडेड व्हिप एंटीना  का एक विकल्प है, उन अनुप्रयोगों में जहां पूर्ण आकार का क्वार्टर-वेव मोनोपोल बहुत बड़ा होगा। अन्य विद्युतीय रूप से छोटे एंटेना की तरह, हेलिक्स का लाभ, और इस प्रकार संचार सीमा, पूर्ण आकार के एंटीना से कम होगी। उनका कॉम्पैक्ट आकार हेलिकल्स को एचएफ, वीएचएफ और यूएचएफ बैंड पर मोबाइल और पोर्टेबल दो-तरफा रेडियो के लिए एंटेना के रूप में उपयोगी बनाता है।



हेलिक्स द्वारा प्रदान की गई लोडिंग ऐन्टेना को उसकी विद्युत लंबाई की एक चौथाई-तरंगदैर्घ्य से भौतिक रूप से कम करने की अनुमति देती है। इसका मतलब यह है कि उदाहरण के लिए ए $1⁄4$ 27 मेगाहर्ट्ज पर तरंग एंटीना है 2.7 m लंबा है और मोबाइल एप्लिकेशन के लिए शारीरिक रूप से काफी अनुपयुक्त है। हेलिकल का कम किया गया आकार सिग्नल प्रदर्शन में मामूली कमी के साथ बहुत अधिक कॉम्पैक्ट भौतिक आकार में समान विकिरण पैटर्न प्रदान करता है।

सीधे कंडक्टर के बजाय पेचदार कंडक्टर का उपयोग करने का एक प्रभाव यह होता है कि मिलान प्रतिबाधा मिलान नाममात्र 50 ओम|Ω से ​​25 और 35Ω आधार प्रतिबाधा के बीच बदल जाता है। यह सामान्य 50 Ω संचरण लाइन  के संचालन या मिलान के लिए प्रतिकूल प्रतीत नहीं होता है, बशर्ते कनेक्टिंग फ़ीड एक के विद्युत समकक्ष हो $1⁄2$ ऑपरेशन की आवृत्ति पर तरंग दैर्ध्य।

मोबाइल एचएफ हेलिकल्स
मोबाइल संचार में उपयोग किए जाने वाले प्रकार का एक और उदाहरण निरंतर घुमाव है जिसमें एक या एक से अधिक अलग-अलग रैखिक वाइंडिंग्स को एक ही पूर्व में लपेटा जाता है और एक विशेष अनुनाद आवृत्ति पर विकिरण करने वाले तत्व के लिए समाई  और इंडक्शन के बीच एक कुशल संतुलन प्रदान किया जाता है।. इस प्रकार के कई उदाहरणों का उपयोग 27 मेगाहर्ट्ज नागरिक बैंड रेडियो के लिए बड़े पैमाने पर किया गया है, जिसमें 1960 के दशक के अंत में अमेरिका और ऑस्ट्रेलिया में विभिन्न प्रकार के डिज़ाइन शामिल थे। आज तक इनमें से कई लाखों 'हेलिकल एंटेना' मुख्य रूप से मोबाइल वाहन उपयोग के लिए बड़े पैमाने पर उत्पादित किए गए हैं और 1970 से 1980 के दशक के अंत तक सीबी रेडियो बूम-समय के दौरान चरम उत्पादन तक पहुंच गए और दुनिया भर में उपयोग किए गए।

मैनुअल प्लग-इन टैप के साथ मल्टी-फ़्रीक्वेंसी संस्करण मल्टी-बैंड सिंगल-साइडबैंड मॉड्यूलेशन (एसएसबी) एचएफ संचार के लिए मुख्य आधार बन गए हैं, जिसमें 2 से 6 समर्पित फ़्रीक्वेंसी टैप पॉइंट के साथ 1 मेगाहर्ट्ज से 30 मेगाहर्ट्ज तक पूरे एचएफ स्पेक्ट्रम पर फ़्रीक्वेंसी कवरेज है। भूमि मोबाइल, समुद्री और विमान बैंड में समर्पित और आवंटित आवृत्तियों पर ट्यून किया गया। हाल ही में इन एंटेना को इलेक्ट्रॉनिक रूप से ट्यून किए गए एंटीना मिलान उपकरणों द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है। अधिकांश उदाहरणों को पहले फाइबरग्लास रॉड का उपयोग करके तांबे के तार से लपेटा गया था। आमतौर पर लचीले या उभरे हुए रेडिएटर को पीवीसी या पॉलीओलेफ़िन गर्मी से टयूबिंग छोटी होना से ढक दिया जाता है जो तैयार मोबाइल एंटीना के लिए एक लचीला और मजबूत waterproofing कवर प्रदान करता है। फ़ाइबरग्लास रॉड को आमतौर पर पीतल की फिटिंग से चिपका दिया जाता था और/या कस दिया जाता था और वाहन की छत, गार्ड या बुल-बार माउंट पर लगाए गए इंसुलेटेड बेस पर स्क्रू लगा दिया जाता था। इस माउंटिंग ने एक प्रभावी ऊर्ध्वाधर विकिरण पैटर्न के लिए एक ग्राउंड प्लेन या रिफ्लेक्टर (वाहन द्वारा प्रदान किया गया) प्रदान किया।

ये लोकप्रिय डिज़ाइन अभी भी आम उपयोग में हैं और ऑस्ट्रेलिया में उत्पन्न होने वाले निरंतर टर्न डिज़ाइन को कई कारखाने में उत्पादित मोटर वाहनों के लिए मानक एफएम प्राप्त करने वाले एंटेना के साथ-साथ आफ्टरमार्केट एचएफ और वीएचएफ मोबाइल हेलिकल की मौजूदा मूल शैली के रूप में सार्वभौमिक रूप से अनुकूलित किया गया है। ब्रॉडसाइड हेलिक्स के लिए एक और आम उपयोग तथाकथित रबर डकी एंटीना में होता है जो कि अधिकांश पोर्टेबल वीएचएफ और यूएचएफ रेडियो पर पाया जाता है जो कि विकिरण तत्व के रूप में स्टील या तांबे के कंडक्टर का उपयोग करता है और आमतौर पर त्वरित हटाने के लिए बीएनसी / टीएनसी शैली या कनेक्टर पर स्क्रू में समाप्त होता है।

पेचदार प्रसारण एंटेना
विशिष्ट सामान्य-मोड हेलिकल एंटेना का उपयोग वीएचएफ और यूएचएफ बैंड पर एफएम रेडियो और टेलीविजन प्रसारण स्टेशनों के लिए ट्रांसमिटिंग एंटेना के रूप में किया जाता है।

अक्षीय-मोड पेचदार
जब हेलिक्स परिधि ऑपरेशन की तरंग दैर्ध्य के करीब होती है, तो एंटीना अक्षीय मोड में काम करता है। यह एक अनुनाद यात्रा तरंग एंटीना मोड है, जिसमें खड़ी तरंगों के बजाय, वर्तमान और वोल्टेज की तरंगें एक दिशा में यात्रा करती हैं, ट्रांसमिटिंग एंटीना में फीडपॉइंट से हेलिक्स के ऊपर और प्राप्त एंटीना में फीडपॉइंट की ओर हेलिक्स के नीचे। ऐन्टेना की धुरी पर सामान्य रूप से रैखिक रूप से ध्रुवीकृत तरंगों को प्रसारित करने के बजाय, यह ऐन्टेना के सिरों से धुरी के साथ गोलाकार ध्रुवीकरण के साथ रेडियो तरंगों की एक किरण उत्सर्जित करता है। विकिरण पैटर्न के मुख्य लोब हेलिक्स की धुरी के साथ-साथ दोनों सिरों पर होते हैं। चूंकि एक दिशात्मक एंटीना में केवल एक दिशा में विकिरण की आवश्यकता होती है, हेलिक्स के दूसरे छोर को आगे की तरंगों को प्रतिबिंबित करने के लिए एक सपाट धातु शीट या स्क्रीन रिफ्लेक्टर में समाप्त किया जाता है।

रेडियो प्रसारण में, गोलाकार ध्रुवीकरण (तरंगों) का उपयोग अक्सर किया जाता है जहां संचारण और प्राप्त करने वाले एंटेना के सापेक्ष अभिविन्यास को आसानी से नियंत्रित नहीं किया जा सकता है, जैसे कि पशु ट्रैकिंग और उपग्रह संचार में, या जहां सिग्नल का ध्रुवीकरण बदल सकता है, इसलिए अंत में आग लगाएं इन अनुप्रयोगों के लिए अक्सर पेचदार एंटेना का उपयोग किया जाता है। चूंकि बड़े हेलीकॉप्टरों का निर्माण करना कठिन होता है और उन्हें चलाने और लक्ष्य करने में कठिनाई होती है, इसलिए डिज़ाइन को आमतौर पर केवल उच्च आवृत्तियों पर नियोजित किया जाता है, वीएचएफ से लेकर माइक्रोवेव तक।

ऐन्टेना का हेलिक्स दो संभावित दिशाओं में मुड़ सकता है: दाएं हाथ या बाएं हाथ, पहले वाले का आकार सामान्य कॉर्कस्क्रू के समान होता है। पहले चित्रण में 4-हेलिक्स सरणी बाएं हाथ के हेलिकॉप्टरों का उपयोग करती है, जबकि अन्य सभी चित्र दाएं हाथ के हेलिकॉप्टरों को दिखाते हैं। एक अक्षीय-मोड हेलिकल एंटीना में हेलिक्स के मोड़ की दिशा उत्सर्जित तरंग के ध्रुवीकरण को निर्धारित करती है। गोलाकार ध्रुवीकरण के साथ तरंगों का वर्णन करने के लिए दो परस्पर असंगत सम्मेलनों का उपयोग किया जाता है, इसलिए एक पेचदार एंटीना की हैंडनेस (बाएं या दाएं) और इसके द्वारा उत्सर्जित गोलाकार-ध्रुवीकृत विकिरण के प्रकार के बीच संबंध को अक्सर ऐसे तरीकों से वर्णित किया जाता है जो अस्पष्ट प्रतीत होते हैं. हालाँकि, जॉन डी. क्रॉस|जे.डी. क्रॉस (पेचदार एंटीना के आविष्कारक) का कहना है कि बाएं हाथ का हेलिक्स बाएं-गोलाकार ध्रुवीकरण पर प्रतिक्रिया करता है, और दाएं हाथ का हेलिक्स दाएं-गोलाकार ध्रुवीकरण (आईईईई परिभाषा) पर प्रतिक्रिया करता है। IEEE ध्रुवीकरण की भावना को इस प्रकार परिभाषित करता है:
 * ध्रुवीकरण, या हाथ चलने की भावना ... को दाएं हाथ (बाएं हाथ) कहा जाता है यदि प्रसार की दिशा में देखने वाले पर्यवेक्षक के लिए घूर्णन की दिशा दक्षिणावर्त (वामावर्त) है

इस प्रकार एक दाएं हाथ का हेलिक्स एक तरंग उत्सर्जित करता है जो दाएं हाथ की होती है, विद्युत क्षेत्र वेक्टर प्रसार की दिशा में दक्षिणावर्त घूमता है।

हेलिकल एंटेना किसी भी प्रकार के रैखिक ध्रुवीकरण के साथ सिग्नल प्राप्त कर सकते हैं, जैसे क्षैतिज या ऊर्ध्वाधर ध्रुवीकरण, लेकिन गोलाकार ध्रुवीकरण सिग्नल प्राप्त करते समय प्राप्त करने वाले एंटीना की हैंडनेस ट्रांसमिटिंग एंटीना के समान होनी चाहिए; बाएं हाथ के ध्रुवीकृत एंटेना को दाएं-गोलाकार-ध्रुवीकृत सिग्नल प्राप्त होने पर लाभ (इलेक्ट्रॉनिक्स) का गंभीर नुकसान होता है, और इसके विपरीत।

हेलिक्स के आयाम तरंग दैर्ध्य द्वारा निर्धारित होते हैं ($λ$) प्रयुक्त रेडियो तरंगों की, जो आवृत्ति पर निर्भर करती है। अक्षीय-मोड में काम करने के लिए, परिधि तरंग दैर्ध्य के बराबर होनी चाहिए। पिच कोण 13° होना चाहिए, जो परिधि का 0.23 गुना पिच दूरी (प्रत्येक मोड़ के बीच की दूरी) है, जिसका अर्थ है कि कॉइल्स के बीच का अंतर तरंग दैर्ध्य का लगभग एक-चौथाई होना चाहिए ($λ⁄4$). हेलिक्स में घुमावों की संख्या यह निर्धारित करती है कि ऐन्टेना कितना दिशात्मक है: अधिक घुमावों से दोनों सिरों पर (या एक सिरे पर, जब ग्राउंड प्लेट का उपयोग किया जाता है) अपनी धुरी की दिशा में लाभ में सुधार होता है, लाभ की लागत पर अन्य दिशाएँ. कब $C &lt; λ$ यह सामान्य मोड में अधिक संचालित होता है जहां लाभ की दिशा सिरों के बजाय किनारों पर डोनट आकार की होती है।

अक्षीय मोड में टर्मिनल विद्युत प्रतिबाधा लगभग 100 और 200 Ω के बीच होती है


 * $$ Z \simeq 140 \left( \frac{C}{\lambda} \right)$$

कहाँ $C$ हेलिक्स की परिधि है, और $λ$ तरंग दैर्ध्य है. प्रतिबाधा मिलान (कब $C = λ$) मानक 50 या 75 ओम (इकाई)|Ω समाक्षीय केबल अक्सर एक चौथाई तरंग स्ट्रिपलाइन अनुभाग द्वारा किया जाता है जो हेलिक्स और ग्राउंड प्लेट के बीच एक प्रतिबाधा ट्रांसफार्मर के रूप में कार्य करता है।

अधिकतम निर्देशात्मक लाभ लगभग है:


 * $$\text{Gain} \simeq 15 \left(\frac{C}{\lambda}\right)^2 \left(\frac{NS}{\lambda}\right)$$

कहाँ $N$ घुमावों की संख्या है और S घुमावों के बीच की दूरी है। अधिकांश डिज़ाइन उपयोग करते हैं $C = λ$ और $S = 0.23 C$, तो लाभ आम तौर पर है $G = 3.45 N$. डेसिबल में, लाभ है $$G_\text{dBi} = 10 \log_{10} \left( 3.45 N \right) ~.$$ अर्ध-शक्ति बीमविड्थ है:


 * $$\text{HPBW} \simeq \frac{5}{2}{\frac{C}{\lambda} \sqrt{\frac{NS}{\lambda}}}\ \text{degrees}$$

नल के बीच बीमविड्थ है:


 * $$\text{FNBW} \simeq \frac{115}{C} \sqrt{\frac{\lambda^3}{NS}}\ \text{degrees}$$

पेचदार एंटीना का लाभ दृढ़ता से परावर्तक पर निर्भर करता है। उपरोक्त शास्त्रीय सूत्र मानते हैं कि परावर्तक में एक गोलाकार अनुनादक (रिम के साथ एक गोलाकार प्लेट) का रूप होता है और इस प्रकार के परावर्तक के लिए पिच कोण इष्टतम होता है। फिर भी, ये सूत्र लाभ को कई डेसिबल से अधिक आंकते हैं। समतल ज़मीन के समतल के लिए लाभ को अधिकतम करने वाली इष्टतम पिच 3-10° की सीमा में है और यह तार की त्रिज्या और एंटीना की लंबाई पर निर्भर करती है।

यह भी देखें

 * टेलस्टार

संदर्भ

 * General