[科普中国]-轴向模螺旋天线

轴向模螺旋天线的特点：

1.最大辐射方向与螺旋轴一致；

2.天线辐射的电磁波在轴向是圆极化波，或接近圆极化波，其它方向是椭圆极化波；

3.天线的输入阻抗呈纯电阻性；

4.天线中是行波电流。因为当螺旋天线匝数很多时，几乎所有输入天线的能量均由天线辐射出去，而从开路端返回的能量极少，故天线中是行波电流；

5.天线有较宽的工作频带(土30%)。

轴向模螺旋天线方向图：轴向模螺旋天线的方向图函数可用单圈的方向函数乘以行波天线阵因子函数3而求得。工程上可近似表示为：

（1）

式中，P是相对传播常数；

方向图主瓣宽度以度为单位计为：

式中，C=πD是螺旋柱的周长。

方向图主瓣零值宽度以度为单位计为：

下图绘制出了由式（2）计算得出的主瓣宽度与ns/λ和c/λ的关系曲线:

轴向模螺旋天线波瓣图：

轴向模螺旋天线的宽频带特性：轴向模螺旋天线固有其宽频带性,在相当宽的频率范围内具有所期望的波瓣图、阻抗和极化特性。由于其相速能随频率自然调整.因此在近乎2: 1的倍频程内,每经历一圈所滞后的相位恰被沿轴向辐射的相位领前所补偿。倘若相速不随频率而变化，则只能在窄频带上实现轴向模波瓣图 。由于从螺旋敞开端反射的波经所了很大的衰减,因此馈端阻抗也在相同的倍频程上相对稳定。此外,因为同相场条件与圆极化条件一致,所以在同样的倍频程上近似为圆极化。

轴向模螺旋天线的设计:下图绘制的是轴向模螺旋天线的通用设计图3。图中分三部分：下部阴影区是法向模螺旋天线区；上部阴影区是圆锥形方向图螺旋天线区；中间部分就是轴向模螺旋天线区。图中还用实线、虚线和点划线分别划定了方向图、阻抗和轴比的合理设计区域。在这些区域内，方向图主瓣在轴向，主瓣宽度在30°～60°范围内；阻抗近似为纯电阻，其值为100～150Ω；轴比小于l dB。

图;螺旋天线设计图

从上图可以看出，兼顾方向图、阻抗、轴比三者均合理的最佳螺距角在14°左右。天线的带宽也可以从图中看出，例如，若取α=14°，则在α=14°的直线上可找到表示频率上限和下限的和两点，图上是设计的中心频率，值为=(+)/2，由和确定的带宽约为1．7：1。

具体设计方法是在图中三条合理设计曲线围绕的区域内选定一个螺距角α，并在该α角直线上标出F1，F2，F3，然后根据α点从设计图中查出相应的D/λ和S/λ。若按给定的增益G进行轴向模螺旋天线设计，则将C/λ,S/λ及G值代入公式计算出所需要的螺旋圈数n.若按给定的主瓣宽度2，进行设计时，则将C/λ，S/λ，及值2代入式(2)计算出所需要的螺旋函数n。然后将求得相对传播常数P值，若该值在1．25左右，则认为符合要求。此外，接地板直径应取大于0．8λ的值，螺旋导线直径一般取d=0．02λ，接地板到第一圈螺旋始端的距离可取g=S/2。螺旋天线圆极化的旋向与螺旋线的绕制方向有关，若要求右旋圆极化，螺旋线的绕制方向应与右旋螺钉一样，反之则与左旋螺钉一样。

应该注意，若对频带宽度要求不高，在螺距角α选定以后，点的位置只要在相应α角直线上的合理设计区域内即可，不一定要在该段的中点。