螺旋天線(xiàn)綜述

1、螺旋天線(xiàn)綜述1引言螺旋天線(xiàn)(helical antenna)是用導(dǎo)電性良好的的金屬做成的具有螺旋形狀的天線(xiàn)。螺旋天線(xiàn)具有圓極化，波束寬度寬的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛在衛(wèi)星通訊，個(gè)人移動(dòng)通信中。同軸線(xiàn)饋電是螺旋天線(xiàn)的常用饋電方式，可以采用底饋或者頂饋，此時(shí)同軸線(xiàn)的內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)和螺旋線(xiàn)的一端相連接，外導(dǎo)線(xiàn)則和接地板(金屬圓盤(pán)或矩形板狀等)相接，螺旋線(xiàn)的另一 端是處于自由狀態(tài)。螺旋天線(xiàn)既可用做反射鏡或透鏡的輻射器，也可用做單獨(dú)的天線(xiàn)(由一個(gè)或幾個(gè)螺旋線(xiàn)組成)。2螺旋天線(xiàn)的發(fā)展螺旋天線(xiàn)的輻射能力是美國(guó)科學(xué)家JohnD.Kraus于1947年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，自此之后，螺旋天線(xiàn)以其在寬頻帶上具有近乎一致的電阻性輸入阻抗

2、和在同樣的頻帶上按“超增益”端射陣的波瓣圖工作特點(diǎn)很快在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。許多學(xué)者對(duì)螺旋天線(xiàn)的輻射特性進(jìn)行了研究，給出了螺旋天線(xiàn)輻射設(shè)計(jì)多經(jīng)驗(yàn)公式。20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)科學(xué)家尤爾采夫和魯諾夫?qū)Ω鞣N形式的螺旋天線(xiàn)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的 理論分析和設(shè)計(jì)研究。此后各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究，延伸出了很多變種，尤其是四臂螺旋天線(xiàn)因其高增益，方向性好，圓極化的特點(diǎn)，得到了深入的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用，如圖1所2008年弗吉尼亞大學(xué)的 Warren Stutzman教授制成了一種六臂螺旋天線(xiàn)，如圖2所示。天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了幾乎最優(yōu)化的 UWB能，通過(guò)采用圍繞一個(gè)金屬中心核而卷繞的臂來(lái)維持與臂之間 相對(duì)不變的距離，幾乎完

3、整的利用了天線(xiàn)罩內(nèi)的整個(gè)三維空間。該天線(xiàn)具有10:1的瞬間帶寬，它可以被用于頻域、多帶寬、多信道應(yīng)用以及時(shí)域或脈沖應(yīng)用。在低成本的應(yīng)用中，該設(shè)計(jì) 可以被蝕刻在天線(xiàn)罩的內(nèi)部，或由曲線(xiàn)或曲管構(gòu)建。圖1圖23螺旋天線(xiàn)的分類(lèi)及特性螺旋天線(xiàn)可分為立體螺旋天線(xiàn)(helical antenna)和平面螺旋天線(xiàn) (spiral antenna )。立體螺旋天線(xiàn)根據(jù)繞成的形狀的不同，又可分成圓柱形螺旋天線(xiàn)、圓錐形螺旋天線(xiàn)等等。圓錐形螺旋天線(xiàn)又稱(chēng)為盤(pán)旋螺線(xiàn)型天線(xiàn)，可同時(shí)在兩個(gè)頻率工作。平面螺旋天線(xiàn)的基本形式為等角螺旋天線(xiàn)和阿基米德螺旋天線(xiàn)。在結(jié)構(gòu)上又有單臂、雙臂、四臂之分。平面螺旋天線(xiàn)一 般在后面添加背腔來(lái)提高增

4、益。立體螺旋天線(xiàn)的特性很大程度上決定于螺旋天線(xiàn)的直徑與波長(zhǎng)的比值，當(dāng)該比值小于0.18時(shí)，天線(xiàn)的主射方向垂直與螺旋天線(xiàn)軸，如下圖3 (a)所示，這種工作模式稱(chēng)為法向模。此時(shí)它的特性與單極細(xì)線(xiàn)天線(xiàn)相仿，具有8字形方向圖，并且頻帶很窄，一般用作小功率電臺(tái)的通信天線(xiàn)。若在螺旋的中心軸線(xiàn)上放置一根金屬導(dǎo)體，當(dāng)螺旋一圈的周長(zhǎng) l=M入(M=2, 3,整數(shù))時(shí)，也在螺旋的法向產(chǎn)生最大輻射。這種天線(xiàn)可用作電視發(fā)射天線(xiàn)。當(dāng)該比值在0.25 0.42之間時(shí)，天線(xiàn)的主射方向在天線(xiàn)軸向上，如下圖 3 (b)所示，這 中工作模式稱(chēng)為軸向模，此種類(lèi)型天線(xiàn)具有明顯的端射特性且它的互阻抗幾乎可以忽略，因此很容易用來(lái)組陣。許

5、多美國(guó)的衛(wèi)星，包括氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星(Comsat)、艦隊(duì)通信衛(wèi)星(Fleetsatcom )、全球定位衛(wèi)星(GPS、西聯(lián)衛(wèi)星(Westar)以及跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星， 全都采用這種螺旋天線(xiàn)，中繼衛(wèi)星還裝置了個(gè)螺旋的陣列。當(dāng)D/入進(jìn)一步增大時(shí)，最大輻射方向偏離軸線(xiàn)方向，天線(xiàn)的輻射呈圓錐狀，如下圖 3 (c)所示，一般用于電磁對(duì)抗天線(xiàn)。4J/A>0,5圖34螺旋天線(xiàn)的原理A.單臂螺旋天線(xiàn)是陣列天線(xiàn)中的常用形式，使用軸向模工作，下面從單圈螺旋和多圈螺旋 兩個(gè)角度闡述其輻射原理：參考圖如圖4金屬接地板10圈的長(zhǎng)度,軸向長(zhǎng)度，h=NSo天線(xiàn)尺寸較波長(zhǎng)很小時(shí)（Nl0<<入），此時(shí)天線(xiàn)可等

6、效為小電流元和小電流環(huán)的疊加,如下圖5所示:圖5對(duì)于小電流元，遠(yuǎn)場(chǎng)r處的電場(chǎng)強(qiáng)度近似為j60 二I sin 二 SE=r對(duì)于小電流環(huán)，設(shè)等效電流環(huán)面積為A,則遠(yuǎn)場(chǎng)r處的電場(chǎng)強(qiáng)度近似為120 二 2Isin 二 AE 二2則螺旋線(xiàn)的場(chǎng)分布可視為二者的疊加。把比值作為軸比，Eu上E ;；2 -A軸比為1時(shí)，實(shí)現(xiàn)圓極化，此時(shí)二D = . 2S.以上分析是將天線(xiàn)等效為小圓環(huán)和線(xiàn)電流的疊加進(jìn)行分析，當(dāng)螺旋N圈后，螺旋天線(xiàn)可認(rèn)為是由螺旋元素組成的天線(xiàn)陣，陣因子Yn為:n sin 12Yn =-n . sin 一2疊加后的方向圖如圖5所示:圖5E0為單螺旋元素的垂直極化方向圖E中為單螺旋元素的垂直極化方向圖

7、EEYnE = E T * Yn此時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)E。和E?的方向圖變的比較接近，比較接近于陣因子的方向圖。B.以阿基米德螺旋天線(xiàn)為例說(shuō)明基本平面螺旋天線(xiàn)的原理;天線(xiàn)的兩個(gè)螺旋臂方程分別是I = L a :（:? . 0）r2 = r0 a（1-二）（：-'_ 一）式中r0為起始矢徑，對(duì)應(yīng)于。=0的矢徑。a為增長(zhǎng)率。這一天線(xiàn)的性能基本上與等角螺 旋天線(xiàn)類(lèi)似。心） 0）圖6我們可以近似地將螺旋線(xiàn)等效為雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)，根據(jù)傳輸線(xiàn)理論，兩根傳輸線(xiàn)上的電流反相，當(dāng)兩線(xiàn)之間的間距很小時(shí)，傳輸線(xiàn)不產(chǎn)生輻射。當(dāng)螺旋線(xiàn)外徑達(dá)到波長(zhǎng)時(shí)，在圖中分別用虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)表示這兩個(gè)臂。以圖 6簡(jiǎn)化模型研究圖中P、P'

8、點(diǎn)處的兩線(xiàn)，設(shè) PO =OQ , 即P和Q為兩臂上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，當(dāng)螺旋線(xiàn)周長(zhǎng)近似為輻射頻率波長(zhǎng)時(shí)， 對(duì)應(yīng)線(xiàn)段上的電流相位差 為兀+（2兀/入）兀，為2兀，相位增強(qiáng)，天線(xiàn)向外輻射。5.螺旋天線(xiàn)的應(yīng)用及新技術(shù)雙臂螺旋天線(xiàn)一般采用饋電方式為折疊式非平衡-平衡饋電方式和 入/4開(kāi)槽的同軸饋電方式。這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)非平衡與平衡的裝換和可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配。如下圖7所示。圖7此種形式的雙臂螺旋天線(xiàn)具有較寬的主瓣寬度基本可以滿(mǎn)足第一時(shí)間捕獲衛(wèi)星的要求。方向圖如圖8所示。F MrhEkl 4*Brfir ld /Di4tr1iviily_Ab91 hetnjIBA圖8雙臂螺旋天線(xiàn)方向圖2四臂螺旋天線(xiàn)不僅要有較寬

9、的主瓣寬度，還要求在低仰角時(shí)也具有良好的圓極化特性，四臂螺旋天線(xiàn)就可以很好的滿(mǎn)足此種要求，適用于GP狀線(xiàn)。四臂螺旋天線(xiàn)易于調(diào)節(jié)，調(diào)整四臂螺旋天線(xiàn)的 D/入，使其表現(xiàn)出邊射特性， 然后通過(guò)增大螺旋的圈數(shù)來(lái)提高天線(xiàn)的增 益，通過(guò)改變螺距來(lái)調(diào)節(jié)天線(xiàn)的輻射仰角。四臂螺旋天線(xiàn)一般采用無(wú)限巴倫或者微帶功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋電；相應(yīng)的前者天線(xiàn)臂長(zhǎng)為入/4的偶數(shù)倍，后者天線(xiàn)臂長(zhǎng)為 入/4的奇數(shù)倍。一般情況下四臂螺旋天線(xiàn)在低仰角的軸比不 大于4dB,如果要求更高可采用八臂螺旋或是更多臂數(shù)的螺旋。另外可以采用方形結(jié)構(gòu)螺旋，從而由于增加車(chē)§射表面積，具有更高的輻射效率。 在四臂螺旋天線(xiàn)中間加載小型化介質(zhì)則可以大大縮小天線(xiàn)的尺寸，在末端采用開(kāi)放或者封閉的形 式，也會(huì)對(duì)天線(xiàn)