四臂螺旋天線

C．C．Kilgus在1968年提出了諧振式四臂螺旋結構天線，它由四根螺旋臂組成，每根的長度為四分之一波長的整數倍。四根螺旋臂饋電端的電流幅度相等，相位依次相差90°它具有心形方向圖、良好的前後比及優異的寬波束圓極化特性，十分適合用作衛星定位系統的接收天線

基本介紹

• 中文名：四臂螺旋天線
• 外文名：quadrifilar helix antenna
• 提出者：C．C．Kligus
• 提出時間：1968年
• 組成：四根螺旋臂
• 特點：饋電端的電流幅度相等

簡介

基本結構

J．D．Kraus第一次發現了螺旋結構天線，並為螺旋天線的套用與發展做出了重大貢獻。

螺旋天線結構與方向圖

典型的螺旋天線一般為圓柱形，通常由金屬絲纏繞而成。其結構如圖1所示。螺旋天線結構的空間特徵參量有三個：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構天線，典型結構如圖所示。

四臂螺旋天線

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

由於四臂螺旋天線具有心形方向圖、良好的前後比及優異的寬波束圓極化特性，十分適合用作衛星定位系統的接收天線。

結構參數

諧振式四臂螺旋天線的結構參數可由下式確定

結構參數公式

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

A = 1 M 為奇數時

2 M 為偶數時

90°相移結構

為了產生90°相移，傳統可以採用下列兩種形式：（1）通過饋電網路，一般採用3dB定向耦合器；（2）通過自相移結構，雙臂螺旋1的單元要調長於諧振長度以產生一個相角為+ 45 的輸入阻抗，雙臂螺線2 則調短以產生- 45 的相角。

自相移結構的四臂螺旋天線，儘管結構簡單，但由於相位控制需要結構同時滿足很多條件，實現起來相對困難，而且該結構的頻寬較窄。而採用3dB 定向耦合器進行饋電，雖然結構複雜，但能很好的實現相位控制。

平衡饋電

諧振式四臂螺旋天線饋電結構除了產生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構已經套用在諧振式四臂螺旋天線中，如U 型管、開槽線等. 為了節省重量和降低結構的複雜度，可採用一種精巧的無限巴倫結構：同軸饋電電纜內導體延伸至螺旋臂1 內，在天線頂部內導體連線到對面的螺旋臂3 上，螺旋臂3、4 之間以及螺旋臂1 的外導體與螺旋臂2 之間焊接在一起. 如圖所示.

平衡饋電結構示意圖

這種平衡饋電結構，利用了同軸電纜的內導體外壁與外導體內壁上的電流大小相等、方向相反的特點.

這樣前面所述的90°自相移結構與無限巴倫一起構成了諧振式四臂螺旋天線的饋電結構，該結構簡單且便於調試.

理論分析

分析四臂螺旋天線工作原理及輻射遠場的方法有多種。A．Sharaiha提出了基於MEI積分公式的方法計算天線的阻抗及輻射遠場；Chen Chen套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於軸線的雙臂螺旋線組成，其饋電相位相差90^。。由於處在諧振狀態．螺旋線上的電流分布近似認為是正弦分布，電流零點位於螺旋線中間。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偶極子組成結構如圖3所示。箭頭表示電流流向，而中間虛線表示的電流Ip是圓環電流矢量之和。模型可以進一步等效簡化如圖4所示，螺旋線上的電流分布接近於方形的環偶極子。