螺旋天线综述

螺旋天线综述
1 引言
螺旋天线(helical antenna)是用导电性良好的的金属做成的具有螺旋形状的天线。

螺旋天线具有圆极化，波束宽度宽的优点，因此被广泛在卫星通讯，个人移动通信中。

同轴线馈电是螺旋天线的常用馈电方式，可以采用底馈或者顶馈，此时同轴线的内导线和螺旋线的一端相连接，外导线则和接地板（金属圆盘或矩形板状等）相接，螺旋线的另一端是处于自由状态。

螺旋天线既可用做反射镜或透镜的辐射器，也可用做单独的天线（由一个或几个螺旋线组成）。

2 螺旋天线的发展
螺旋天线的辐射能力是美国科学家 JohnD.Kraus于1947年在实验中发现的，自此之后，螺旋天线以其在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗和在同样的频带上按“超增益”端射阵的波瓣图工作特点很快在各领域得到了广泛的应用。

许多学者对螺旋天线的辐射特性进行了研究，给出了螺旋天线辐射设计多经验公式。

20世纪70年代，苏联科学家尤尔采夫和鲁诺夫对各种形式的螺旋天线进行了比较系统的理论分析和设计研究。

此后各国学者进行了这方面的研究，延伸出了很多变种，尤其是四臂螺旋天线因其高增益，方向性好，圆极化的特点，得到了深入的发展和实际应用，如图1所示。

2008年弗吉尼亚大学的Warren Stutzman教授制成了一种六臂螺旋天线，如图2所示。

天线实现了几乎最优化的UWB性能，通过采用围绕一个金属中心核而卷绕的臂来维持与臂之间相对不变的距离，几乎完整的利用了天线罩内的整个三维空间。

该天线具有10:1的瞬间带宽，它可以被用于频域、多带宽、多信道应用以及时域或脉冲应用。

在低成本的应用中，该设计可以被蚀刻在天线罩的内部，或由曲线或曲管构建。

图1 图2
3 螺旋天线的分类及特性
螺旋天线可分为立体螺旋天线(helical antenna)和平面螺旋天线（spiral antenna）。

立体螺旋天线根据绕成的形状的不同，又可分成圆柱形螺旋天线、圆锥形螺旋天线等等。

圆锥形螺旋天线又称为盘旋螺线型天线，可同时在两个频率工作。

平面螺旋天线的基本形式为等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线。

在结构上又有单臂、双臂、四臂之分。

平面螺旋天线一般在后面添加背腔来提高增益。

立体螺旋天线的特性很大程度上决定于螺旋天线的直径与波长的比值，当该比值小于0.18时，天线的主射方向垂直与螺旋天线轴，如下图3（a）所示，这种工作模式称为法向模。

此时它的特性与单极细线天线相仿，具有8字形方向图，并且频带很窄，一般用作小功率电台的通信天线。

若在螺旋的中心轴线上放置一根金属导体，当螺旋一圈的周长l=Mλ(M=2，3，…整数)时，也在螺旋的法向产生最大辐射。

这种天线可用作电视发射天线。

当该比值在0.25一0.42之间时，天线的主射方向在天线轴向上，如下图3（b）所示，这中工作模式称为轴向模，此种类型天线具有明显的端射特性且它的互阻抗几乎可以忽略，因此很容易用来组阵。

许多美国的卫星，包括气象卫星、通信卫星（Comsat）、舰队通信卫星（Fleetsatcom）、全球定位卫星（GPS）、西联卫星（Westar）以及跟踪与数据中继卫星，全都采用这种螺旋天线，中继卫星还装置了个螺旋的阵列。

当D/λ进一步增大时，最大辐射方向偏离轴线方向，天线的辐射呈圆锥状，如下图3（c）所示，一般用于电磁对抗天线。

图3
4 螺旋天线的原理
A. 单臂螺旋天线是阵列天线中的常用形式，使用轴向模工作，下面从单圈螺旋和多圈螺旋两个角度阐述其辐射原理：
图4
参考图如图4所示，螺旋天线的几何参数可用下列符号表示：
D ——螺旋的直径；
a ——螺旋线导线的半径；
S ——螺距，即每圈之间的距离；
α——螺距角，
0l ——一圈的长度，
N ——圈数；
h ——轴向长度，h=Ns 。

天线尺寸较波长很小时(N
0l ＜＜λ)，此时天线可等效为小电流元和小电流环的叠加，
如下图5所示：
图5
对于小电流元，远场r 处的电场强度近似为
λθπθS
r I j E sin ][60=
对于小电流环，设等效电流环面积为A ，则远场r 处的电场强度近似为
22sin ][120λθπϕA r I E -=
则螺旋线的场分布可视为二者的叠加。

把比值作为轴比， A S E E πλϕθ2=
轴比为1时，实现圆极化，此时
λπS D 2=
以上分析是将天线等效为小圆环和线电流的叠加进行分析，当螺旋N 圈后，螺旋天线可认为是由螺旋元素组成的天线阵，阵因子n Y 为：
2sin 2sin 1
φ
φn n Y n =
叠加后的方向图如图5所示：
图5
T
E θ为单螺旋元素的垂直极化方向图 T E ϕ为单螺旋元素的垂直极化方向图
θE =T E θ*n Y
ϕE =T E ϕ*
n Y 此时，我们发现E φ和EØ的方向图变的比较接近，比较接近于阵因子的方向图。

B. 以阿基米德螺旋天线为例说明基本平面螺旋天线的原理；
天线的两个螺旋臂方程分别是
)()
()0(0201πϕπϕϕϕ
≥-+=≥+=a r r a r r
式中r0为起始矢径，对应于φ=0的矢径。

a 为增长率。

这一天线的性能基本上与等角螺旋天线类似。

图6
我们可以近似地将螺旋线等效为双线传输线，根据传输线理论，两根传输线上的电流反相，当两线之间的间距很小时，传输线不产生辐射。

当螺旋线外径达到波长时，在图中分别用虚线和实线表示这两个臂。

以图6简化模型研究图中P 、P ′点处的两线，设OQ PO =，即P 和Q 为两臂上的对应点，当螺旋线周长近似为辐射频率波长时，对应线段上的电流相位差为π+(2π/λ)πr ，为2π，相位增强，天线向外辐射。

5. 螺旋天线的应用及新技术
双臂螺旋天线一般采用馈电方式为折叠式非平衡-平衡馈电方式和λ/4开槽的同轴馈电方式。

这样不仅可以实现非平衡与平衡的装换和可以同时实现阻抗的匹配。

如下图7所示。

图7
此种形式的双臂螺旋天线具有较宽的主瓣宽度基本可以满足第一时间捕获卫星的要求。

方向图如图8所示。

图8 双臂螺旋天线方向图
2 四臂螺旋天线不仅要有较宽的主瓣宽度，还要求在低仰角时也具有良好的圆极化特性，四臂螺旋天线就可以很好的满足此种要求，适用于GPS天线。

四臂螺旋天线易于调节，调整四臂螺旋天线的D/λ，使其表现出边射特性，然后通过增大螺旋的圈数来提高天线的增益，通过改变螺距来调节天线的辐射仰角。

四臂螺旋天线一般采用无限巴伦或者微带功分网络进行馈电；相应的前者天线臂长为λ/4的偶数倍，后者天线臂长为λ/4的奇数倍。

一般情况下四臂螺旋天线在低仰角的轴比不大于4dB，如果要求更高可采用八臂螺旋或是更多臂数的螺旋。

另外可以采用方形结构螺旋，从而由于增加辐射表面积, 具有更高的辐射效率。

在四臂螺旋天线中间加载小型化介质则可以大大缩小天线的尺寸，在末端采用开放或者封闭的形式，也会对天线的性能进行影响。

6 结束语
螺旋天线以其特性阻抗平缓、圆极化特性好、端射和边射性能优越等特点广泛应用于航天、气象、定位、中继等诸多领域。

随着科技的发展，螺旋天线优越的电气性能也得到更加广泛的应用，但是螺旋天线固有的群延迟特性而导致的色散限制了其应用，例如不能用作纯雷达天线，仍然需要解决。