天线原理与设计—第四章环天线螺旋天线
各种天线概念解析螺旋天线是一种具有螺旋形状的天线它由导电
各种天线概念解析是一种具有螺旋形状的天线。
它由导电性能良好的金属螺旋线组成，通常用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地的金属网（或板）相连接。
螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。
当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。
全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。
全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。
所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的移动天线。
所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的移动天线。
移动基站BTS用的一种收发天线.也就是收发到用户(手机)的天线。
在各个方向上均匀辐射或接收电磁波的天线，称为不定向天线，如小型通信机用的鞭状天线等。
是由彼此成一角度的两条导线组成，形状象英文字母V的一种天线。
其结构如图4所示，它的终端可以开路，也可以接有电阻，其电阻的大小等于天线的特性阻抗。
V形天线具有单向性，最大发射方向在分角线方向的垂直平面内。
它的缺点是效率低、占地面积大。
介质天线是一根用低损耗高频介质材料（一般用聚苯乙烯）作成的圆棒，它的一端用同轴线或波导馈电。
图15所示的天线是用同轴线馈电的棒状介质天线。
图中1是介质棒；2是同轴线的内导体的延伸部分，形成一个振子，用以激发电磁波；3是同轴线；4是金属套筒。
套筒的作用除夹住介质棒外，更主要的是反射电磁波，从而保证由同轴线的内导体激励电磁波，并向介质棒的自由端传播。
介质天线的优点是体积小，方向性尖锐；缺点是介质有损耗，因而效率不高。
在一块大的金属板上开一个或几个狭窄的槽，用同轴线或波导馈电，这样构成的天线叫做开槽天线，也称裂缝天线。
为了得到单向辐射，金属板的后面制成空腔，开槽直接由波导馈电。
螺旋天线概要
螺旋天线
螺旋天线
螺旋天线是一种具有螺旋形状的天线。
它由导电性能良好的金属螺旋线组成，通常用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地的金属网（或板）相连接。
螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。
当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。
螺旋天线是天线的一种，可以收发空间中旋转的偏振电磁信号。
这种天线通常用在卫星从外表看起来，螺旋天线就好像在一个平面的反射屏上安装了一个螺旋。
螺旋部分的长度要等于或者稍大于一个波长。
反射器呈圆形或方形，反射器的内部最大举例（直径或者边缘）至少要达到四分之三波长。
螺旋部分的半径在八分之一到四分之一波长之间，同时还要保证四分之一到二分之一波长的倾斜角度。
天线的最小尺度取决于所采用的低频信号频率大小。
如果螺旋或反射器太小，那么天线的效率就会严重降低。
在螺旋天线的轴心部分，电磁波的能量最大。
螺旋天线通常是由多个螺旋部分和一个反射器组成。
可以同时垂直或水平的挪动整组天线来跟踪某个卫星。
如果卫星并没有在轨道上运行，可以通过计算机来调节天线的方位角，来跟踪卫星轨迹。
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。
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23 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。
第4章_天线
3）坡印亭矢量的瞬时值为正值，即 S 为实数
4）场强与Il成正比 Il 称为电流矩
第二节 电小环天线
定义：环天线的尺寸远小于所辐射电磁波 的最大波长 场强计算公式 2
120 I sin A E 2 r I sin A H 2 r
与电偶极子的区别
第三节 天线的特性参数
60 Idl E sin r 2 dl sin 2 2 Sav 30 I ( ) r2 2 2 dl 2 P 80 I ( )
Sav ( m, m ) G P 4 r 2
30 I 2 (
dl
)2
sin dl
2
2 4 r 2 1.5
r2 )2
E
EZ E sin
Z
0
接收机 d0 i0
Z
Z
E0 sin e jkzcos
根据互易定理，有
l
Ezdz i2
l
d 0 EZ dz i2 i0
d 0 EZ i2 i0 dz
EZ：振子上Z处单位长度感应出的电动势
i2 令 f z i0
线天线：
天线的直径远小于其几何长度
可不考虑天线横截面上的电流分布
天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、 不同场合、不同要求等不同情况下使用。
偶极子天线
单极天线
环天线
螺旋天线
一、电流元
电流元：长度l<<的流有电流的导线。 特点：由l<<，得电流元上的电流I处处相等
各种天线都可以看成是由很多电流元构 成的，因此天线的辐射场也可以看成是 这许多电流元辐射场的叠加。
螺旋天线——精选推荐
一．课题要求技术要求：要求设计当频率f=2.45GHz、圈数N=6时，计算出螺旋天线的螺旋直径D、螺距S、螺距角α、一圈周长L、轴向长度A、螺旋线导线直径d、螺旋线至接地板的距离g、接地板直径G。
并对螺旋天线的法向模、轴向模、圆锥模的仿真，并得出天线的方向图及轴比图、反射系数、方向性系数、增益、输入阻抗、波瓣宽度（HPBW）二．课题背景螺旋天线是由螺旋形的金属线作为辐射体，由于螺旋线缠绕的形状不同，包括圆柱螺旋、椭圆柱螺旋、圆锥螺旋以及球面螺旋等，其中轴向模是螺旋天线的一种重要的工作模式，该种模式主要产生沿着螺旋轴向的辐射，并且辐射的电磁波是圆极化波，所以广泛应用于卫星通讯中，近来随着移动通信的发展，为了获得大范围的稳定的无线局域网络覆盖，轴向模螺旋天线也被用作基站天线。
轴向模式工作的螺旋天线的输入阻抗在较宽频带（理论值接近2:1的频率范围）内近似是一个常数，约为140Ω，所以具有宽带阻抗特性。
通常螺旋天线的增益由螺旋圈数确定，在螺距一定的情况下，螺旋线越长天线增益就越高，但是当圈数过大时，增益提高的效果就不明显了，并且天线的制作也将变得十分复杂。
三．螺旋天线结构与几何特性螺旋天线是用金属导线或管做成的螺旋形结构，它通常用同轴电缆馈电。
同轴线的内导体与螺旋线的一端相连接；外导体可与作反射器用的金属板连接；也有其他的连接方法。
若螺旋直径是不变的，称为圆柱螺旋天线；螺旋直径是渐变的，称为圆锥螺旋天线，本项目仅讨论圆柱螺旋天线。
如图1所示。
图1 螺旋天线结构螺旋天线结构尺寸：螺旋直径D ；螺距S ；螺距角α，α=arctan(S /πD )；一圈周长L ，L =22(D)S π；圈数N ；轴向长度A ，A =NS ；螺旋线导线直径d ；馈电端螺旋线至接地板的距离g ；接地板直径G 。
螺旋天线的辐射特性基本上决定于螺旋的直径与波长之比D /λ。
当0.25<D /λ<0.46时，即螺旋一圈周长L 近似等于一个波长，最大辐射方向沿螺旋轴线，称为轴向模辐射；当D /λ<0.16时，最大辐射方向与螺旋轴垂直，而轴向几乎无辐射，称为法向模辐射；当D /λ>0.46以后，方向图就呈圆锥形，轴向辐射很弱，当D /λ≈2/π时，轴向辐射接近零，最大辐射偏离轴向，这种辐射称做圆锥模。
螺旋天线的结构和辐射原理
螺旋天线的结构和辐射原理英文回答：A helical antenna is a type of radio antenna that consists of a conducting wire wound in the shape of a helix. The helix is usually mounted on a cylindrical or conical support structure. The pitch of the helix (the distance between adjacent turns) and the diameter of the wire determine the antenna's resonant frequency.Helical antennas are widely used in a variety of applications, including:Satellite communications.Mobile communications.Radar.Navigation.Medical imaging.The radiation pattern of a helical antenna is determined by the number of turns in the helix, the pitch of the helix, and the diameter of the wire. A helical antenna with a large number of turns will have a narrow beamwidth, while a helical antenna with a small number of turns will have a wide beamwidth. The pitch of the helix affects the antenna's gain and bandwidth. A helical antenna with a small pitch will have a high gain and a narrow bandwidth, while a helical antenna with a large pitch will have a low gain and a wide bandwidth. The diameter of the wire affects the antenna's input impedance. A helical antenna with a large diameter wire will have a low input impedance, while a helical antenna with a small diameter wire will have a high input impedance.中文回答：螺旋天线的结构与辐射原理。
螺旋天线的辐射原理是什么
螺旋天线的辐射原理是什么螺旋天线是一种特殊形状的天线，具有较宽的工作频带和较好的方向性。
它的辐射原理主要涉及到电磁波的产生和辐射。
首先，了解螺旋天线的结构是很重要的。
螺旋天线由一个或多个导体螺旋绕成螺旋线形状，通常使用金属导线或箔片制成。
这些导体旋绕成螺旋线后，其形状类似于螺旋状，因此得名螺旋天线。
螺旋天线的辐射原理可以从两个方面来理解：导体的电流分布和电磁波的辐射。
首先，螺旋天线的导体上通有交流电源，导体上的电流分布对辐射特性起到重要作用。
当电源通电时，导体上的电流会随着导体的螺旋形状而分布。
在螺旋形状中，电流会在导体上形成循环的路径。
这种螺旋状的电流路径会产生磁场，而磁场和电场是紧密相关的。
其次，电磁波的辐射是螺旋天线辐射的另一个重要原理。
当导体通有电流时，会形成一个电场和磁场。
螺旋天线的结构使得电流在其中呈螺旋形分布，因此螺旋天线能够辐射出较强的电场和磁场。
螺旋天线辐射的电场和磁场具有特殊的空间分布。
电场和磁场的方向垂直于彼此，并且都围绕着螺旋线的中心轴旋转。
电场和磁场的方向会随着螺旋线的旋转而改变。
通过这种电场和磁场的分布，螺旋天线能够辐射出电磁波。
当电源送入导体上的交流电流时，电场和磁场的强弱也会随之变化，从而使得产生的电磁波可以在空间中传播。
螺旋天线的辐射特性中有几个重要的参数需要考虑，其中之一是极化方向。
由于电场和磁场的方向会随着螺旋线的旋转而改变，螺旋天线可以实现不同的极化方向，包括垂直极化和水平极化。
此外，螺旋天线还具有较宽的工作频带和较好的方向性。
螺旋结构的设计可以使得螺旋天线在辐射特性上具有较宽的带宽。
而螺旋形状的导体结构使得螺旋天线具有较好的方向性，即特定方向上的辐射功率较大。
总之，螺旋天线的辐射原理主要涉及到导体的电流分布和电磁波的辐射。
通过合理设计导体的结构和通入的电源，螺旋天线能够辐射出电磁波并实现特定的极化方向、较宽的工作频带和较好的方向性。
这使得螺旋天线被广泛应用于无线通信、卫星通信和雷达等领域。
各种天线概念解析螺旋天线是一种具有螺旋形状的天线它由导电
各种天线概念解析是一种具有螺旋形状的天线。
它由导电性能良好的金属螺旋线组成，通常用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地的金属网（或板）相连接。
螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。
当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。
全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。
全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。
所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的移动天线。
所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的移动天线。
移动基站BTS用的一种收发天线.也就是收发到用户(手机)的天线。
在各个方向上均匀辐射或接收电磁波的天线，称为不定向天线，如小型通信机用的鞭状天线等。
是由彼此成一角度的两条导线组成，形状象英文字母V的一种天线。
其结构如图4所示，它的终端可以开路，也可以接有电阻，其电阻的大小等于天线的特性阻抗。
V形天线具有单向性，最大发射方向在分角线方向的垂直平面内。
它的缺点是效率低、占地面积大。
介质天线是一根用低损耗高频介质材料（一般用聚苯乙烯）作成的圆棒，它的一端用同轴线或波导馈电。
图15所示的天线是用同轴线馈电的棒状介质天线。
图中1是介质棒；2是同轴线的内导体的延伸部分，形成一个振子，用以激发电磁波；3是同轴线；4是金属套筒。
套筒的作用除夹住介质棒外，更主要的是反射电磁波，从而保证由同轴线的内导体激励电磁波，并向介质棒的自由端传播。
介质天线的优点是体积小，方向性尖锐；缺点是介质有损耗，因而效率不高。
在一块大的金属板上开一个或几个狭窄的槽，用同轴线或波导馈电，这样构成的天线叫做开槽天线，也称裂缝天线。
为了得到单向辐射，金属板的后面制成空腔，开槽直接由波导馈电。
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4.2 螺旋天线
轴向模式的螺旋天线
电流沿整个螺旋天线近似为行波分布
4.2 螺旋天线
轴向模式的螺旋天线
A 到 D四部分的垂直分量为同相，水平分量相互抵消，因此辐射场为垂直（y）
向极化，四分之周期后，辐射场变为水平极化，因此，轴向模式螺旋天线的辐 射场具有圆极化特性
4.2 螺旋天线
轴向模式螺旋天线的工作特性
工作频带较宽，输入阻 抗近似为纯电阻
辐射场在轴向方向为圆 极化
4.2 螺旋天线
轴向模式螺旋天线的辐射方向图
(J. D. Kraus: Antenna)
4.2 螺旋天线
轴向模式螺旋天线的主瓣宽度与圈数和周长关系
4.2 螺旋天线
轴向模式螺旋天线的增益与圈数和周长的关系
4.2 螺旋天线
轴向模式螺旋天线的应用：卫星通信
问题：怎么保证环上电流均匀同相
4.1 环天线
环天线的辐射电阻
周长10λ的圆环的辐 射电阻大约为6000������
4.1 环天线
方向性系数D
4.2 螺旋天线
螺旋天线由美国俄亥俄州立大学 教授J. D. Kraus 1947年首先提出。
4.2 螺旋天线
4.2 螺旋天线
法向模式的螺旋天线
尺寸远小于波长，可近似认为电流 振幅和相位沿全长都是同相的。 一圈螺旋可近似为小电流环和电偶 极子的叠加。 对于法模螺旋天线，由于D<<λ, 辐射近似为垂直极化波。
四、环天线、螺旋天线
4.1环天线
电小环辐射场
a<<λ
4.1环天线
电偶极子和小电流环
方向图与电流源形状一 致，极化相位正交
4.1 环天线
对于一定尺寸的环，假 设环上电流均匀同相， 根据矢量磁位，可以算 出远场
4.1 环天线
环天线的方向图函数
4.1 环天线
不同直径的螺旋天线
法向模式的螺旋天线应用：移动通信设备天线
长度约为四分之波长，高度 小于四分之波长的单极子天 线 通常为垂直线极化
与同样长度的短单极子天线 相比具有更大的辐射电阻， 便于匹配 位于理想导体平面上的法向模式螺旋天线辐射电阻：
Rr = 640(L/λ)2 Ω 短单极子辐射电阻：Rr = 395(L/λ)2 Ω