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title: 'Noções básicas das Antenas Helicoidais Quadrifilares'
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# Noções básicas das Antenas Helicoidais Quadrifilares

Tradução e adaptação feita por programas com pequenas adaptações de termos.

By Bill Slade www.orbanmicrowave.com

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# Introdução

Desde as suas origens quase acidentais, a antena de hélice em modo axial passou da curiosidade laboratorial de um jovem professor para uma das antenas mais amplamente utilizadas para comunicações UHF e microondas. Com o crescimento explosivo dos serviços baseados em satélite, a capacidade de receber ou transmitir um pequeno feixe de radiação circularmente polarizada, minimizando ao mesmo tempo a radiação indesejada, é indispensável para manter uma boa comunicação. A antena helicoidal de modo axial proporciona uma plataforma de antena de alto desempenho e robusta, tanto no espaço como no solo.

A encarnação mais simples da hélice de modo axial é a antena helicoidal monofilar. Consistindo simplesmente num único condutor enrolado por parafuso sobre uma placa de terra (Figura 1), esta antena produz uma polarização circular que segue o sentido do enrolamento da hélice e mantém uma impedância bastante constante do ponto de alimentação sobre uma largura de banda larga.

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Utilizando um simulador de antena, exploramos vários exemplos de antenas helicoidais. Primeiro olhamos para a antena monofilar de hélice para estabelecer uma base de partida para comparação com as antenas quadrifilares e para mostrar um método útil de correspondência de impedância. Em seguida, estudamos as chamadas antenas de ondas longas (ou seja, mais do que um comprimento de onda) de ondas viajantes de hélice quadrifilar para demonstrar o controle superior que se tem sobre o padrão da antena, modificando a progressão de fase de cada radiador helicoidal. Terminamos a nossa breve história com a curta hélice quadrifilar ressonante; a verdadeira estrela do nosso programa. Esta antena encontra grande utilização em aplicações portáteis, devido à sua compacidade e facilidade de integração com sistemas móveis. Mostramos alguns exemplos dos nossos designs de antena de hélice compacta para uso em GPS, satcom de banda L, bem como aplicações VHF/UHF ELT, PLB e EPIRB.

Tenha em mente que uma antena de "onda viajante" é uma estrutura que não é uma antena ressonante. Uma onda é "lançada" da alimentação e "vaza" para o espaço à medida que se desloca para o fim. Quando a onda lançada chega ao fim da antena, esta já não atinge o nível mais baixo e a potência refletida de volta na alimentação é muito pequena, geralmente sobre uma largura de banda larga. Este comportamento é o oposto do de uma pequena antena "ressonante" onde uma onda ricocheteia para trás e para a frente da extremidade da alimentação e da extremidade aberta da antena com pouco decaimento, como é o caso de uma antena dipolo ou de uma pequena hélice ressonante. Neste caso, a potência é eficientemente irradiada apenas sobre uma pequena largura de banda.

## Os três tipos de antena helicoidal

A antena de hélice monofilar foi inventada em 1946 por John Kraus. Poucas antenas são tão fáceis de construir como a hélice monofilar original de Kraus. Alguma forma de suporte, plano de terra como um "prato de torta" de qualquer diâmetro entre ½-1 comprimento de onda, algum casamento de impedância simples e uma única ligação de condutor de acordo com algumas regras simples produz uma antena circularmente polarizada capaz de 10-17 dBi ganho sobre 60% de largura de banda fracionária. As impedâncias dos pontos de alimentação, dependendo da geometria de alimentação, serão da ordem 150-300 ohms (dependendo da geometria da antena), portanto, será necessária alguma forma de correspondência de impedância para uma operação eficiente em sistemas de 50 ohm.

Os enrolamentos helicoidais e a polarização circular são sempre descritos como "à direita" ou "à esquerda". Manter esta reta é importante, mas não difícil utilizando as regras "mão direita" e "mão esquerda". Se apontar o polegar da sua mão direita ao longo do eixo da hélice para longe da alimentação e os seus dedos enrolam-se na direção dos enrolamentos afastando-se da alimentação, a hélice é "direita". A hélice é "canhota" se satisfizer esta regra com a mão esquerda. Para polarização, o polegar aponta na direção de propagação para longe da antena (não necessariamente ao longo do eixo da hélice, no entanto) e os dedos correspondem ao correspondente movimento circular esquerdo ou direito do vector do campo eléctrico. Outro modelo de visualização possível é o de um parafuso. A maioria dos parafusos e roscas de parafuso são espirais "direitas" que podem ser facilmente verificadas utilizando a regra da direita que aponta para longe da cabeça do parafuso.

A antena da figura 1 é constituída por uma única bobina de fio solto em torno de um eixo central. Pode-se facilmente ver que o sentido do enrolamento é destro, indicando que esta antena irradia uma onda polarizada circular direita na presença do plano do solo. Note-se o apoio central necessário para evitar a queda do condutor helicoidal. Este pode ser metálico ou não metálico sem afetar significativamente as propriedades de radiação.

O desempenho da antena helicoidal longa é melhorado utilizando a configuração quadrifilar vista na Figura 2. Ao adicionar os enrolamentos extra, o padrão de radiação pode ficar mais estreito e os lóbulos laterais reduzidos em relação à hélice monofilar. Além disso, as características de polarização circular podem ser melhoradas sem aumentar a cobertura da antena. Normalmente, cada hélice componente é excitada numa progressão de 90 graus no sentido horário ou anti-horário, dependendo da combinação polarização/direção do lóbulo que queremos irradiar. Para o quadrifilar

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Para a ligação da hélice quadrifilar no sentido direito, uma progressão de fase (esquerda) no sentido dos ponteiros do relógio induz o "modo de hélice forward", assim chamado porque a fase de onda parece propagar-se ao longo da hélice desde a alimentação até à extremidade aberta. O ponto de fase de 0° move-se progressivamente para hélices que se situam fisicamente acima das outras à medida que o tempo avança. Do mesmo modo, uma excitação no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio (à direita) das hélices individuais provoca uma onda de hélice cuja fase parece mover-se em direção à alimentação na chamada configuração de "modo de hélice backward". O ponto de fase de 0° move-se agora progressivamente para hélices abaixo da atual. Note-se que o modo de avanço irradiará como um feixe de endfire e o modo de retrocesso como um feixe de retrofire e a polarização circular será oposta ao sentido do sentido do enrolamento da hélice, independentemente da progressão da fase de alimentação.

No entanto, quando um plano terrestre está presente, a radiação de contra-ataque é então reflectida para a frente e o sentido da polarização circular é invertido. As antenas helicoidais que utilizam planos terrestres utilizam tipicamente o modo de operação backfire, confiando no plano do solo como refletor para converter a radiação backfire em radiação endfire. Em determinadas circunstâncias, podemos desejar eliminar a placa de terra e permitir que o modo de backward irradie na direção da alimentação, que exploramos para as antenas quadrifilares compactas ressonantes.

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**Para resumir os pontos relevantes da antena quadrifilar:**

- Se o sentido da fase de alimentação for o mesmo que o sentido de enrolamento da hélice quadrifilar, a antena será backfire.

- Se o sentido da fase de alimentação for oposto ao sentido de enrolamento da hélice, a antena será o endfire.

- O sentido de polarização circular da radiação será oposto ao sentido de enrolamento da hélice, independentemente do sentido de alimentação em fase.

- Se uma antena de hélice backfire for utilizada com um refletor ou plano de terra na alimentação, o sentido da polarização circular é invertido e a antena torna-se endfire. O sentido de polarização corresponde agora ao sentido do enrolamento das hélices.
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A hélice quadrifilar não precisa de ser uma antena de onda longa, mas pode ser reduzida para tamanhos compatíveis com ½ um comprimento de onda e operada como uma antena ressonante, muito parecida com a antena dipolo ou antena de laço ressonante familiar. Enquanto a largura de banda larga de hélices longas funciona bem apesar de algum desvio em relação às dimensões ideais da antena, o funcionamento das antenas helicoidais ressonantes de largura de banda estreita backfire (Figura 3) requerem uma escolha cuidadosa das dimensões da antena e atenção aos detalhes de construção.

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As alimentações de cada hélice nas antenas quadrifilares longas requerem algum tipo de rede de alimentação em quadratura para gerar as progressões de fase de 90°. Isto pode tomar a forma de híbridos em quadratura e divisores de potência. No entanto, para a pequena hélice ressonante, é vantajoso utilizar duas hélices co-bobinadas ½ de dimensões ligeiramente diferentes que induzem a excitação em quadratura de cada par de hélices. Esta propriedade é muito semelhante ao método "quase quadrado" de gerar uma polarização circular numa antena de micro-rede.

Consistente com o comportamento da hélice quadrifilar na ausência de um plano de solo, o sentido de enrolamento da hélice é oposto ao sentido de polarização circular desejado. Ou seja, uma hélice enrolada à esquerda irá gerar uma polarização circular à direita. Tenha em mente que se o sentido de enrolamento não estiver correto, o sentido de polarização será incorreto e a comunicação será severamente impedida (se não for completamente impedida). A supressão da polarização cruzada pode ser superior a 20 a 30 dB!

Esta antena produz um padrão de radiação quase hemisférica. O ajuste cuidadoso das dimensões do laço "batedor de ovos dobrados" produzirá uma impedância de 50 ohm de ponto de alimentação, bem como uma excelente excitação em quadratura sem a necessidade de circuitos geradores de quadratura externos. Além disso, uma vez que não é necessária uma placa de terra, tornando esta uma das antenas de hélice mais úteis para rádios portáteis e móveis UHF e microondas. Claro que, por toda esta pequena bondade da antena, há que sacrificar a largura de banda e a diretividade das grandes antenas helicoidais de ondas viajantes.

Enquanto nos concentramos em três versões básicas da antena helicoidal, o leitor precisa de estar ciente de que as antenas helicoidais incluem uma grande classe de espirais e helices cônicas que assumem muitas formas e podem ser otimizadas para larguras de banda multi-octave, polarização variável, feixes orientáveis, etc. O objectivo deste breve artigo é introduzir três formas básicas da antena helicoidal de uma forma qualitativa; progredindo da hélice monofilar para a antena helicoidal quadrifilar compacta. O leitor que desejar uma exposição mais aprofundada das antenas helicoidais é encaminhado para a lista de referências. O livro de Kraus3 é especialmente acessível e informativo a este respeito.

# Discussão

## A hélice monofilar como linha de base

Antes de olharmos para os exemplos quadrifilares, devemos ter uma ideia do desempenho esperado de uma antena de hélice típica. Os principais critérios de concepção são o diâmetro da hélice, o ângulo de inclinação do enrolamento (determinado pela altura da antena e pelo número de voltas) e o diâmetro do plano do solo, tudo mostrado na Figura 4.

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O funcionamento eléctrico da hélice não é fortemente afetado pelo diâmetro dos condutores e é geralmente ditado por restrições mecânicas. Os valores de 0,001-0,01 de comprimento de onda darão bons resultados. Aumentar o espaçamento entre as voltas e a circunferência da hélice e o número de voltas irá aumentar a diretividade da antena. A impedância do ponto de alimentação é também sensível ao espaçamento entre as voltas e a circunferência, aumentando geralmente à medida que estas dimensões aumentam.

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Satisfazendo os requisitos apresentados na Tabela 1, escolhemos uma hélice de direita com sete voltas e um passo de onda p de 0,25 comprimentos de onda. Consequentemente, a altura da hélice será de 1,75 comprimentos de onda. Se escolhermos a circunferência da hélice para ser um comprimento de onda (quase óptimo), o diâmetro da hélice será de 1/π ou 0,318 comprimentos de onda. O ângulo de inclinação do enrolamento é de 14,8°, o que nos dá a separação de 0,25 comprimentos de onda. Comecemos com o pressuposto de que o plano do solo é de extensão infinita. Se assumirmos um comprimento de onda de 1 metro (frequência=300 MHz), verificamos que esta antena irradia uma onda circularmente polarizada bem definida com um padrão encontrado na Figura 5.

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À medida que avançamos para elevações inferiores, a radiação torna-se elíptica polarizada (uma forma degradada de polarização circular). Nas elevações mais baixas (perto do plano do solo), a radiação é quase verticalmente polarizada. A diretividade desta antena é de cerca de 8 dBi.

A largura de feixe de 3 dB, neste caso, é de cerca de 70°. Notar o aparecimento de dois lóbulos laterais perto de 60° fora do eixo vertical. Como resultado da geometria da alimentação, observamos uma ligeira assimetria no padrão, especialmente visível nos lóbulos laterais. Esta assimetria contribui para um ligeiro "squint de feixe" no lóbulo principal (um ligeiro desvio fora do eixo do lóbulo principal). Os lóbulos laterais tornam-se mais aparentes à medida que a frequência aumenta. Isto acontece porque a antena de hélice comporta-se exatamente como uma antena de matriz, ou seja, à medida que o atraso de fase entre cada elemento de matriz aumenta (neste caso, a hélice gira) os lóbulos laterais tornam-se mais evidentes.

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O lóbulo principal também se torna mais estreito, como se vê na Figura 6. Além disso, os lóbulos laterais tornam-se mais linearmente polarizados em ângulos de baixa elevação (perto de 90°). Para todos os efeitos práticos, em ângulos de baixa elevação em torno de 70° fora do eixo, as ondas são polarizadas quase linearmente (verticalmente) a 350 MHz. Os lóbulos laterais tornam-se mais pronunciados e temos agora uma largura de feixe de meia potência de cerca de 50°, e uma diretividade máxima de 8 (9 dBi).

## Efeito do plano de superfície finito

Também se pode perguntar como é que um plano de solo finito afeta o desempenho da hélice. Para lançar alguma luz sobre isto, construímos um modelo com um plano de solo circular finito de 0,8 diâmetro de comprimento de onda em vez do infinito semi-plano (Figura 7).

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Para o exemplo do plano de terra finito, devemos esperar lóbulos de radiação de contra-ataque significativos, pois haverá alguma difração em torno das bordas do plano de terra. Contudo, vemos que a largura do feixe do lóbulo principal é perturbada apenas ligeiramente em relação ao ideal do plano de solo infinito (ganho ligeiramente reduzido na Figura 8:

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7,1 dBi versus 9 dB para o plano de solo infinito a 300 MHz). Há um ligeiro aumento do squint do feixe em relação ao da hélice apoiada no plano de solo infinito. Os lóbulos laterais do contra-ataque na caixa do plano de terra finito são polarizados elíticamente à esquerda, como resultado da difração em torno do refletor finito. A extensão deste efeito será fortemente dependente da geometria da antena. Portanto, estes resultados não devem ser considerados como representativos de todas as antenas helicoidais com planos de solo finitos.

## Impedância do ponto de alimentação e largura de banda

Uma das coisas notáveis descobertas por Kraus e os seus colegas foi a relativa invariância da impedância do feedpoint da antena helicoidal sobre uma largura de banda surpreendentemente larga. Embora a impedância do feedpoint seja muito sensível à geometria da estrutura de alimentação, a impedância permanece relativamente constante acima de cerca de 60% de largura de banda e é predominantemente resistiva. Para o nosso exemplo de sete voltas, a Figura 9 mostra a impedância do ponto de alimentação para o plano de massa infinito e para o plano de massa finito de 0,8 diâmetros de onda. O plano de terra finito aumenta um pouco a impedância do ponto de alimentação e introduz um pouco mais de variação sobre a banda de operação, mas a variação não é tanto para degradar um casamento de impedância sobre uma largura de banda de operação ampla.

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## Casamento da impedância

Como vemos na Figura 9, a impedância do ponto de alimentação da hélice é claramente demasiado alta para a impedância da antena de 50 ohm esperada pelo equipamento de rádio típico. A correspondência de banda estreita pode ser prontamente realizada utilizando capacitores e indutores em bloco, mas isso impediria a exploração da famosa largura de banda da antena helicoidal. Acontece que a hélice é facilmente igualada sobre uma largura de banda larga modificando a alimentação com uma faixa larga que atua como um transformador de impedância de banda larga, como se vê na Figura 10.

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Uma tira de metal com comprimento de onda ¼ é anexada à primeira curva ¼ da hélice. Isto forma um transformador de linha de transmissão cônico que fornece a correspondência necessária (quase) de frequência independente entre a hélice e a fonte de 50 ohm. A antena de hélice monofilar com uma tira larga 0.04λ ligada à primeira volta ¼ da hélice (utilizando uma aproximação de segmento de fio a uma tira sólida de metal: Figura 11) produz uma impedância de ponto de alimentação muito mais favorável (e portanto VSWR), como se pode ver na Figura 12.

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Na figura 11, as correntes nos segmentos de fio são indicadas pela densidade da cor nos segmentos.Vemos que as correntes são grandes no ponto de alimentação e muito mais baixas no início da hélice, indicativo da acção do transformador da tira. A melhor frequência de operação está perto do meio da banda de operação: 325 MHz, onde a componente reativa da impedância do ponto de alimentação desaparece e a componente resistiva da impedância está perto de 45 ohms (uma boa correspondência com uma impedância de fonte de 50 ohm, VSWR=1,1).

It is remarkable that such a simple impedance matching structure can retain almost the entire bandwidth of the unmatched antenna. From 300 MHz to 370 MHz, the VSWR lies around 1.2 and over the band 240 MHz to 390 MHz, the VSWR is less than 2 (when connected to a 50 ohm system). Whereas an elaborate inductor-capacitor (LC) network may be able to achieve this result, the losses incurred in a wideband LC matching network would render such a network impractical. (A narrowband LC matching network might still find practical use, depending on the application.).

## A hélice quadrifilar longa

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Passamos agora a uma manifestação mais complexa da antena helicoidal: a longa hélice quadrifilar com um plano de solo. Esta antena tem as mesmas dimensões (número de voltas, diâmetro, passo de enrolamento) que a hélice monofilar, mas agora temos quatro hélices co-bobinadas à direita cujos pontos de partida na placa de terra se encontram a intervalos de 90 graus (Figura 13).

Se cada hélice for conduzida numa progressão de 90 graus com a mesma amplitude, como mostrado na figura 14, irradiamos uma onda polarizada circular direita com um padrão de radiação mais apertado do que a antena helicoidal monofilar descrita na tabela 1.

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Se compararmos o desempenho do ganho e da relação axial (relação axial mais elevada= pior polarização circular) da antena quadrifilar com a hélice monofilar, vemos que a antena quadrifilar tem um ganho 2,5 vezes superior (4dB) e uma relação axial superior no eixo (Figura 16).

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O desempenho da relação axial da hélice quadrifilar em baixas elevações degrada-se mais rapidamente do que o da monofilar, mas deve ter-se em mente que o rolloff de ganho é muito mais acentuado para a quadrifilar (ver Figura 17), pelo que a potência polarizada degradada circularmente (isto é, elipticamente) em baixas elevações contribui pouco para o desempenho geral da antena.

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O desempenho de polarização circular da antena quadrifilar é de fato superior ao seu lóbulo principal. O squint do feixe também já não está presente. O feixe principal está perfeitamente no eixo.

A versatilidade da hélice quadrifilar pode justificar a complexidade extra, especialmente se quisermos operar a hélice num modo diferente.

Por exemplo, invertendo a progressão de fase (sentido de rotação da alimentação), excitamos o modo de onda frontal, que é o verdadeiro modo de fogo final da hélice quadrifilar. Uma vez que sai da extremidade aberta da antena, não interage significativamente com o plano do solo e exibe a polarização à esquerda de uma hélice de ferida à direita. A placa de terra serve para refletir os lóbulos laterais na direção da frente.

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## A antena de hélice quadrifilar sem placa de terra

Como podemos operar as hélices como pares equilibrados (ou seja, uma hélice num par com corrente +1 e a outra com -1), revela-se que é útil eliminar o plano de terra todos juntos! Fazendo isto, porém, causa algumas mudanças interessantes na operação da hélice quadrifilar. Mais notoriamente, a remoção da placa de massa inverte a relação entre o sentido de enrolamento das hélices e o sentido de polarização da onda irradiada para o modo de hélice para trás. Ou seja, a antena helicoidal direita irradia uma onda polarizada à esquerda e vice-versa. Outra diferença útil é a capacidade de irradiar feixes de contra-ataque (lóbulos na direcção da alimentação da antena). Além disso, a relação entre a potência irradiada de endfire e backfire pode ser controlada alterando a fase e a amplitude da excitação de cada hélice individual.

Consideremos um exemplo: uma simulação de uma hélice quadrifilar de 7 voltas à esquerda com excitação de elementos para o modo de hélice dianteira produz o padrão de radiação da Figura 19.

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O ganho desta antena é consideravelmente menor a 3 (5 dBi) do que a antena de hélice quadrifilar com a placa de massa (com directividade 15 ou 11,7 dBi). A inversão da progressão de fase das fontes que conduzem as hélices excita o modo de hélice para trás, produzindo um lóbulo de radiação principal de contra-ataque (Figura 20).

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Escolhendo cuidadosamente a excitação, podemos excitar ambos os modos simultaneamente, produzindo tanto radiação de fim de linha como radiação de contra-ataque (Figura 21)!

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Revendo os três padrões anteriores, vemos que o modo de radiação para a frente (endfire) para a nossa geometria de antena escolhida produz um amplo lóbulo de radiação um pouco "esmagado". O modo de radiação para trás (backfire) dá-nos um padrão cardioide de aspecto agradável. Os cálculos indicam que a corrente é muito pequena na extremidade da antena, indicando que as curvas finais não afetam muito o desempenho da antena. A antena poderia ser encurtada sem afetar muito o desempenho.

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**Para resumir as diferenças entre as antenas helicoidais quadrifilares apoiadas no solo e as antenas não apoiadas no solo, temos:**

- Tipicamente, o modo normalmente desejado é quando o sentido de enrolamento da hélice e o sentido de polarização correspondem às antenas apoiadas na placa de massa (com algumas excepções).

- Para quadrifilares sem placa de massa, o sentido de enrolamento da hélice é o oposto do sentido de polarização esperado.

- Para quadrifilares sem placa de terra, é possível a radiação de contra-ataque (e, como veremos com os pequenos quadrifilares, desejável).

- Para os quadrifilares sem a placa de terra, o modo de contra-ataque produz normalmente um melhor padrão de radiação do que o modo de endfire, ou seja, maior directividade, menos lóbulos laterais.
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## Pequenos quadrifilares: a antena helicoidal quadrifilar ressonante backfire

Até agora, considerávamos grandes antenas helicoidais que exibiam grandes larguras de banda e direccionalidades. Estas antenas são úteis para montagem em estações fixas ou satélites, onde são exigidos feixes altamente direccionais e/ou grande largura de banda, mas a compacidade não é uma restrição de concepção. A antena monofilar requer um plano de terra para funcionar correctamente, o que contribui para o seu volume. A antena quadrifilar, porque pode ser alimentada com um par de fontes equilibradas, pode ser concebida sem uma placa de terra. Podemos explorar esta propriedade da hélice quadrifilar também em desenhos helicoidais compactos. Este é o ponto de partida para a discussão da antena quadrifilar compacta ressonante de backfire.

As aplicações móveis e portáteis colocam restrições apertadas ao tamanho da antena. Manter a polarização circular e dar uma cobertura quase hemisférica (uma vez que a orientação da antena durante o funcionamento é muitas vezes desconhecida) são características úteis. A pequena hélice quadrifilar ressonante é uma antena ideal para estas aplicações.

Normalmente, esta antena consiste em quatro hélices de ¼ ou ½ viradas e faseadas numa progressão de 90 graus, como na longa hélice quadrifilar acima descrita. A forma é um pouco como uma "batedeira de ovos torcida", como mostra a figura 22. O ponto de alimentação está no topo da antena e a sensação da torção é oposta à polarização desejada (como no nosso "espaço livre" longo quadrifilar discutido acima). A progressão da fase de alimentação é definida em oposição ao sentido de torção para excitar o modo de onda de retrocesso da hélice, o que dá origem à radiação de retrocesso. Este faseamento pode ser gerado numa rede externa, mas é possível eliminar as redes externas de faseamento através de um cuidadoso dimensionamento dos laços.

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Acontece que ao tornar um par de hélices ligeiramente maior do que o outro, e ao ligar a alimentação como na representação inferior na Figura 22, podemos auto-gerar a excitação em quadratura. Utilizando uma técnica que lembra o método "quase quadrado" de geração da quadratura em antenas de mancha circularmente polarizadas, um laço está acima da ressonância e o outro abaixo, de tal forma que a diferença de fase actual é exactamente de 90°. A escolha judiciosa das dimensões também colocará a impedância do ponto de alimentação perto dos 50 ohms, e assegurará uma divisão igual da potência entre os loops grandes e pequenos. Depois de optimizar um pouco as dimensões, chegamos às especificações apresentadas no Quadro 2:

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A impedância do ponto de alimentação resultante indica essencialmente uma correspondência perfeita a 300 MHz na figura 23. Um VSWR de 2 ou menos é alcançado entre 292 MHz e 308 MHz; aproximadamente 5% de largura de banda fraccionada (metade dessa quantidade, se quisermos manter o VSWR abaixo de 1,5). A estreita largura de banda desta estrutura indica que as propriedades de radiação dependem muito fortemente de pequenas variações da geometria da antena. A construção desta antena requer boa atenção aos detalhes, se se espera obter um bom desempenho.

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O padrão de radiação na Figura 24 mostra a boa cobertura hemisférica alcançada com esta antena. O leitor atento notará como a forma cardioide é semelhante ao padrão de radiação gerado pela hélice quadrifilar longa de contra-ataque na secção anterior.

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A polarização circular é de uma qualidade razoável. A relação axial sobre o lóbulo principal é inferior a 2 dB (ou seja, de 0-110° em relação à vertical).

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Apesar da falta de uma placa de terra física, a relação frente/trás é surpreendentemente boa no (melhor do que 10 dB).

# Resumo

Isto conclui o nosso breve levantamento de três importantes antenas helicoidais de modo axial. A discussão da hélice monofilar fornece uma linha de base para o funcionamento, bem como uma ligação histórica ao trabalho inicial de Kraus em antenas helicoidais. Tópicos importantes, tais como a correspondência de impedância de banda larga, são também brevemente abordados. Passando às antenas helicoidais quadrifilares, estudamos algumas das formas versáteis em que estas antenas se comportam à medida que alteramos a excitação dos elementos helicoidais individuais.

Enquanto a antena helicoidal monofilar de modo axial está limitada a uma única polarização definida pela sua geometria de enrolamento e deve utilizar uma placa de solo, as hélices quadrifilares podem ser operadas numa combinação de modos que proporcionam controlo sobre o padrão de radiação e mistura de polarização. Não são necessárias placas de terra se a antena quadrifilar for operada como um par de hélices equilibradas. Isto revela-se muito útil para a concepção de antenas helicoidais compactas ressonantes para aplicações portáteis.

Os desenhadores precisam de estar conscientes de como a presença ou ausência da placa de terra altera o comportamento da radiação da antena. Notavelmente, o sentido de enrolamento da hélice corresponde geralmente ao sentido de polarização quando uma placa de terra está presente. Quando a placa de massa está ausente, o sentido de enrolamento e o sentido de polarização são normalmente opostos. Além disso, deve ter-se o cuidado de assegurar que a excitação do ponto de alimentação produz a direção de radiação desejada (endfire ou backfire), dependendo da aplicação.

Neste artigo descrevemos a forma mais básica da hélice ressonante compacta. Nos últimos anos, muitas variações desta antena foram desenvolvidas para utilização em dispositivos comerciais. Por exemplo, a antena pode ser ainda mais miniaturizada utilizando um núcleo dielétrico dentro da hélice. Outras modificações incluem a integração de baluns e versões do núcleo dielétrico da hélice compacta que melhoram as características de impedância da radiação e do ponto de alimentação.

Desde o início modesto como curiosidade de investigação, a antena helicoidal tornou-se uma das mais importantes antenas circularmente polarizadas para comunicações de alta frequência. É indispensável em aplicações espaciais, devido à sua simplicidade, elevado ganho, grande largura de banda e baixa massa. As ligações de rádio terrestre de baixa potência e os terminais de navegação e comunicação portáteis continuam a fornecer um mercado para milhões de antenas helicoidais pequenas e grandes também.

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