4.1 单螺旋天线在线视频

各位同学大家好

今天我们开始学习

螺旋天线的专题

首先从螺旋天线的历史

为大家介绍螺旋天线

螺旋天线随着臂数不同

分为单螺旋

双螺旋

四臂螺旋

和复合螺旋

首先介绍螺旋天线的历史

1946年约翰克劳斯

他是第一个制作螺旋天线的人

他采用导线跟铜丝

绕制了一个周长为一个波长的

七圈螺旋的天线

天线采用12公分长的振荡源

这个长度对应的是S波段

由同轴线馈电

产生圆极化波束

螺旋天线是最简单的圆极化天线

所以我们要对它进行典型的学习

并且对圆极化的产生

有一定的掌握

螺旋天线的用途是很广泛的

典型的应用是在遥测遥控卫星上

它向地球接收或者发射圆极化波

这里有一个问题

为什么一定要用圆极化的天线呢

其实这个道理很简单

因为对于大气层来说

临近地表是对流层

往上平流层

再往上是电离层

电离层相当于一层等离子体介质

具有各向异性的特点

如果发射线极化波

假设极化方向跟电离层

表现出来的特性是相同的

会出现反射现象

会降低卫星通讯质量

如果是圆极化

那么即使损失了一半的能量 即3dB

也能够保证电磁波可以穿过电离层

那通信可以正常进行

螺旋天线还有不同的螺旋圈数

这展示的是一个双螺旋天线

右边是实物

左边是仿真的图

通过仿真图可以看到两根螺旋线

所以是是双螺旋

后面我们会着重介绍这个天线的设计

应用更广泛的是四臂螺旋天线

可以被用于实现地球匹配波束

右图可以看到四臂螺旋有四个臂

同轴线通过反射板馈电上来

我们先介绍这个最简单的螺旋天线

也就是单螺旋天线

这边画了一个单螺旋天线的示意图

可以看到同轴线

是用来馈入信号的

金属的反射板

作为接地板

同轴线从接地板出来之后

拉长一段距离

然后开始绕制

可以用几何方程来描述螺旋线

螺旋天线有几个关键的尺寸参数

第一个是D

即螺旋天线的直径

另外还有一个重要的参量 螺距

就是螺旋线缠绕一整圈

螺旋线间的间距

L是螺旋一圈的长度

轴长A是缠绕圈数和螺距的乘积

是C螺旋天线的周长

螺距角α

是螺旋天线的重要参数

表现的是螺旋从接地板开始往上绕

跟接地板之间的夹角

需要注意的是

一个真实的螺旋天线本身也是有维度的

而不是无限细的

我们用小d来表示螺旋的导线的直径

g是螺旋线起点到接地板的距离

我们通过仿真软件看一下

单螺旋天线的工作原理

电磁波

也就是红色的箭头

从同轴线的底部馈入

然后开始螺旋上升

不同颜色的代表强弱的变化

可以看到沿着螺旋线的一圈

大概也就是一个周期

每一圈差不多都是在

相同位置出现加强和减弱现象

可以看出

螺旋天线是一个行波天线

如果缠绕的圈数不多

可能有一定的驻波特性

如果缠绕的圈数比较多的话

一定是行波天线

电磁波逐渐向前传

这一点与跟八木天线有一些类似

所以可以推断

单螺旋天线很难做成高增益天线

因为螺旋天线传输的电磁波

在接近馈电端的时候

能量比较强

越到终端能量越弱

最后可能能量基本就没有了

再增加螺旋圈数也是没有用的

这是行波天线典型的一个特点

上面这个天线周围的这些矢量图

可以看到的强弱的一些矢量的变化

能量强的话

也是馈电点上来时候能量比较强

逐渐在减弱

看这个箭头的长短

越到上面越短

代表能量的大小

这是radiation里面宏观来看的

周围的功率的情况

可以看到这个天线

电磁波主要向上发散

单螺旋天线

可以分很成多类

通常按照辐射模式

把单螺旋天线分为法向模

轴向模和圆锥模三种类

但是

应用比较多的是法向模和轴向模

其次是圆锥模

主要用于实现地球匹配波束

法向模和轴向模

主要是通过螺旋的直径跟

波长的比例来确定的

当螺旋的直径

跟波长的比例小于0.18的时候

也就是螺旋的直径很细的时候

是倒8字形方向图

当直径跟波长的比例

增加到0.25与0.46之间的时候

天线辐射的形式

就是典型的笔型波束

当这个比大于0.5

方向图就会向四周开裂

形成锥形方向图

首先先看一下法向模的单螺旋天线

螺旋一圈

可以近似地看成一个理想的电振子和一个

小的电流环

这个电流环和振子

实际上我们都可以

通过理论公式得到

把它的远场的方向图描述出来

通过这个公式可以看到 如果是电振子

它的电场只有θ方向

垂直这个方向

那小电流环的远场方向图是什么样子的

只有φ方向

即水平方向的振荡

实际上它有两个正交的振荡

一个是垂直的电振子

还有一个水平的φ方向振荡

那这两个振荡的叠加

是不是可能形成圆极化呢

那我们继续看

总的辐射场

是两个振荡的矢量和

那如果是圆极化的话

要满足他们两个的电场的比

那通过公式直接可以得到

这么一个结果

可以看到

轴比跟半径、螺距、波长有关

然后进一步的把这个等式打开

那这个πD实际上就是C了

C正好是螺旋的周长

正好是跟波长和螺距的二倍

开根号的这么一个关系

那就可以保证辐射出去的电磁波

是一个圆极化电磁波

下面介绍轴向模螺旋天线

这个轴向模天线的方向图

可以把它看成n个螺旋的圈数

均匀激励的等间距的一个线阵

间距是什么

螺距

螺旋圈绕一圈儿的单元方向图

可以近似的认为是一个

波长的环天线的方向图

所以它总的方向图

是n个单元的线阵

可以通过这个公式把它写出来

这里我们没有什么推导的过程

总的方向图就写在这里

实际上

我们真正用的时候

螺距角是介于12度到15度之间的

另外螺旋的圈数一定要大于三圈

缠绕圈数太少的时候

这个公式的精度也会下降

如果要改变3dB波瓣宽度

需要增大螺旋的圈数

或者螺距越大

另外就是方向性系数

当工作频率也就是波长确定了之后

增加螺旋的直径

效果相对来说会比较好

另外增加螺旋的圈数

增加螺距

拉长整个天线

也能起到增加方向性系数或者增益的目的

这是螺旋天线的一个轴比公式

轴比公式可以看到（2N+1）/2N

N是螺旋的圈数

因为它只跟螺旋圈数相关度是最高的

增加圈数就可以把

轴比的特性提高

但是改变其他参数的时候

对轴比影响就没那么明显

另外就是输入阻抗

螺旋线的输入阻抗的公式是140C/λ

C大概就是一个波长

所以说一般螺旋线的馈电阻抗

大概就是在100Ω到145Ω之