[科普中國]-四臂螺旋天線

簡介基本結(jié)構(gòu)

J．D．Kraus第一次發(fā)現(xiàn)了螺旋結(jié)構(gòu)天線，并為螺旋天線的應(yīng)用與發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。

典型的螺旋天線一般為圓柱形，通常由金屬絲纏繞而成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。螺旋天線結(jié)構(gòu)的空間特征參量有三個(gè)：螺旋高度、螺距和直徑。

C．C．Kilgus在1968年提出了諧振式四臂螺旋結(jié)構(gòu)天線，典型結(jié)構(gòu)如圖所示。

它由四根螺旋臂組成，每根的長度為四分之一波長的整數(shù)倍。四根螺旋臂饋電端的電流幅度相等，相位依次相差90°這就要求饋電網(wǎng)絡(luò)在滿足功率分配的同時(shí)，還要考慮到相移條件限制。1

由于四臂螺旋天線具有心形方向圖、良好的前后比及優(yōu)異的寬波束圓極化特性，十分適合用作衛(wèi)星定位系統(tǒng)的接收天線。2

結(jié)構(gòu)參數(shù)諧振式四臂螺旋天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)可由下式確定

其中：Lax為螺旋的軸向長度（mm），Lele為螺旋臂的長度（mm），r0為螺旋的半徑（mm），N為螺旋的圈數(shù)。

A = 1 M 為奇數(shù)時(shí)

2 M 為偶數(shù)時(shí)3

90°相移結(jié)構(gòu)為了產(chǎn)生90°相移，傳統(tǒng)可以采用下列兩種形式：（1）通過饋電網(wǎng)絡(luò)，一般采用3dB定向耦合器；（2）通過自相移結(jié)構(gòu)，雙臂螺旋1的單元要調(diào)長于諧振長度以產(chǎn)生一個(gè)相角為+ 45 的輸入阻抗，雙臂螺線2 則調(diào)短以產(chǎn)生- 45 的相角。

自相移結(jié)構(gòu)的四臂螺旋天線，盡管結(jié)構(gòu)簡單，但由于相位控制需要結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足很多條件，實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)困難，而且該結(jié)構(gòu)的帶寬較窄。而采用3dB 定向耦合器進(jìn)行饋電，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但能很好的實(shí)現(xiàn)相位控制。3

平衡饋電諧振式四臂螺旋天線饋電結(jié)構(gòu)除了產(chǎn)生90°相移的，還需要考慮平衡饋電. 幾種不同形式的平衡饋電結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用在諧振式四臂螺旋天線中，如U 型管、開槽線等. 為了節(jié)省重量和降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，可采用一種精巧的無限巴倫結(jié)構(gòu)：同軸饋電電纜內(nèi)導(dǎo)體延伸至螺旋臂1 內(nèi)，在天線頂部內(nèi)導(dǎo)體連接到對(duì)面的螺旋臂3 上，螺旋臂3、4 之間以及螺旋臂1 的外導(dǎo)體與螺旋臂2 之間焊接在一起. 如圖所示.

這種平衡饋電結(jié)構(gòu)，利用了同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體外壁與外導(dǎo)體內(nèi)壁上的電流大小相等、方向相反的特點(diǎn).

這樣前面所述的90°自相移結(jié)構(gòu)與無限巴倫一起構(gòu)成了諧振式四臂螺旋天線的饋電結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單且便于調(diào)試.3

理論分析分析四臂螺旋天線工作原理及輻射遠(yuǎn)場的方法有多種。A．Sharaiha提出了基于MEI積分公式的方法計(jì)算天線的阻抗及輻射遠(yuǎn)場；Chen Chen應(yīng)用矩量法研究了天線的輻射方向圖及電流分布：Cheng—Wei討論了四臂螺旋天線的諧振模式及行波模式。

Kilgus．C．C提出了一種等效方法來研究四臂螺旋天線的工作原理。四臂螺旋天線可以看作是兩股相互垂直于軸線的雙臂螺旋線組成，其饋電相位相差90。。由于處在諧振狀態(tài)．螺旋線上的電流分布近似認(rèn)為是正弦分布，電流零點(diǎn)位于螺旋線中間。所以，其中一條雙臂螺旋線可以看作是一根線偶極子及一根半環(huán)偶極子組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。箭頭表示電流流向，而中間虛線表示的電流Ip是圓環(huán)電流矢量之和。模型可以進(jìn)一步等效簡化如圖4所示，螺旋線上的電流分布接近于方形的環(huán)偶極子。2