[科普中国]-四臂螺旋天线

简介基本结构

J．D．Kraus第一次发现了螺旋结构天线，并为螺旋天线的应用与发展做出了重大贡献。

典型的螺旋天线一般为圆柱形，通常由金属丝缠绕而成。其结构如图1所示。螺旋天线结构的空间特征参量有三个：螺旋高度、螺距和直径。

C．C．Kilgus在1968年提出了谐振式四臂螺旋结构天线，典型结构如图所示。

它由四根螺旋臂组成，每根的长度为四分之一波长的整数倍。四根螺旋臂馈电端的电流幅度相等，相位依次相差90°这就要求馈电网络在满足功率分配的同时，还要考虑到相移条件限制。1

由于四臂螺旋天线具有心形方向图、良好的前后比及优异的宽波束圆极化特性，十分适合用作卫星定位系统的接收天线。2

结构参数谐振式四臂螺旋天线的结构参数可由下式确定

其中：Lax为螺旋的轴向长度（mm），Lele为螺旋臂的长度（mm），r0为螺旋的半径（mm），N为螺旋的圈数。

A = 1 M 为奇数时

2 M 为偶数时3

90°相移结构为了产生90°相移，传统可以采用下列两种形式：（1）通过馈电网络，一般采用3dB定向耦合器；（2）通过自相移结构，双臂螺旋1的单元要调长于谐振长度以产生一个相角为+ 45 的输入阻抗，双臂螺线2 则调短以产生- 45 的相角。

自相移结构的四臂螺旋天线，尽管结构简单，但由于相位控制需要结构同时满足很多条件，实现起来相对困难，而且该结构的带宽较窄。而采用3dB 定向耦合器进行馈电，虽然结构复杂，但能很好的实现相位控制。3

平衡馈电谐振式四臂螺旋天线馈电结构除了产生90°相移的，还需要考虑平衡馈电. 几种不同形式的平衡馈电结构已经应用在谐振式四臂螺旋天线中，如U 型管、开槽线等. 为了节省重量和降低结构的复杂度，可采用一种精巧的无限巴伦结构：同轴馈电电缆内导体延伸至螺旋臂1 内，在天线顶部内导体连接到对面的螺旋臂3 上，螺旋臂3、4 之间以及螺旋臂1 的外导体与螺旋臂2 之间焊接在一起. 如图所示.

这种平衡馈电结构，利用了同轴电缆的内导体外壁与外导体内壁上的电流大小相等、方向相反的特点.

这样前面所述的90°自相移结构与无限巴伦一起构成了谐振式四臂螺旋天线的馈电结构，该结构简单且便于调试.3

理论分析分析四臂螺旋天线工作原理及辐射远场的方法有多种。A．Sharaiha提出了基于MEI积分公式的方法计算天线的阻抗及辐射远场；Chen Chen应用矩量法研究了天线的辐射方向图及电流分布：Cheng—Wei讨论了四臂螺旋天线的谐振模式及行波模式。

Kilgus．C．C提出了一种等效方法来研究四臂螺旋天线的工作原理。四臂螺旋天线可以看作是两股相互垂直于轴线的双臂螺旋线组成，其馈电相位相差90。。由于处在谐振状态．螺旋线上的电流分布近似认为是正弦分布，电流零点位于螺旋线中间。所以，其中一条双臂螺旋线可以看作是一根线偶极子及一根半环偶极子组成结构如图3所示。箭头表示电流流向，而中间虚线表示的电流Ip是圆环电流矢量之和。模型可以进一步等效简化如图4所示，螺旋线上的电流分布接近于方形的环偶极子。2