平面對數螺旋天線也稱平面等角螺旋天線，是螺旋天線的一種，屬於非頻變天線。平面對數螺旋天線是一種角度天線，雙臂用金屬片製成，具有對稱性，每一臂都有兩條邊緣線，均為等角螺旋線。天線的兩臂，在一個平面上按特定的曲率變化繞旋展開。由於這種天線的外形只由角度決定，不包含線性長度，因而天線的特性不受頻率變化的影響，故有極寬的頻帶。平面等角螺旋天線的最大輻射方向是在平面兩邊的法向方向，並輻射圓極化波。
基本介紹
- 中文名：平面對數螺旋天線
- 外文名：Planarlogarithmic spiral antenna
- 套用學科：天線
- 提出者：V.H.Rumsey
簡介：
平面對數螺旋天線是一種角度天線，雙臂用金屬片製成，具有對稱性，每一臂都有兩條邊緣線，均為等角螺旋線。其極坐標方程為：
由於螺旋線與矢徑之間的夾角Ψ 處處相等，因此這種螺旋線稱為等角螺旋線，Ψ 稱為螺旋角，它只與螺旋率有關，即：
天線結構特徵
在圖所示的等角螺旋天線中，兩個臂的四條邊緣具有相同的a，若一條邊緣線為
，則只要將該邊緣旋轉δ角，就可得該臂的另一邊緣線
。另一臂相當於該臂旋轉180°而構成，即
，
。
由於平面等角螺旋天線臂的邊緣僅由角度描述，因而滿足非頻變天線對形狀的要求。如果取δ=π/2，天線的金屬臂與兩臂之間的空氣縫隙是同一形狀，稱為自補結構。
工作原理
1.由於平面對數螺旋天線臂的邊緣僅由角度描述，因而滿足非頻變天線對形狀的要求。2.當兩臂的始端饋電時，可以把兩臂等角螺旋線看成是一對變形的傳輸線，臂上電流沿線邊傳輸，邊輻射，邊衰減。螺旋線上的每一小段都是一基本輻射片，它們的取向沿螺旋線而變化，總的輻射場就是這些元輻射場的疊加。實驗表明，臂上電流在流過約一個波長後就迅速衰減到20dB以下，終端效應很弱。
3.輻射場主要是由結構中周長約為一個波長以內的部分產生的，這個部分通常稱為有效輻射區，傳輸行波電流。換句話說螺旋天線存在“電流截斷效應”，超過截斷點的螺旋線部分對輻射沒有重大貢獻，在幾何上截去它們將不會對保留部分的電性能造成顯著影響，因而，可以用有限尺寸的等角螺旋天線在相應的寬頻帶內實現近似的非頻變特性。波長改變後，有效區的幾何大小將隨波長成比例地變化，從而可以在一定的頻寬內得到近似的與頻率無關的特性。
平面對數螺旋天線的電性能
1方向性
自補平面等角螺旋天線的輻射是雙向的，最大輻射方向在平面兩側的法線方向上。若設θ為天線平面的法線與射線之間的夾角，則方向圖可近似表示為cosθ，半功率波瓣寬度似為90°。
2. 阻抗特性
如前所述，當δ=π/2時天線為自補結構，自補是互補的特殊情況。互補天線類似於攝影中的像片和底片，互補天線的一個例子是金屬帶做成的對稱振子和無限大金屬平面上的縫隙，互補天線的阻抗具有下列性質
對於自補結構，由上式可得
3.極化特性
一般而言，平面等角螺旋天線在θ≤70°錐形範圍內接近圓極化。天線有效輻射區內的每一段螺旋線都是基本輻射單元，但它們的取向沿螺旋線變化，總的輻射場是這些單元輻射場的疊加，因此等角螺旋天線軸向輻射場的極化與臂長相關。當頻率很低，全臂長比波長小得多時，為線極化；當頻率增高時，最終會變成圓極化。在許多實用情況下，軸比小於等於2的典型值發生在全臂長約為一個波長時。極化旋向與螺旋線繞向有關，例如，圖2所示平面等角螺旋天線沿紙面對外的方向輻射右旋圓極化波，沿相反方向輻射左旋圓極化波。
4. 工作頻寬
等角螺旋天線的工作頻寬受其幾何尺寸影響，由內徑r0和最外緣的半徑R決定。實際的圓極化等角螺旋天線，外徑R≈λmax/4，內徑r0≈(1/4～1/8)λmin。根據臂長為1.5圈～3圈的實驗結果看，當a=0.221對應1.5圈螺旋時，其方向圖最佳。此時外半徑 R=r0e0.221(3π)=8.03r0=λmax/4，在饋電點r=r0e0=r0=λmin/4，所以該天線可具有的相對頻寬為
即典型相對頻寬為8∶1。若要增加相對頻寬，必須增加螺旋線的圈數或改變其參數，相對頻寬有可能達到20∶1。
