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，因此被廣泛在衛(wèi)星通訊，個人移動通信中。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，也可用做單獨的天線（由一個或幾個螺旋線組成）。2 螺旋天線的發(fā)展螺旋天線的輻射能力是美國科學(xué)家 JohnD.Kraus于1947年在實驗中發(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很快在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。許多學(xué)者對螺旋天線的輻射特性進行了研究，給出了螺旋天線輻射設(shè)計多經(jīng)驗公式。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形式的螺旋天線進行了比較系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計研究。此后各國學(xué)者進行了這方面的研究，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，得到了深入的發(fā)展和實際應(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。天線實現(xiàn)了幾乎最優(yōu)化的UWB性能，通過采用圍繞一個金屬中心核而卷繞的臂來維持與臂之

3、間相對不變的距離，幾乎完整的利用了天線罩內(nèi)的整個三維空間。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)用以及時域或脈沖應(yīng)用。在低成本的應(yīng)用中，該設(shè)計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，可同時在兩個頻率工作。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的比值，當(dāng)該比值小于0.18時，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。此時它的特性與單極細線天線相仿，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l=M(M=2，3，整數(shù))時，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，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。許多美國的衛(wèi)星，包括氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星（Comsat）、艦隊通信衛(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)星還裝置了個螺旋的陣列。當(dāng) D/進一步增大時，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、圈的長度， N圈數(shù)； h軸向長度，h=Ns。 天線尺寸較波長很小時(N)，此時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對于小電流元，遠場r處的電場強度近似為對于小電流環(huán)，設(shè)等效電流環(huán)面積為A，則遠場r處的電場強度近似為則螺旋線的場分布可視為二者的疊加。把比值作為軸比，軸比為1時，實現(xiàn)圓極化，此時以上分析是將天線等效為小圓環(huán)和線電流的疊加進行分析，當(dāng)螺旋N圈后，螺旋天線可認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，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；天線的兩個螺旋臂方程分別是式中r0為起始矢徑，對應(yīng)于=0的矢徑。 a為增長率。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，傳輸線不產(chǎn)生輻射。當(dāng)螺旋線外徑達到波長時，在圖中分別用虛線和實線表示這兩個臂。以圖6簡化模型研究圖中P、P點處的兩線，設(shè)，即P和Q為兩臂上的對應(yīng)點，當(dāng)螺旋線周長近似為輻射頻率波長時，對應(yīng)線段上的電流相位差為+(2/)r，為2，相位增強，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。這樣不僅可以實現(xiàn)非平衡與平衡的裝換和可以同時實現(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)進行饋電；相應(yīng)的前者天線臂長為/4的偶數(shù)倍，后者天線臂長為/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，也會對天線的性能進行影響。6 結(jié)束語螺旋天