天线理论 - 螺旋天线

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螺旋天线是线天线的一种，其本身形成螺旋形。这是一种宽带VHF和UHF天线。

频率范围

螺旋天线的频率范围约为30MHz至3GHz。该天线工作在VHF和UHF频段。

螺旋天线的结构和工作原理

螺旋天线或称螺旋线天线，是指导线以螺旋状缠绕并通过馈线连接到接地板的天线。它是提供圆极化波的最简单天线。它用于包括卫星中继等在内的地球外通信。

上图显示了用于卫星通信的螺旋天线系统。这些天线需要较大的室外空间。

它由一根以螺纹形状缠绕的粗铜线或铜管组成，用作天线，并与称为接地板的扁平金属板配合使用。螺旋线的一端连接到电缆的中心导体，外导体连接到接地板。

上图显示了螺旋天线的图像，详细说明了天线部件。

螺旋天线的辐射取决于螺旋的直径、匝间距和螺距角。

螺距角是指螺旋线切线与垂直于螺旋轴平面的夹角。

$$\alpha = \tan^{-1}(\frac{S}{\pi D})$$

其中，

• D是螺旋的直径。

• S是匝间距（中心到中心）。

• α是螺距角。

工作模式

螺旋天线的主要工作模式有：

• 正常或垂直辐射模式。

• 轴向或端射或波束辐射模式。

让我们详细讨论一下。

正常模式

在正常辐射模式下，辐射场垂直于螺旋轴。辐射的波是圆极化的。如果螺旋的尺寸比波长小，则可以获得这种辐射模式。这种螺旋天线的辐射方向图是短偶极子和环形天线辐射方向图的组合。

上图显示了螺旋天线正常辐射模式的辐射方向图。

它取决于螺旋直径D及其匝间距S的值。这种工作模式的缺点是辐射效率低和带宽窄。因此，它很少使用。

轴向模式

在轴向模式下，辐射沿螺旋轴的端射方向，波是圆极化的或近似圆极化的。通过将圆周增加到大约一个波长(λ)的量级，并将间距设置为大约λ/4，可以获得这种工作模式。辐射方向图沿轴向波束较宽且具有方向性，并在倾斜角产生较小的旁瓣。

该图显示了螺旋天线轴向辐射模式的辐射方向图。

如果该天线设计用于右手圆极化波，则它将无法接收左手圆极化波，反之亦然。这种工作模式易于产生，并且在实际应用中更为普遍。

优点

以下是螺旋天线的优点：

• 设计简单
• 方向性最强
• 带宽更宽
• 可以实现圆极化
• 也可用于HF和VHF频段

缺点

以下是螺旋天线的缺点：

• 天线较大，需要更多空间
• 效率随着匝数的增加而降低

应用

以下是螺旋天线的应用：

• 单个螺旋天线或其阵列用于发射和接收VHF信号

• 常用于卫星和空间探测器通信

• 用于地球站与弹道导弹和卫星之间的遥测链路

• 用于建立月球与地球之间的通信

• 射电天文学中的应用