[科普中國]-軸向模螺旋天線

軸向模螺旋天線的特點：

1.最大輻射方向與螺旋軸一致；

2.天線輻射的電磁波在軸向是圓極化波，或接近圓極化波，其它方向是橢圓極化波；

3.天線的輸入阻抗呈純電阻性；

4.天線中是行波電流。因為當螺旋天線匝數很多時，幾乎所有輸入天線的能量均由天線輻射出去，而從開路端返回的能量極少，故天線中是行波電流；

5.天線有較寬的工作頻帶(土30%)。

軸向模螺旋天線方向圖：軸向模螺旋天線的方向圖函數可用單圈的方向函數乘以行波天線陣因子函數3而求得。工程上可近似表示為：

（1）

式中，P是相對傳播常數；

方向圖主瓣寬度以度為單位計為：

式中，C=πD是螺旋柱的周長。

方向圖主瓣零值寬度以度為單位計為：

下圖繪制出了由式（2）計算得出的主瓣寬度與ns/λ和c/λ的關系曲線:

軸向模螺旋天線波瓣圖：

軸向模螺旋天線的寬頻帶特性：軸向模螺旋天線固有其寬頻帶性,在相當寬的頻率范圍內具有所期望的波瓣圖、阻抗和極化特性。由于其相速能隨頻率自然調整.因此在近乎2: 1的倍頻程內,每經歷一圈所滯后的相位恰被沿軸向輻射的相位領前所補償。倘若相速不隨頻率而變化，則只能在窄頻帶上實現軸向模波瓣圖 。由于從螺旋敞開端反射的波經所了很大的衰減,因此饋端阻抗也在相同的倍頻程上相對穩(wěn)定。此外,因為同相場條件與圓極化條件一致,所以在同樣的倍頻程上近似為圓極化。

軸向模螺旋天線的設計:下圖繪制的是軸向模螺旋天線的通用設計圖3。圖中分三部分：下部陰影區(qū)是法向模螺旋天線區(qū)；上部陰影區(qū)是圓錐形方向圖螺旋天線區(qū)；中間部分就是軸向模螺旋天線區(qū)。圖中還用實線、虛線和點劃線分別劃定了方向圖、阻抗和軸比的合理設計區(qū)域。在這些區(qū)域內，方向圖主瓣在軸向，主瓣寬度在30°～60°范圍內；阻抗近似為純電阻，其值為100～150Ω；軸比小于l dB。

圖;螺旋天線設計圖

從上圖可以看出，兼顧方向圖、阻抗、軸比三者均合理的最佳螺距角在14°左右。天線的帶寬也可以從圖中看出，例如，若取α=14°，則在α=14°的直線上可找到表示頻率上限和下限的和兩點，圖上是設計的中心頻率，值為=(+)/2，由和確定的帶寬約為1．7：1。

具體設計方法是在圖中三條合理設計曲線圍繞的區(qū)域內選定一個螺距角α，并在該α角直線上標出F1，F2，F3，然后根據α點從設計圖中查出相應的D/λ和S/λ。若按給定的增益G進行軸向模螺旋天線設計，則將C/λ,S/λ及G值代入公式計算出所需要的螺旋圈數n.若按給定的主瓣寬度2，進行設計時，則將C/λ，S/λ，及值2代入式(2)計算出所需要的螺旋函數n。然后將求得相對傳播常數P值，若該值在1．25左右，則認為符合要求。此外，接地板直徑應取大于0．8λ的值，螺旋導線直徑一般取d=0．02λ，接地板到第一圈螺旋始端的距離可取g=S/2。螺旋天線圓極化的旋向與螺旋線的繞制方向有關，若要求右旋圓極化，螺旋線的繞制方向應與右旋螺釘一樣，反之則與左旋螺釘一樣。

應該注意，若對頻帶寬度要求不高，在螺距角α選定以后，點的位置只要在相應α角直線上的合理設計區(qū)域內即可，不一定要在該段的中點。