中心議題：

• 諧振式螺旋天線的工作原理
• 諧振式螺旋天線的關鍵技術及其實現方法
• 諧振式螺旋天線的實驗測試結果

解決方案：

• 天線的損耗小
• 方向圖的旋轉對稱性好
• 天線之間的互耦小
• 適當地選擇參數，很容易獲得雙頻工作特性

眾所周知，天線一直是衛星移動通信和全球定位係統（GPS）的一個技術難點，因為它除了必須滿足寬頻帶、寬波束和圓極化等一係列苛刻的電氣性能指標之外，還要做到體積小、重量輕

，諧振式四臂螺旋天線因容易達到這些要求而得到了廣泛的應用。與一般的行波螺旋天線完全不同，這種天線由4根長mλ/4（m為一個整數
、λ為波長）的螺旋臂組成，每根臂上的電流幅度相等
、相位兩兩相差90°，它的末端（即非饋電的那一端）在m取偶數時必須短路
，在m取(qu)奇(qi)數(shu)時(shi)必(bi)須(xu)開(kai)路(lu)。作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)諧(xie)振(zhen)式(shi)天(tian)線(xian)，工(gong)作(zuo)頻(pin)帶(dai)窄(zhai)是(shi)其(qi)固(gu)有(you)的(de)缺(que)點(dian)。盡(jin)管(guan)為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)

，人(ren)們(men)想(xiang)出(chu)了(le)許(xu)多(duo)方(fang)法(fa)，但(dan)一(yi)直(zhi)未(wei)能(neng)取(qu)得(de)令(ling)人(ren)滿(man)意(yi)的(de)效(xiao)果(guo)。而(er)我(wo)們(men)采(cai)用(yong)一(yi)些(xie)新(xin)的(de)設(she)計(ji)思(si)路(lu)，研(yan)製(zhi)成(cheng)功(gong)的(de)八(ba)臂(bi)螺(luo)旋(xuan)天(tian)線(xian)在(zai)實(shi)現(xian)寬(kuan)頻(pin)帶(dai)（甚至雙頻）工gong作zuo的de同tong時shi，其qi他ta性xing能neng指zhi標biao也ye得de到dao明ming顯xian改gai善shan。本ben文wen首shou先xian對dui這zhe種zhong新xin型xing天tian線xian的de工gong作zuo原yuan理li作zuo一yi個ge簡jian單dan的de介jie紹shao
，然ran後hou闡chan述shu設she計ji過guo程cheng中zhong的de幾ji個ge關guan鍵jian技ji術shu，最zui後hou還hai通tong過guo給gei出chu實shi測ce的de數shu據ju來lai說shuo明ming該gai天tian線xian的de各ge項xiang性xing能neng指zhi標biao。

工作原理
　　
1.寬頻帶工作原理
　　
盡(jin)管(guan)采(cai)用(yong)較(jiao)粗(cu)的(de)螺(luo)旋(xuan)臂(bi)可(ke)使(shi)四(si)臂(bi)螺(luo)旋(xuan)天(tian)線(xian)輸(shu)入(ru)端(duan)的(de)電(dian)抗(kang)隨(sui)頻(pin)率(lv)的(de)變(bian)化(hua)變(bian)得(de)較(jiao)慢(man)，因(yin)而(er)能(neng)在(zai)一(yi)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei)改(gai)善(shan)頻(pin)帶(dai)特(te)性(xing)，但(dan)這(zhe)種(zhong)改(gai)進(jin)受(shou)到(dao)很(hen)大(da)的(de)限(xian)製(zhi)
，且(qie)付(fu)出(chu)的(de)代(dai)價(jia)是(shi)增(zeng)加(jia)了(le)天(tian)線(xian)的(de)重(zhong)量(liang)和(he)加(jia)工(gong)難(nan)度(du)。為(wei)了(le)能(neng)真(zhen)正(zheng)實(shi)現(xian)寬(kuan)帶(dai)工(gong)作(zuo)
，我(wo)們(men)以(yi)這(zhe)種(zhong)天(tian)線(xian)為(wei)基(ji)礎(chu)設(she)計(ji)出(chu)的(de)八(ba)臂(bi)螺(luo)旋(xuan)天(tian)線(xian)如(ru)圖(tu)1所(suo)示(shi)。這(zhe)種(zhong)新(xin)型(xing)天(tian)線(xian)由(you)兩(liang)付(fu)形(xing)狀(zhuang)相(xiang)同(tong)，共(gong)軸(zhou)放(fang)置(zhi)，但(dan)臂(bi)長(chang)不(bu)同(tong)的(de)四(si)臂(bi)螺(luo)旋(xuan)天(tian)線(xian)組(zu)成(cheng)。我(wo)們(men)隻(zhi)對(dui)其(qi)中(zhong)的(de)一(yi)付(fu)螺(luo)旋(xuan)天(tian)線(xian)饋(kui)電(dian)，另(ling)一(yi)付(fu)天(tian)線(xian)上(shang)的(de)電(dian)流(liu)則(ze)通(tong)過(guo)電(dian)磁(ci)耦(ou)合(he)得(de)到(dao)。

理li論lun分fen析xi和he實shi際ji測ce試shi都dou表biao明ming
，八ba臂bi螺luo旋xuan天tian線xian的de輸shu入ru阻zu抗kang呈cheng雙shuang頻pin工gong作zuo特te性xing，其qi中zhong一yi個ge諧xie振zhen頻pin率lv跟gen原yuan來lai的de四si臂bi螺luo旋xuan基ji本ben相xiang同tong，而er另ling一yi個ge諧xie振zhen頻pin率lv則ze取qu決jue於yu寄ji生sheng臂bi的de長chang度du及ji其qi與yu饋kui電dian臂bi之zhi間jian的de距ju離li。選xuan擇ze好hao各ge種zhong參can數shu，使shi得de兩liang個ge諧xie振zhen頻pin率lv適shi當dang地di靠kao近jin，天tian線xian的de輸shu入ru端duan就jiu會hui在zai比bi原yuan四si臂bi螺luo旋xuan寬kuan得de多duo的de頻pin帶dai範fan圍wei內nei有you良liang好hao的de駐zhu波bo比bi特te性xing，並bing且qie在zai此ci寬kuan帶dai範fan圍wei內nei，天tian線xian的de輻fu射she方fang向xiang圖tu始shi終zhong保bao持chi寬kuan波bo束shu圓yuan極ji化hua性xing能neng。
　　
2.圓極化工作原理
　　
duiyuyigebabiluoxuantianxian
，youyujiugongzuotexingeryan
，yigenkuidianbiyugentaxianglindenagenjishengluoxuanbikedengxiaochengyigenhencudeluoxuanbi，yinertadeyuanjihuagongzuoyuanligensibiluoxuantianxianwanquanxiangtong。bushiyibanxing，womenjiasheluoxuanbidechangduweiλ/2，旋轉角度為180°。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，由you於yu天tian線xian處chu於yu諧xie振zhen工gong作zuo狀zhuang態tai
，臂bi上shang的de電dian流liu幅fu度du接jie近jin正zheng弦xian分fen布bu，其qi中zhong最zui大da值zhi位wei於yu饋kui電dian點dian和he短duan路lu點dian，零ling點dian位wei於yu螺luo旋xuan臂bi的de中zhong部bu，那na麼me我wo們men就jiu可ke得de到dao由you相xiang對dui的de兩liang根gen螺luo旋xuan臂bi構gou成cheng的de雙shuang臂bi螺luo旋xuan天tian線xian的de簡jian化hua模mo型xing。

如圖2(a)所示。此處我們選擇螺旋中心為原點



，螺旋軸為Z軸，頂麵和底麵上天線臂的平行線為Yzhoulaijianlizuobiaoxi，lingwaizhumianshangdeluoxuanbufenjinsiyongzhixianhebanyuandezuhelaidaiti，tuzhongdeshijiantoubiaoshidianliufangxiang，xujiantoubiaoshiyuanshangdianliudeshilianghe。xianrangaimoxingkegengjinyibujianhuaweitu2(b)所示的一個YZ平麵上的電流環和一個X軸上的電偶極子的組合。同樣跟它垂直的另一付雙臂螺旋天線亦可等效成一個XZ平麵上的電流環和一個Y軸上的電偶極子的組合。根據天線的基本原理，由於這兩組電流環和電偶極子互相垂直且相差90°，那麼在遠區得到的是一個寬波束的心髒形圓極化方向圖。
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關鍵技術及其實現方法
　　
1.饋電方式的選擇
　　
采用何種饋電方式，直接影響到天線的工作頻帶和方向圖的圓極化性能。由於這種螺旋天線要求四條饋電臂上的電流幅度相等、相位兩兩相差90°，因此較為常用的方法是將四根長為λ/4、電流分布符合要求的同軸電纜直(zhi)接(jie)跟(gen)螺(luo)旋(xuan)臂(bi)相(xiang)連(lian)，但(dan)這(zhe)是(shi)一(yi)種(zhong)窄(zhai)帶(dai)饋(kui)電(dian)方(fang)法(fa)，在(zai)工(gong)程(cheng)上(shang)也(ye)不(bu)易(yi)於(yu)實(shi)現(xian)。而(er)我(wo)們(men)采(cai)用(yong)的(de)無(wu)限(xian)巴(ba)倫(lun)結(jie)構(gou)很(hen)好(hao)地(di)解(jie)決(jue)了(le)這(zhe)個(ge)難(nan)題(ti)，具(ju)體(ti)做(zuo)法(fa)是(shi)用(yong)作(zuo)為(wei)饋(kui)線(xian)的(de)同(tong)軸(zhou)電(dian)纜(lan)穿(chuan)過(guo)一(yi)條(tiao)螺(luo)旋(xuan)臂(bi)後(hou)

，在(zai)頂(ding)點(dian)（饋電點）將jiang其qi外wai導dao體ti和he內nei導dao體ti分fen別bie連lian在zai這zhe條tiao臂bi和he對dui麵mian的de那na條tiao臂bi上shang，利li用yong同tong軸zhou電dian纜lan的de內nei導dao體ti外wai壁bi與yu外wai導dao體ti內nei壁bi上shang的de電dian流liu大da小xiao相xiang等deng，方fang向xiang相xiang反fan的de特te點dian

，完wan成cheng對dui相xiang對dui的de兩liang根gen螺luo旋xuan臂bi的de等deng幅fu反fan相xiang饋kui電dian。此ci外wai，還hai需xu要yao附fu加jia一yi個ge功gong分fen器qi來lai保bao證zheng兩liang根gen饋kui線xian上shang的de電dian流liu幅fu度du相xiang等deng
、相位正交。
　　
2.展寬波束的途徑
　　
盡管減少螺旋的直徑與高度之比能使波束變寬，但它對θ麵和Ф麵方向圖的影響不同，因而軸比小於3dB的波束仍然不寬
，並且還會出現主瓣分裂現象。為了達到展寬波束的目的
，我們在天線的下麵附加一塊長和寬均在1.25λ左右的金屬反射板，這使得天線的最大輻射方向發生偏移
，而在軸線方向出現一個凹坑。調節金屬板與螺旋中心的距離h，凹坑的深度和方向圖的半功率寬度均隨著改變。當h=λ/4時，波束達到最寬

，其值大大超過了沒有金屬板時的情況，並且軸比亦得到改善。
　　
3.結構
　　
weilebaozhengtianxiandedianqixingnengzhibiaohekekaoxing，womencaiyonglebutongyusibiluoxuantianxiandejiegou。zaitianxiandedingbuyouyigesuliaoyuanpan，qidaogudingluoxuanbihejianshaolianggenchuizhikuidiandianlanxianghuouhedezuoyong；天線的底部有一個金屬安裝盒，以便把八根螺杆焊接在一起。塑料圓盤、金屬安裝盒和底麵反射板則通過一根高強度的不鏽鋼圓杆固定在一起。

實驗結果
　　
我們按照上麵的思路設計了一個八臂螺旋天線，它的具體參數如下：
　　螺旋臂長度：λC/2
　　螺旋高：0.27λC
　　螺旋直徑：0.146λC
　　螺旋臂直徑：0.006λC
　　螺旋臂旋轉度數：180°
　　螺旋中心距底板距離：λC/4
　　
其中λC表示中心頻率對應的波長。最後得到該天線的實測結果如圖3、圖4所示。圖3(a)中的曲線1表示在HP8510B矢量網絡分析儀上測得的四臂螺旋天線的駐波比特性曲線
，為了便於比較
，在同樣條件下測得的八臂螺旋天線駐波比由曲線2給出，可見八臂螺旋能明顯地展寬天線的頻帶；圖3(b)表示在相同的儀器上測得的史密斯阻抗圓圖。此處我們根據要求將天線的頻帶設計在14%，而事實上可以做得更寬。圖4(a)和(b)分別為工作頻率取0.93fc和1.07fc（即圖3(a)中的標記2和3）時，由頻譜儀測出的遠區輻射方向圖，它們的半功率寬度分別達到140°以及145°左右，這麼寬的波束是其它形式的天線很難達到的。
　　
諧振式八臂螺旋天線除了工作頻帶寬，在很寬的波束範圍內圓極化性能好的特點之外，還具有以下優點：
　　(1)天線的損耗小；
　　(2)方向圖的旋轉對稱性好
；
　　(3)天線之間的互耦小；
　　(4)適當地選擇參數，很容易獲得雙頻工作特性。
　　
這些特點使得這種新型天線既能單獨應用，從而為GPS和(he)衛(wei)星(xing)移(yi)動(dong)通(tong)信(xin)解(jie)決(jue)了(le)一(yi)個(ge)技(ji)術(shu)難(nan)點(dian)，又(you)非(fei)常(chang)適(shi)合(he)於(yu)作(zuo)為(wei)輻(fu)射(she)單(dan)元(yuan)來(lai)構(gou)成(cheng)能(neng)真(zhen)正(zheng)實(shi)現(xian)寬(kuan)角(jiao)掃(sao)描(miao)的(de)相(xiang)控(kong)陣(zhen)天(tian)線(xian)。因(yin)此(ci)我(wo)們(men)認(ren)為(wei)這(zhe)種(zhong)八(ba)臂(bi)螺(luo)旋(xuan)天(tian)線(xian)有(you)著(zhe)廣(guang)闊(kuo)的(de)應(ying)用(yong)前(qian)景(jing)。