四臂螺旋天线简介
四臂螺旋天线的边界条件
四臂螺旋天线的边界条件四臂螺旋天线的边界条件？听起来好像是一道很复杂的数学题，但其实它也能像我前几天去钓鱼的经历一样，充满了意外和小插曲。
大家可能觉得这俩完全没关系，但如果你认真想想，可能会发现，其实有些原理挺像的。
听我慢慢道来。
有一次，我去河边钓鱼，挑了一个看起来挺不错的地方。
水面平静，风也不大，我信心满满地准备扔下钓线。
结果，钓了好久，连条鱼影都没看到。
我忍不住看看旁边那些钓鱼的老哥们，他们看似懒洋洋地坐在那里，手中的钓竿却一点没闲着。
于是，我偷偷观察，发现他们都有一个小动作：不时地调整钓线的角度和位置。
原来，钓鱼是讲究“边界条件”的——也就是说，你不能光靠鱼竿放在那里等待，得考虑周围的环境、风向、鱼的活动规律和水深这些因素，才能精准“定位”。
回到四臂螺旋天线上，边界条件也是一个类似的概念。
四臂螺旋天线不是只靠一根天线杆就能完成工作的，它的设计和工作都受到周围环境的影响。
就像我钓鱼那样，如果你只管投竿，不管四周的变化，结果可能就跟我当时钓鱼一样——毫无收获。
比如，在实际设计四臂螺旋天线时，我们必须考虑到天线周围的电磁场、天线与地面或其他物体的关系，甚至还得预估天线的工作频段对辐射模式的影响。
每一条边界条件都像我钓鱼时的小调整，一点一点的细微变化，可能就能决定整个天线系统的效果。
别看它们很小，却可能对最终的工作效果产生巨大的影响。
如果你不认真处理这些细节，天线的性能可能就会大打折扣，甚至完全无法工作。
就像钓鱼一样，如果你不注意水深、饵料和天气变化，结果可能就会空手而归。
四臂螺旋天线的边界条件也是这样，讲求一个细致的平衡。
你可能觉得这些都不算大事，但正是这些不起眼的“小事”，才决定了最终的“大局”。
所以，在设计四臂螺旋天线时，要像钓鱼一样，不能掉以轻心。
每一步的调整都必须精准，才能保证最终的工作效果。
所以啊，四臂螺旋天线的边界条件，就像我去钓鱼的那次经历一样，虽然看起来是些不太引人注意的细节，但它们却是决定结果成败的关键。
螺旋天线原理
螺旋天线原理
螺旋天线是一种常见的天线类型，它具有较宽的频带、较高的增益和较好的方向性，因此在通信领域得到了广泛的应用。
螺旋天线的原理主要涉及到电磁波的辐射和接收，下面将从天线结构、工作原理和特点三个方面来介绍螺旋天线的原理。
首先，螺旋天线的结构一般由金属导体制成，形状呈螺旋状。
螺旋天线的导体螺旋圈数和半径的选择直接影响着其工作频段和特性。
螺旋天线的结构使得其在接收和辐射电磁波时具有较好的性能，能够实现较高的增益和较宽的频带。
其次，螺旋天线的工作原理主要涉及到电磁波的辐射和接收。
当螺旋天线接收到电磁波时，电磁波会在导体上感应出电流，从而产生辐射磁场和电场，最终将电磁能量转化为电信号输出。
而当螺旋天线工作在发射状态时，电信号输入后会产生电流，进而产生辐射磁场和电场，将电信号转化为电磁波辐射出去。
这种工作原理使得螺旋天线能够实现双向的电磁波转换，既能够接收电磁波信号，又能够发射电磁波信号。
最后，螺旋天线具有较好的频率特性、辐射特性和极化特性。
由于其结构的特殊性，螺旋天线在工作时能够实现较宽的频带覆盖，能够满足多种频率信号的接收和发射需求。
同时，螺旋天线的辐射特性具有较高的方向性和较高的增益，能够实现远距离的通信。
此外，螺旋天线的极化特性较好，能够适应多种极化状态的电磁波信号。
综上所述，螺旋天线是一种性能优良的天线类型，其原理涉及到电磁波的辐射和接收，具有较宽的频带、较高的增益和较好的方向性等特点。
在实际应用中，螺旋天线被广泛应用于通信、雷达、导航等领域，发挥着重要的作用。
GPS的平板天线与螺旋天线的比较
GPS的平板天线与螺旋天线的比较GPS接收天线的作用，是将卫星来的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用的电流。
天线的大小和形状十分重要，因为这些特征决定了天线能获取微弱的GPS信号的能力。
根据需要，天线可设计成可以工作在单一的L1频率上，也可以工作在L1和L2两个频率上。
由于GPS信号是圆极化波，所以所有的接收天线都是圆极化工作方式。
尽管有多种多样的条件限制，仍然有许多不同的天线类型存在，如单极的，双极的，螺旋的，四臂螺旋的，以及微带天线。
我们在市面上看到的GPS接收器的内置天线一般有两种－－平板式天线和四臂螺旋式天线，到底两种天线各有什么优劣呢，让我们来为您一一解答。
平板式天线（Patch Antenna）平板式天线由于其耐用性和相对地容易制作，所以成了应用最为普遍的一类天线。
其形状可以是圆的也可以方的或长方的，如同一块敷铜的印刷电路板。
它由一个或多个金属片构成，所以GPS天线最常用的形状是块状结，像个烧饼。
由于天线可以做得很小，因此适合于航空应用和个人手持应用。
天线的另一个主要特性，是其的增益图形，即方向性。
利用天线的方向性可以提高其抗干和抗多径效应能力。
在精确定位中，天线的相位中心的稳定性是个很重要的指标。
但是，普通的导航应用中，人们希望用全向天线，至少能接收天线地平以上五度视野内所有天空中的可见卫星信号，但是平板式天线在卫星于天线正上方时，讯号增益才是最大，这就有两个问题：1、平板的接收范围在平板上方，平板要面向天空，这对于手持以及车载都会带来麻烦，我们可以看到可调角度的CF接收器越来越多（可折叠的SDGPS丽台9551），就是因为平板式天线这种特性使得厂家为了接收器有更好的收讯效果才想出来的招。
2、我们知道，虽然我们正头顶上的卫星信号比较好，比较容易锁定，但其实正头顶上的卫星是最没用的，如果没有低角度的卫星，误差会相对较高，精度将会很差。
所以基于这些缺点，GPS接收器上也开始使用四臂螺旋式天线。
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。
螺旋天线介绍
螺旋天线介绍由金属导线绕成螺旋形状的天线。
它由同轴线馈电，在馈电端有一金属板（图1）。
螺旋天线的方向性在很大程度上取决于螺旋的直径(D)与波长(λ)的比值D/λ。
当D/λ＜0.18时，螺旋天线在包含螺旋轴线的平面上有8字形方向图，在垂直于螺旋轴线的平面上有最大辐射，并在这个平面得到圆形对称的方向图。
这种天线称为法向模螺旋天线（图2a），用于便携式电台。
当D/λ＝0.25～0.46（即一圈螺旋周长约为一个波长）时，天线沿轴线方向有最大辐射，并在轴线方向产生圆极化波。
这种天线称为轴向模螺旋天线（图2b），常用于通信、雷达、遥控遥测等。
当D/λ进一步增大时，最大辐射方向偏离轴线方向（图2c）。
轴向模螺旋天线应用最广。
图1中，D为螺旋天线直径；S为螺距；l为一圈周长；n 为圈数；α为升角；L为轴线长。
它们的关系是l2＝(πD)2＋S2L＝nSα＝0的螺旋为平面上的单圈螺旋，取周长近似等于一个波长，并假定线上运载行波电流。
在某一瞬时线上是正弦电流分布（图3）。
在和x与y轴对称的任意四点A、B、C、D，电流存在下列关系：这些电流的方向相反，它们的作用彼此抵消，所以在z轴方向只有Ey分量起作用。
绕圈运载的是行波，电流沿线圈的分布将绕z轴旋转。
因此，在z轴方向的电场Ey也绕z轴旋转，于是在轴向产生圆极化波，并有最大辐射，故称为轴向模辐射。
这种天线具有圆极化辐射的特点，它的频带很宽，在1:1.7通频带内方向图变化不大，而且天线的输入阻抗几乎恒定，约为140欧。
朝辐射方向看，螺旋右绕产生右旋波，左绕产生左旋波。
为了进一步展宽频带，可将螺旋天线做成圆锥形（图4）。
法向模螺旋天线(D/λ＜0.18)实质上是细线天线，为了缩短长度，可把它卷绕成螺旋状。
因此，它的特性与单极细线天线（见不对称天线）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。
边射式螺旋天线是一种法向模螺旋天线。
它是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（图5）。
四螺旋天线
∙PS配件类型：天线∙品牌：Sarantel∙型号：SL1206我公司已经推出一种英国进口微型有源螺旋GPS天线（又名四叶螺旋天线/360度螺旋天线），适用于便携及手持GPS产品和手机。
该天线的特点包括完整的巴伦电路（Balun）设计，此设计能隔离天线周边的讯号，因此能容许各种功能的天线并存于极小的空间中而不会互相干扰。
该天线有多项世界制造专利，是最新一代的小型螺旋式陶瓷天线。
具有良好的波束宽度(beamwidth)及低近场(Near Field)功能。
产品可完美应用于手机、GPS手持机、车用卫星导航系统、蓝牙(Blue Tooth)及相关产品上的可携带式GPS接收器。
该螺旋天线有相对较宽的方向特性：具有更宽的接收仰角，螺旋天线适合用于各个方向都要求能自由使用的终端产品中，如移动手持设备。
由于靠近人体时会干扰信号接收，在这种情况下使用螺旋天线造成的影响也相对较小，因而在距离人体组织或远或近的位置、在各个方向手持终端产品时都能实现GPS接收。
产品特点：l、超小尺寸：尺寸为48.5×14.6×13mm，体积小。
2、该螺旋天线跟包括人体在内的其它物体近距离接触，其信号接受能力也丝毫不受影响，所以它特别适用于便携及手持GPS产品和手机等集成环境。
3、该螺旋天线采用了右方向螺旋形（Right Hand Circular Pattern，RHCP）陶制圆柱，从天线的水平线上面接受的信号往右方向旋转后也可以传达到下面的极部，而从天线的水平线下面接受的信号往左方向旋转后也可以传达到上面的极部。
这样GPS接受器不管是在高楼大厦还是在其它多种环境下都比以前的天线更为出色的接受信号，增强了接受信号的强度。
4、超低电流/电压设计，使用一个3V直流电源，电流为12mA。
5、天线近场极小；6、该螺旋天线与传统片式天线不同，它拥有可以从多个角度接受信号的出色的信号接受能力，在零角度（或者是360角度）的情况下其效果将是最好的。
一种新型双频宽波束四臂螺旋天线的设计
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白旭 东， 曹岸 杰 ， 晶晶 ， 鹏 ， 唐 闫 李振 海 ， 荣洪 ， 军平 ， 金 耿 梁仙灵
（ 海交通 大 学 电子工程 系 ， 海 上 上 ２０４ ） ０２０
摘
一
要 ： 据移 动卫 星通信 和 卫星 导航 定位 中对 天线 宽 波束 、 根 圆极 化 和 低仰 角增 益等 要 求 ， 计 了 设
ｎ ｗ ｔｐ ｆ ｄ ａ — ａ ｄ ｗ ｄ — ｅ ｍ ｕ ｄ ｉ ｌｒ ｈ ｌ ｎ ｅ ｎ ｓ ｄ ｓ ｎ ｄ Ｔ ｅ ａ ａｌｂ ｅ ｄ ａ — ａ ｄ ｉ — ｅ ｙ ｅ ｏ ｕ ｌ ｎ ｉ ｅ ｂ ａ ｑ ａ ｒ ａ ｅ ｉ ａ ｔ ｎ ａ ｉ ｅ ｉ ｅ ． ｈ ｖ ｉ ｌ ｕ ｌｂ ｎ ｓ ａ ｂ ｉ ｆ ｘ ｇ ａ
第五讲-1-螺旋天线
实现22倍频
组合式螺旋天线
四臂螺旋天线相控阵列方案评估
2010.11
单螺旋天线阵（球舰通信）
1分8功分器 接口
GPS天线 接口A
电气接口 （N型阴头）
GPS天线 接口B
主瓣设计在正负60度的方向图及轴比图
四臂螺旋天线及阵列的设计（4）
半球形方向图及轴比图
复合螺旋天线的设计（1）
复合螺旋天线HFSS设计及实物
复合螺旋天线的设计（2）
复合螺旋天线HFSS三维仿真效果图
复合螺旋天线的设计（3）
天线方向图及轴比图
背馈式印刷四臂螺旋卫星导航天线(4)
天线仿真模型与实物图片
Beijing Institute of Technology
实验天线的测试结果
天线测试结果
Beijing Institute of Technology
实验天线的测试结果
天线测试结果
Beijing Institute of Technology
小型化超宽带圆极化组合天线
2010.10~2010.11
产生圆极化锐波束辐射。
单螺旋天线的设计（1）
轴向辐射单螺旋天线HFSS建模 轴向辐射单螺旋天线实物照片
单臂螺旋天线
2010.03~2010.04
单螺旋天线的设计（2）
单螺旋天线HFSS三维仿真效果图
单螺旋天线的设计（3）
半球形辐射方向图
单螺旋天线的设计（4）
蝴蝶形辐射方向图
单螺旋天线的设计（5）
第五讲、螺旋天线
单位：北京理工大学信息科学技术学院 微波技术研究所
报告人：刘 埇
主要内容
螺旋天线历史 单螺旋天线 双螺旋天线 四臂螺旋天线 复合螺旋天线 参考文献
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四臂螺旋式天线
四臂螺旋式天线（Quadrifilar Helix Antenna ）一般由四条按特定规则弯曲的金属线条镶于圆柱形基材上，无需任何接地。
它具备有Zapper天线的特性，也具备有垂直天线的特性。
此种巧妙的结构，使天线任何方向都有3dB的增益，方向图特性良好。
四臂螺旋式天线拥有全面向360度的接收能力，因此在与pda结合时,无论PDA的摆放位置如何,四臂螺旋式天线皆能接收,有别于使用平板GPS天线需要平放才能较好的接收的限制.使用此种天线,当卫星出现于地平面上10度时,即可收到卫星所传送的讯号.
四臂螺旋天线是美国约翰普金斯大学应用物理实验室博士Kilgus于1968年提出的，之后人们对其进入了深入的研究。
该天线具有心型方向图、良好的前后比及优异的圆极化特性，因此被广泛应用于卫星通信系统，尤其被认为是理想的全球定位系统GPS和卫星手机接收天线，但体积大是其缺点。
早期四臂螺旋天线的辐射单元一般采用金属管或金属线，通过弯曲成型或缠绕在绝缘柱上，这样必然需要在馈电网络中加入复杂的平衡转换器和阻抗匹配网络，螺旋结构也需要机械支撑，因此天线体积较大，难于批量生产。
2001年Leisten提出了陶瓷介质加载四臂螺旋天线。
该天线采用陶瓷填充，天线体积缩小大10.00×17.8mm（底面直径×高），为未加载的1\6.相对于应用于GPS系统的介质加载微带贴片天线，DQHA还具有优良的前后比和广角圆极化特性，且电磁场被束缚在陶瓷核内，近场很小，天线受手机、人体等周围环境影响很小。
陶瓷天线虽然在性能方面表现已经较好，但需要十多种不可缺少工艺，才制成产品。
流程长的代价是产品巨贵，且体积不大不小的，在手机中用，体积需要进一步减小。
为此国内研究左手材料及天线的专家在2011年联合推出了一款自主研发的新型多频四臂螺旋天线，即微航牌四臂螺旋天线。
相比于陶瓷天线，微航牌天线在相同的体积增益高、相同的增益体积小，并有圆柱型（直径6.0mmX12mm）、条形（6.0mmX6.0mmX13mm）等多种款式，可用于手机GPS中。
四臂螺旋天线目前主要可分为陶瓷四臂螺旋天线和新型四臂螺旋天线。
陶瓷四臂螺旋天线具有优良的前后比和广角圆极化特性，且电磁场被束缚在陶瓷核内，近场很小，天线受手机、人体等周围环境影响很小，以英国Sarantel公司系列天线产品为代表。
新型四臂螺旋天线是采用有机复合材料工艺和LDS技术相结合的一款新型四臂螺旋天线，除了性能方面的提升，体积更小，并且有多种外形款式，以国内V-ON微航牌系列产品为代表。
四臂螺旋天线广泛应用于航天、气象、定位、中继等诸多领域。
但是如果地面接收站附近干扰源较多，则不适用四臂螺旋式天线，因为四臂螺旋式天线具备全方向的增益，反而干扰了卫星信号的接收，此时后端需要有良好的滤波措施（包括电路和软件抗干扰两个方面）。
随着科技的发展，四臂螺旋天线优越的电气性能也将得到更加广泛的应用。
近几年中国北斗导航系统的崛起，将会进一步刺激四臂螺旋天线向多频的方向发展，新型多频四臂螺旋天线将会成为未来的大热产品。
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