螺旋天線綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上螺旋天線綜述1 引言螺旋天線(helical antenna)是用導(dǎo)電性良好的的金屬做成的具有螺旋形狀的。螺旋天線具有圓極化，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。同軸線饋電是螺旋天線的常用饋電方式，可以采用底饋或者頂饋，此時(shí)同軸線的內(nèi)導(dǎo)線和螺旋線的一端相連接，外導(dǎo)線則和接地板（金屬圓盤或矩形板狀等）相接，螺旋線的另一端是處于自由狀態(tài)。螺旋天線既可用做反射鏡或透鏡的輻射器，也可用做單獨(dú)的天線（由一個(gè)或幾個(gè)螺旋線組成）。2 螺旋天線的發(fā)展螺旋天線的輻射能力是美國(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，螺旋天線以其在寬頻帶上具

2、有近乎一致的電阻性輸入阻抗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)螺旋天線的輻射特性進(jìn)行了研究，給出了螺旋天線輻射設(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所示。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，如圖2所示。天線實(shí)現(xiàn)了幾乎最優(yōu)化的UWB性能，通過采用圍繞一個(gè)金屬中心核而卷繞的臂來維持與臂之

3、間相對(duì)不變的距離，幾乎完整的利用了天線罩內(nèi)的整個(gè)三維空間。該天線具有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)可以被蝕刻在天線罩的內(nèi)部，或由曲線或曲管構(gòu)建。圖1 圖23 螺旋天線的分類及特性螺旋天線可分為立體螺旋天線(helical antenna)和平面螺旋天線（spiral antenna）。立體螺旋天線根據(jù)繞成的形狀的不同，又可分成圓柱形螺旋天線、圓錐形螺旋天線等等。圓錐形螺旋天線又稱為盤旋螺線型天線，可同時(shí)在兩個(gè)頻率工作。平面螺旋天線的基本形式為等角螺旋天線和阿基米德螺旋天線。在結(jié)構(gòu)上又有單臂、雙臂、四臂之分。平面螺旋天線一般在

4、后面添加背腔來提高增益。立體螺旋天線的特性很大程度上決定于螺旋天線的直徑與波長(zhǎng)的比值，當(dāng)該比值小于0.18時(shí)，天線的主射方向垂直與螺旋天線軸，如下圖3（a）所示，這種工作模式稱為法向模。此時(shí)它的特性與單極細(xì)線天線相仿，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。若在螺旋的中心軸線上放置一根金屬導(dǎo)體，當(dāng)螺旋一圈的周長(zhǎng)l=M(M=2，3，整數(shù))時(shí)，也在螺旋的法向產(chǎn)生最大輻射。這種天線可用作電視發(fā)射天線。當(dāng)該比值在0.25一0.42之間時(shí)，天線的主射方向在天線軸向上，如下圖3（b）所示，這中工作模式稱為軸向模，此種類型天線具有明顯的端射特性且它的互阻抗幾乎可以忽略，因此很容易用來組

5、陣。許多美國(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，中繼衛(wèi)星還裝置了個(gè)螺旋的陣列。當(dāng) D/進(jìn)一步增大時(shí)，最大輻射方向偏離軸線方向，天線的輻射呈圓錐狀，如下圖3（c）所示，一般用于電磁對(duì)抗天線。圖34 螺旋天線的原理A. 單臂螺旋天線是陣列天線中的常用形式，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：圖4參考圖如圖4所示，螺旋天線的幾何參數(shù)可用下列符號(hào)表示： D螺旋的直徑； a螺旋線導(dǎo)線的半徑； S螺距，即每圈之間的距離； 螺距角， 一

6、圈的長(zhǎng)度， N圈數(shù)； h軸向長(zhǎng)度，h=Ns。 天線尺寸較波長(zhǎng)很小時(shí)(N)，此時(shí)天線可等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)度近似為則螺旋線的場(chǎng)分布可視為二者的疊加。把比值作為軸比，軸比為1時(shí)，實(shí)現(xiàn)圓極化，此時(shí)以上分析是將天線等效為小圓環(huán)和線電流的疊加進(jìn)行分析，當(dāng)螺旋N圈后，螺旋天線可認(rèn)為是由螺旋元素組成的天線陣，陣因子為：疊加后的方向圖如圖5所示：圖5為單螺旋元素的垂直極化方向圖為單螺旋元素的垂直極化方向圖=*=*此時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)E和EØ的方向圖變的比較接近，比較接近于陣因子的方向圖

7、。B. 以阿基米德螺旋天線為例說明基本平面螺旋天線的原理；天線的兩個(gè)螺旋臂方程分別是式中r0為起始矢徑，對(duì)應(yīng)于=0的矢徑。 a為增長(zhǎng)率。這一天線的性能基本上與等角螺旋天線類似。 圖6我們可以近似地將螺旋線等效為雙線傳輸線，根據(jù)傳輸線理論，兩根傳輸線上的電流反相，當(dāng)兩線之間的間距很小時(shí)，傳輸線不產(chǎn)生輻射。當(dāng)螺旋線外徑達(dá)到波長(zhǎng)時(shí)，在圖中分別用虛線和實(shí)線表示這兩個(gè)臂。以圖6簡(jiǎn)化模型研究圖中P、P點(diǎn)處的兩線，設(shè)，即P和Q為兩臂上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，當(dāng)螺旋線周長(zhǎng)近似為輻射頻率波長(zhǎng)時(shí)，對(duì)應(yīng)線段上的電流相位差為+(2/)r，為2，相位增強(qiáng)，天線向外輻射。 5. 螺旋天線的應(yīng)用及新技術(shù)雙臂螺旋天線一般采用饋電方式為折疊

8、式非平衡-平衡饋電方式和/4開槽的同軸饋電方式。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具有較寬的主瓣寬度基本可以滿足第一時(shí)間捕獲衛(wèi)星的要求。方向圖如圖8所示。圖8 雙臂螺旋天線方向圖2 四臂螺旋天線不僅要有較寬的主瓣寬度，還要求在低仰角時(shí)也具有良好的圓極化特性，四臂螺旋天線就可以很好的滿足此種要求，適用于GPS天線。四臂螺旋天線易于調(diào)節(jié)，調(diào)整四臂螺旋天線的D/，使其表現(xiàn)出邊射特性，然后通過增大螺旋的圈數(shù)來提高天線的增益，通過改變螺距來調(diào)節(jié)天線的輻射仰角。四臂螺旋天線一般采用無限巴倫或者微帶功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋電；相應(yīng)的前者天線臂長(zhǎng)為/4的偶數(shù)倍，后者天線臂長(zhǎng)為/4的奇數(shù)倍。一般情況下四臂螺旋天線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，從而由于增加輻射表面積, 具有更高的輻射效率。在四臂螺旋天線中間加載小型化介質(zhì)則可以大大縮小天線的尺寸，在末端采用開放或者封閉的形式，也會(huì)對(duì)天線的性能進(jìn)行影響。6 結(jié)束語螺旋天