אנטנת הליקס – המצאה או תגלית

מאת: פרופ’ עלי לוין / מכללת אפקה להנדסה, תל אביב

אחת האנטנות הידועות והנפוצות ביותר בתבל היא אנטנת הסליל (הליקס) שהיתה ידועה בקרב הציבור המקצועי של מהנדסי הרדיו כבר במאה ה-19 בתקופתם של הרץ ומרקוני. בנוסף לאנטנת הסליל שהיקפה קטן בהרבה מאורך הגל והקורנת באופן ניצב או נורמלי לציר הסליל, מצא קראוס בשנת 1947 כי סליל שהיקפו כאורך גל, מקרין באופן מקבילי או צירי, ברמת שבח גבוהה למדי ובקיטוב מעגלי כמעט מושלם. קראוס עצמו התלבט אם היתה זו המצאה מקורית או תגלית של תכונות מיוחדות באנטנה קיימת. נציין כאן את עיקרי התכונות של האנטנה ונסקור את מהלך חייו של הממציא / המגלה הדגול שלה.

1. רקע היסטורי

הראשית ההיסטורית של אנטנת הסליל (הליקס) נמצאת בשפופרות ריק מסוג גלים נעים (TWT (Traveling Wave Tube משנות ה-30 של המאה העשרים. כבר בשנת 1933 הוצג על ידי Haeff פטנט מקורי של הסחת קרן אלקטרונים באמצעות אלומת קרינה המתקדמת לאורך סליל. בשנת 1940 הוצג על ידי Lindenblad פטנט נוסף של הגברת אות רדיו המתפשט לאורך סליל באמצעות קרן אלקטרונים. בשנת 1943 פיתח Kompfner מגבר TWT שלם בעל ספרת רעש נמוכה במיוחד, אך העבודה נחשבה מסווגת ופורסמה רק בשנת 1946 בכנס על שפופרות ריק שנערך באוניברסיטת ייל בארצות הברית. בנובמבר 1946 ביקר Dr. Paul Raines שהיה דמות ידועה בנושא שפופרות הריק באוניברסיטת אוהיו והרצה על עבודותיו. בין המאזינים נמצא Prof. John Kraus שגילה עניין רב בהרצאה ואף שאל את המרצה אם הסליל שהוצג בהרצאה יכול לשמש כאנטנה. Raines השיב כי בדק את השאלה והגיע למסקנה שהסליל לא יוכל לשמש כאנטנה יעילה. Kraus שהכיר היטב את הספרות כמו למשל עבודותיהם של Levy ושל Sherman על לולאות ואת עבודתו של Wheeler על סליל שהיקפו קטן בהרבה מאורך הגל, הלך הביתה נלהב ועוד באותו הלילה בנה במו ידיו הליקס בעל 7 ליפופים בקוטר 4 סנטימטר (כלומר היקף הליפוף היה 12 סנטימטרים). הוא חיבר לסליל מקור גלים מיוצב בתדר 2.5GHz (כלומר באורך גל 12 סנטימטר) ובדק את הקרינה הנפלטת מן הסליל בעזרת דיפול וגלאי גבישי פשוט. הוא מצא כי הסליל פולט קרינה משמעותית בכיוון הציר הראשי של הסליל (ידוע מאז כאופן הקרינה הצירי axial mode) וכי הקרינה מקוטבת באופן מעגלי כמעט מושלם, כלומר גלגול הדיפול אינו משפיע על הקליטה. ההמצאה (או התגלית) מאותו לילה פורסמה על ידי Kraus לראשונה בשנת 1947 [4] ולאחר מכן במאמרים רבים נוספים [5]-[14] ובספריו השונים ובייחוד [15]-[17].

2. תיאור ותכונות אנטנת הסליל
2.1 תיאור
האנטנה מתוארת בפירוט בספר

על מגוון אופני הקרינה שלה. נתייחס כאן רק למקרה של אופן הקרינה הצירי, כלומר כשהאנטנה גדולה משמעותית מאורך הגל. זוהי אנטנה קלת משקל במיוחד עם קיטוב מעגלי כמעט מושלם והיא נפוצה מאד בתקשורת לווינים מתחום VHF עד תחום L. בדרך כלל מוסיפים משטח מחזיר מתכתי בתחתית הסליל וניתן גם לצרף מספר סלילים למערך קווי או דו ממדי ולהגדיל את השבח באופן ניכר.
2.2 ממדים
קוטר הסליל הוא D
היקף כל לולאה     המתאים לתחום   
פסיעת הבורג הטיפוסית היא
וזווית הפתיחה היא

מספר הליפופים הוא N (באופן שקול ניתן לראות בה N אלמנטים) כאשר N > 3
ולכן אורכה L = NS.
2.3 ביצועים
התנגדות הקרינה של האנטנה אינה משתנה כמעט עם התדר וערכה:
(1) 
כיווניות האנטנה נתונה לפי :
(2) 
ורוחב האלומה:
(3)
עקום הקרינה הוא בקירוב טוב:
(4) 
כאשר:
(5)
והיחס הצירי הוא:
(6)
2.4 דוגמאות

אנטנת הסליל הטיפוסית המוצגת באיור הבא שהיא בעלת 6 לולאות, כאשר היקף כל לולאה הוא , והפסיעה היא  צפויה לתת כיווניות D = 13 dBic (הסימון dBic מבטא כיווניות בקיטוב מעגלי).
אנטנת סליל נוספת המוצגת באיור הבא שגם היא בעלת 6 לולאות, כאשר כל לולאה היא בהיקף , והפסיעה היא , צפויה לייצר אלומה ברוחב .

אנטנת סליל גדולה יחסית, בעלת 15 לולאות, כאשר כל לולאה היא בהיקף , והפסיעה היא , צפויה לתת שבח גבוה למדי של D = 17-18 dBic.

במשך השנים הוצעו תצורות רבות ומגוונות של אנטנות סליל, כגון בעלות קוטר משתנה (תצורה חרוטית) או פסיעה משתנה, אנטנות כרוכות סביב כדור או חצי כדור, חתכים אליפטיים או ריבועיים וכן ריבוי סלילים משולבים זה בזה. לכל אחת מן התצורות האלו יש יתרון מסוים והן נחקרו ביסודיות בספרות.

3. קורות חייו של ג’ון קראוס
ג’ון דניאל קראוס נולד בשנת 1910 בעיר אן ארבור, מישיגן, ובילה בה את ילדותו ונעוריו. כבר בגיל צעיר הפך לחובב רדיו מושבע והרבה לעסוק בשידור וקליטה של אותות רדיו AM תחת מספר רישיון החובב 8DAN. הוא סיים באוניברסיטת מישיגן את לימודי התואר הראשון בשנת 1930, את התואר השני בשנת 1931 ואת התואר השלישי בשנת 1933. עסק בפיסיקה ובהנדסת רדיו והתמחה בעיקר בהתפשטות גלים קצרים (בתקופת לימודיו מספר הרישיון שלו היה 8AFJ). בשנת 1941 נשא לאשה את אליס ועבד במעבדות הצי האמריקני בוושינגטון על שדות מגנטיים בקירבת אניות ובאוניברסיטת הרווארד על מערכות מכ”ם וחוסמי מכ”ם.

בשנת 1946 הצטרף כחבר סגל לאוניברסיטת אוהיו בקולומבוס. עסק בתכנון אנטנות שונות, וביניהן אנטנת ההליקס, אנטנות תיל מסוג Flat Top ומחזירים פינתיים. המשיך לעסוק באופן אינטנסיבי בשידורי רדיו חובבים (תחת מספר הרישיון W8JK) אך בעיקר פנה לכיוון של תצפיות רדיו אסטרונומיות. יזם ותכנן מספר מצפי רדיו חלוציים וביניהם המערך הגדול של 96 הליקסים בתדר 2502MHz והאנטנות הגדולות של “האוזן הגדולה” Big Ear שבהן ניסו ללא הצלחה לגלות אותות רדיו מתרבויות זרות (בעיקר בתדר פליטת המימן 14202MHz, אך לפחות מיפו את קרינת הרדיו המגיעה מגרמי השמים השונים. ג’ון קראוס פירסם מספר ספרי לימוד קלאסיים בתחום האנטנות והרדיו-אסטרונומיה, הזוכים להערכה רבה, בין היתר בגלל השילוב הנדיר בין תיאוריה למעשה וריבוי הדוגמאות הקונקרטיות. נפטר בשיבה טובה בשנת 2004.

4. מראי מקום
Papers
[1] G.F. Levy, “Loop Antenna for Aircraft”, Proc. Inst. Radio Engrs, 31, p. 56, 1943.
[2] J.B. Sherman, “Circular Loop Antenna at Ultra High Frequencies”, Proc. Inst. Radio Engrs, 32, p. 534, 1944
[3] H.A. Wheeler, “A Helical Antenna for Circular Polarization”, Proc. IRE, 35, pp. 1484-1488, 1947.
[4] J.D. Kraus, “Helical Beam Antenna”, Electronics, 20, pp. 109-111, April 1947.
[5] J.D. Kraus and J.C. Williamson, “Characteristics of Helical Antenna Radiating in the Axial Mode” J. Appl. Phys, vol. 19, pp. 87-96, January 1948.
[6] O.J. Glasser and J.D. Kraus, “Measured Impedances of Helical Beam Antennas”, J. Appl. Phys, vol. 19, p. 193, 1948.
[7] J.D. Kraus, “Helical Beam Antennas for Wide Band Applications”, Proc. IRE. 36, pp. 1236-1242, October 1948.
[8] J.D. Kraus, “The Helical Antenna”, Proc. IRE. 37, p. 263, 1949.
[9] J.D. Kraus, “Helical Beam Antenna Design Techniques”, Communications, 29, p. 6, September 1949.
[10] T.E. Tice and J.D. Kraus, “The Influence of Conductor Size on the Properties of Helical Beam Antennas”, Proc. IRE. 37, p. 1296, 1949.
[11] J.D. Kraus, “A Helix Theorem”, Proc. IRE. 39, p. 563, 1951.
[12] K.R. Carver and J.D. Kraus, “A Cavity Fed Concentric Ring Phased Array of Helices”, Int. Ant. Prop. Symp. 17, 1968.
[13] J.D. Kraus, “A 50 Ohm Impedance for Helical Beam Antenna”, IEEE Trans. AP-25. p. 913, 1977.
[14] J.D. Kraus, “A Helical Beam Antenna Without a Ground Plane”, IEEE Trans. AP-37, p. 45, 1995.

Books
[15] J. D. Kraus, Antennas, 1st edition, McGraw Hill, 1950.
[16] J. D. Kraus, Antennas, 2nd edition, McGraw Hill, 1988.
[17] J. D. Kraus and R.J. Marhefka, Antennas for all Applications, 3rd edition, McGraw Hill, 2002.
[18] J. D. Kraus, Electromagnetics, 1st edition, McGraw Hill, 1953.
[19] J. D. Kraus and K.R. Carver, Electromagnetics, 2nd edition, McGraw Hill, 1973.
[20] J. D. Kraus, Electromagnetics, 3rd edition, McGraw Hill, 1984.
[21] J. D. Kraus, Electromagnetics, 4th edition, McGraw Hill, 1992.
[22] J. D. Kraus and D.A. Fleisch, Electromagnetics with Applications, 5th edition of Electromagnetics, McGraw Hill, 1999.
[23] J. D. Kraus, Radio Astronomy, 1st edition, McGraw Hill, 1966.
[24] J. D. Kraus, Radio Astronomy, 2nd edition, Powell, Ohio, Cygnus-Quasar, 1986.
[25] J. D. Kraus, Big Ear, Powell, Ohio, Cygnus-Quasar, 1976.
[26] J. D. Kraus, Big Ear Two, Powell, Ohio, Cygnus-Quasar, 1995.

 

 

פרופ’ עלי לוין הוא מרצה בכיר לתקשורת ולאנטנות באפקה, המכללה האקדמית להנדסה בתל אביב, בעלים ומנהל בחברת שדות וגלים בע”מ, העוסקת בהנדסת אנטנות ובשכבה הפיסית של מערכות אלחוטיות.
לתגובות ElyL@afeka.ac.il