螺旋天线设计

天线
――螺旋天线物理尺寸对天线效率的影响
一、天线概览
绝大多数天线具有可逆性：即天线用作接收天线时的特性与其处于发射状态时的特性时相同的。

辐射方向图：表示给定距离下天线的辐射随角度的变化，辐射的强弱由离天线给定距离r处的功率密度S来评价。

接收模式下，天线对于某方向来波的响应正比于辐射方向图上该方向的值。

方向系数：表示最大辐射强度于全空间均匀辐射时的平均辐射强度之比。

极化：描述了天线辐射时电场矢量的特征，瞬时电场矢量随时间的轨迹图决定波动的极化特性。

天线的输入阻抗：是天线终端电压与电流之比，通常的目的是使天线的输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配。

§天线分类
依据频率特性的不同，可以把天线分成四种基本类型。

◎电小天线：天线的尺寸比一个波长小很多。

特征：很弱的方向性，低输入电阻，高输入电抗，低辐射效率。

适合于VHF或更低的波段。

如短振子，小环。

◎谐振天线：在谐振频率点或某个窄频带内工作令人满意。

特征:低或中等增益，实输入阻抗，带宽狭窄。

主要用于HF到低于1GHz的频段。

如半波振子，微带贴片，八木天线。

◎宽带天线：在一个很宽的频率范围内，方向图、增益和阻抗几乎是常数，并且能够用有效辐射区的概念表述其特征，该区域在天线上的位置随频率的变化而变化。

特征：低到中等增益，增益恒定，实输入阻抗，工作频带宽。

主要用于VHF直至数个GHz的频段。

如螺线天线，对数周期天线。

◎口径天线：由一个供电磁波通过的开放的物理口径。

特征：高增益，增益随频率增大，带宽中等。

用于UHF和更高的频段。

如喇叭天线，反射面天线。

§天线的电气特性
（1）方向特性――方向图（BW0.5，FSLL）、方向系数D、增益G。

（2）阻抗特性――输入阻抗Zin、效率
2
640
r
h
R
A
，（辐射阻抗Z）
（3）带宽特性――带宽、上限频率f1，下限频率f2。

（4）极化特性――极化、极化隔离度。

天线增益G ：
等于辐射功率与输入功率之比。

A
G D
阻抗特性：
电小天线和谐振天线之所以是窄频带天线，很大程度上受制于恶劣的阻抗特性。

输入阻抗与复数功率间的关系:2
2()
(in
in in
in
in
in
P jQ Z R jX I I 为单峰值）
. 天线效率：d
R
*100%R R A ＝
＋。

如果天线效率是100％，输入阻抗与辐射阻抗应该相等。

然而事实上不是。

辐射电阻于方向系数的联系：2
max 120()R D f ，其中max f 为未归一化
方向函数模的最大值。

工作频率带宽：
当工作频率变化时，系统关注的几个主要电参数同时满足上述容许值的频率范围，称为天线的工作频率带宽。

相对带宽则是中心频率的百分比：u
l
P c
f f B f
最佳接收条件：
（1） 接收天线的最大接收方向对准来波方向。

（2） 接受天线的极化于来波的极化匹配。

（3） 接收天线的负载于自身的阻抗匹配。

前两个条件为了感应电动势最大化，最后一个条件为了获取最大接收功率。

二、螺旋天线
螺旋形天线的设计
电磁辐射体的另一种基本配置是把导线绕成螺旋形。

螺旋天线（图10）有简单和实用的结构，在多数情况下它也使用接地平板。

圈数（N ）、直径（D ）和圈距（S ）决定了天线的增益和方向性。

天线的总长为
L N =NL o =Nsqrt(S 2+C 2)
这里D 是直径，C=πD 是螺旋的圆周，S 是圈距，L o = sqrt(S²+C²)是一圈导线的长度。

另一项重要参数是螺旋角α，它是螺旋线切线和螺旋轴垂直平面的夹角。

螺旋角的定义为
α=tan-1(S/C)
当α = 0°时，绕组被压平，螺旋变成N圈的环形天线。

另一方面当α = 90°时，螺旋就变成一条直线。

螺旋天线有2种工作模式：
1) 常态模式
在常态工作模式，天线辐射场在相对于螺旋轴的法线平面有极大值，如图10.2所示。

对于该模式：NL o << λ。

2) 轴向（端射）模式
这种工作模式只有一个主瓣，它的最大辐射强度沿着螺旋轴，如图10.3所示。

副瓣与轴间有一个倾斜角度。

为激励这种模式，其直径D和空间S必须是波长的一个大分数。

图10 螺旋天线的结构
§法向模螺旋天线
当螺旋直径D 很小时（pi ×D ＝L<0.5波长），螺旋天线众的导波波长
g
与只有空间波长及螺旋直
径D 之间有如下关系：
2
2.50.520()()g
D
D
在短波、米波及分米波波段可用法向模螺旋天线来代替鞭状天线，这样做可使天线高度缩短约三分之一，甚至更多。

其计算公式是： 天线高度：4
g
h
天线的总圈数：0.23000()()()h
N
f MHz D cm D
绕制螺旋所用导线总长为：0.2
*()*10
h N L
D N
D
实践证明，天线高度降低后，尽管辐射电阻也降低了，但仍可维持所需的天线效率。

法向模螺旋天线驻波比小于1.5的带宽约为5％。

此外，除了圆柱形螺旋天线外，还有圆锥形螺旋天线，它的波段特性比圆柱形天线好，波段覆盖系数为2～3。

（以上来自《天线》北京邮电学院出版社） 在法向模式情况狭，辐射场的最大方向垂直于螺旋天线轴。

一圈螺旋可近似看作是小圆环天线加
一电基本振子。

通常，法向模螺旋天线是垂直放置的，并且使
222
222
(/)S
E S
E
D
C （极化椭圆
的轴比）的比值大于1，这样使得垂直方向的辐射占主导地位。

这种情况对于小型无线电接收机是非常实用的，比如个人收音机。

在这些情况下，线长Lw 大约等于四分之一波长，并且天线按单极子方式馈电。

这种天线常被称作法向模螺旋天线（NMHA ），或谐振式短截螺旋，其方向图几乎是全向的。

这种天线与常规等长度的直导线单极子相比的优点是：螺旋本身相当于一电感器，有助于抵消电小天线本身固有的容抗。

沿着螺旋线的电流近似是正弦分布的。

理想导电地上架高不超过/8的谐振式短截螺旋的辐射电阻r R ：2
640
r h
R 。

附：
天线基本知识
§天线选择
在选择天线时必须首先注重其性能。

具体说有两个方面，第一选择天线类型；第二选择天线的电气性能。

选择天线类型的意义是：所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求；选择天线电气性能的要求是：选择天线的频率带宽、增益、额定功率等电气指标是否符合系统设计要求。

§天线的辐射效率
指天线辐射到空间的功率与输入功率之比，对于全向天线而言,效率是最重要的参数.如果两个天线效率相同的全向天线,增益大的反而不好,因为这只说明其方向性强.
§什么是天线的增益？
答：增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。

增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求，简单地说，在同等条件下，增益越高，电波传播的距离越远，一般基地台天线采用高增益天线，移动台天线采用低增益天线。

§什么是电压驻波比？
答：天线输入阻抗和馈线的特性阻抗不一致时，产生的反射波和入射波在馈线上叠加形成的磁波，其相邻电压的最大值和最小值之比是电压驻波比，它是检验馈线传输效率的依据，电压驻波比小于1.5，在工作频点的电压驻波比小于1.2，电压驻波比过大，将缩短通信距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放管，影响通信系统正常工作。

§什么是天线的方向性？
答：天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。

衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。

全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。

定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。

§如何理解天线的工作频带宽度？
答：天线的电参数一般都于工作频率有关，保证电参数指标容许的频率变化范围，即是天线的工作频带宽度。

一般全向天线的工作带宽能达到工作频率范围的3-5%，定向天线的工作带宽能达到工作频率的5-10%。

§VSWR
天线系统和输出阻抗为50欧的发信机的匹配条件是天线系统阻抗为50欧纯电阻。

要满足这个条件，需要做到两点：第一，天线电路与工作频率谐振（否则天线阻抗就不是纯电阻）；
第二，选择适当的馈电点。

其中谐振是最关键的因素。

§所有功率源都存在内部阻抗。

匹配时，才能向外部设备传输最大功率。

§：波长（米）=速度/频率=300/频率（MHz）。

§传输线和天线的以下特点：（1）长度短于四分之一波长的短路线呈电感性；（2）长度短于四分之一波长的开路线呈电容性；（3）如果一条任意长度的导线的终端电阻等于它的特性阻抗，那么它就是一个纯电阻性的负载，因而不会把能量反馈回信号源；（4）长度略短于四分之一波长倍数的天线呈电容性；（5）长度略长于四分之一波长倍数的天线呈电感性；（6）电感性负载可用加入电容的方法来匹配，电容性负载可用加入电感的方法来匹配。

§八木天线
八木天线是最简单的多振子定向天线，它是根据用数字方法解释了其工作原理的人而命名的。

其结构、制作尺寸及连接方式如图13所示。

它由反射器、激励振子、引向器等组成。

其主要目的是将信号引向到激励振子,并通过反射器将信号聚焦到激励振子。

实际上它就是一付定向天线。

注：第一引向器比激励振子短4％，第二引向器比第一引向器短2～4％，第三引向器比第二引向器短3％，第四引向器比第三引向器短2％。

另外，八木天线只有激励振子是直接与设备相连接的，其振子间隔均为015～02波长。

§天线增益的计算：G=η4πS/λ2=η（π/λ）2D2式中，S-天线口径面积（平方米）；λ-工作波长（米）；
D-抛物面口径（即面口直径）（米）；η-天线效率。

§效率（η）
输入到天线的射频功率，由于天线系统中的热损耗、介质损耗、感应损耗（悬挂天线的设备及大地的感应损耗）而消耗一部分，因此不能全部变为电磁波辐射出去。

天线效率表示天线是否有效的转换能量，是天线重要参数之一，发射天线的效率η是指真正射出去的功率Pr 与输入到天线的总功率Pin（辐射功率Pr与天线损耗功率Ps的和）之比，即：
η=Pr/Pin= Pr/（Pr+Ps）
上式还可以用天线输入端的辐射电阻Rro和损耗电阻Rs表示。

即：
η=I×Rro/（I×Rro+ I×RS）= Rro/（Rro+ RS）
可见，要提高天线辐射效率，应设法提高辐射电阻，尽可能降低损耗电阻。

从上面算式中很明显的看出，天线效率总是小于1。

§接收天线共轭匹配。