Моделируем антенну хеликон при помощи PyNEC

За последний год я изготовил несколько спиральных антенн, а также их варианта под названием хеликон. Выяснилось, что доработка спиральной антенны до хеликона дает прирост усиления меньше ожидаемого. Мне захотелось смоделировать данные антенны в NEC2, чтобы понять причину.

Вручную моделировать хеликон в терминах карт и колод движка NEC2 – занятие безрадостное, поэтому задача была делегирована Gemini 3.6 Flash. Последний неплохо пишет на Python, а для Python есть знакомая нам библиотека PyNEC. Делегировать LLM-агентам следует лишь ту работу, результат которой можно тщательно проверить. Спрашивается, как проверить модель антенны?

Во-первых, визуально. Просим агента построить трехмерное изображение и убеждаемся, что провода расположены верно. Во-вторых, проверяем инварианты. Среднее усиление должно составлять около единицы. Антенна должна обладать ожидаемой поляризацией, RHCP или LHCP. Главный лепесток должен быть направлен туда, куда смотрит спираль. В-третьих, выборочно изготавливаем несколько антенн и сравниваем их свойства с предсказанными моделью. Были применены все перечисленные методы.

Вот трехмерное изображение хеликона из пяти витков:

Точка запитки расположена в центре рефлектора. К спирали от нее идет отрезок однопроводной линии. Входное сопротивление антенны мы так не узнаем. Я пробовал ставить точку запитки в начале спирали. В этом случае модель получается некорректной, с низким средним усилением. Также выясняется, что входное сопротивление сильно зависит от выбранного расстояния между спиралью и рефлектором.

Похоже, что NEC2 – не лучший движок для вычисления входного сопротивления спиральных антенн. К счастью, оно не является таким уж большим секретом. Было решено сосредоточиться на диаграммах направленности и усилении, поскольку они представляют куда больший интерес.

Вот что происходит с антенной из пяти витков, когда квадратный рефлектор заменяется на конус:

Конус подавляет боковые лепестки. Также наблюдаем рост усиления на 1.86 dB. Данное значение близко к тому, что я измерил на практике. Но как получается, что в научных статьях обещают прирост усиления 3+ dB, а здесь он существенно ниже?

Для ответа на этот вопрос возьмем спиральную антенну и антенну хеликон. Запустим перебор двух параметров – шага намотки и диаметра спирали. Посмотрим, как от них зависит усиление обеих антенн.

Получаем такие диаграммы:

Оптимальные параметры для хеликона отличаются от оптимальных параметров для спиральной антенны. Белым квадратам соответствуют модели, отброшенные, как нереалистичные.

Когда в статьях заявляется прирост усиления 3 dB, авторы используют такую методику. Берем хеликон с большим количеством витков. Оптимизируем его параметры. Измеряем усиление. Заменяем конус на квадратный рефлектор. Измеряем усиление. Получаем 3 dB разницы. Делаем вывод, что хеликон дает прирост усиления 3 dB.

Однако эти рассуждения неверны. Если применить их к предыдущим диаграммам, то прирост усиления составит невероятные 6+ dB. А если сначала сделать спиральную антенну, после чего приделать к ней конус, то можно не получить никакого усиления, а то и вовсе получить ослабление.

Следует сравнивать оптимизированный хеликон с оптимизированной спиральной антенной. Тогда получаем такие графики:

Из них следует, что рефлектор в форме конуса и вправду дает прирост усиления до 3.5 dB, но лишь при малом числе витков. При большом числе витков следует ожидать прироста не более 2 dB.

Имея на руках модель хеликона, делаем еще одно наблюдение. Аппроксимация конуса пирамидой с малым числом граней приводит к падению усиления. Например, если в оптимизированном хеликоне из восьми витков снизить количество граней с 48 до 36, то усиление упадет на 0.5 dB. При дальнейшем уменьшении числа граней тенденция сохраняется.

Подведем итоги:

• Хеликон дает прирост усиления до 3.5 dB по сравнению со спиральной антенной. Однако для восьми и более витков прирост составляет ≤ 2 dB;
• Предыдущий пункт верен лишь в случае, если хеликон оптимизирован в моделировщике;
• Если просто взять спиральную антенну и приделать к ней конус, то можно получить малый прирост усиления, никакого прироста или даже ослабление;
• Замена конуса на пирамиду с малым числом граней приводит к существенному падению усиления;

Архив со всеми исходниками к посту, а также множеством предварительно рассчитанных диаграмм, вы найдете здесь. Как всегда, любая обратная связь приветствуется.