《四臂螺旋天线》

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1、维普资讯http://www.cqvip.com电子技术参考1993年第1期47，四臂螺旋天线孙臻电子工丽q研究员【摘要】四个四分之一披长整数倍的螺旋，绕制四分之一的擎曾倍圈的天线，具有心脏形辐射图和圆极化的特性．本文推导出其辐射场的一般公式，便于用计算机辅助设计．／2长、1／2圈的天线实例给出理论计算和实测数据．关键i．1螺旋天线，心脏形，圆极化，计算机辅CAP．a——l引言在空间通信中作为非跟踪的地面站天线，需要半球覆盖的宽波束圆极化天线．结构紧凑的四臂螺旋天线很适合这种应用．CC．KIlgus对螺旋长为／4、／2、3／4和，绕制l／4、l／2、3／4和l圈的四臂螺旋天线作过研究

2、但理论计算公式有误．本文将不采用原来的单个螺旋天线的处理方法，而引入“位差”概念．对四臂螺旋建立一个新的几何参数方程，利用电流矢量和场的关系，推导出该天线辐射场的理论计算公式，包括文献[3]未能导出的更为复杂的场的0分量表达式．为了定性了解该天线的辐射特性，提出一种近似分析方法．本文最后给出一个应用实例，给出实际模型的实验数据和理论计算结果．本文所导出四臂螺旋天线的辐射场一般公式，可以在微机上模拟出不同的几何参数的辐射图形和各种辐射特性(如圆极化轴比，辐射强度前后向的比等)．2理论2．1四臂螺旋天线的几何关系堡堕垦垄堕堡墨塑堕堑重·本文于1992年12月15日收到．维普资讯http:

3、//www.cqvip.com48电子技术参考l993年第1期四螺旋参数方程zX=R0cos(t+D)Y=R0sin(t+DJz：±Ro—h．t2丁cn=lI2，3，4式中D为第n臂元螺旋的位差D。=0：D=180，ODj=90JD4=270。：x右螺旋取’+’而左螺旋取一’；h为螺距(螺旋1圈的轴长)．图1四臂螺旋几何关系图参数t为各元的位差作始边算起的角度或弧度，从0变到2N71：，N为螺圈数(图I取N：1／4)．R：1Lcos(t+D0)e+Rosin(t十D0)e±(h／2丌)·te若定义从t=O算起的弧长s和螺距角，则S=R0t／cosl30ds：R／cosl3o·dt．若

4、设螺旋轴长L，螺旋元长L，则L：NhL=√Lj+(2N~tR)=N利用t：2Nx时s；L，从(3)(4)得cos15=2xR／Psin15：h／P式中p：2．2辐射场从电磁理论可知用矢位表示的辐射场E。：一jtolaA日E：一jt．opaA女H日：一tiE^(6)Hm：一HE。式中q=√u／6维普资讯http://www.cqvip.com四臂螺旋天线49假定螺旋上电流分布可以理想化为线源，则有A。：=——1Jejl“⋯⋯nds{7)4rJ。⋯一ds式中：R。。’pnhR／ht=R。“。。。‘一一Dn’±。。。(8)电流J的方向可由螺线的切向获得：T=dR，ds=(一sin(t+D)

5、cosl3e+cos(t+D)cos13eLd￡±。i“Bn。z)’’(9)e=(一1)‘(一sin(t+D)cos13e+cos(t+D)COSBe±sinBe)旺0j式中e即为第n元螺旋上电流的单位矢，螺旋1和2组成线圈回路1，螺旋3和4组成线圈回路2．注意㈣式表明螺旋2和4流向分别与螺旋1和3流向对t来说是反向的．各元的螺旋角B不一定为同一值．一般假定电流分布I。f(t)，利用坐标变换e。：COS0cos6e+COS0sin6e一sinOee。=一sin6e+COS6eD可求得：J=Iofn(t)e·e_=(一1)I。f【t)【COSBcosOsin【—t—D)一sinOsin

6、B)f1曲J。=10f(t)e·e。=Iaf(t)(一1)(COS(一t—D))cosB(13)为了形成圆极化辐射场，线圈1和线圈2在馈电时相差90；由上诸式即得螺旋部分的辐射场：E。一一jCRJIofo(t)cos(6-t)e⋯sdt，当’n=1，2(14)维普资讯http://www.cqvip.com50电于技术参考1993年第1期En：一jCRnJ。-'N~fn(t)sin(审一t1e_⋯“dt·当n=3，4E0．：一jCRjf一t)c。s0c。sB+(一1)sin0sinB)e⋯ndt，当n=1，2Eo．：一CRNtf)(cosr(b—t!．cosOc。sB+t一1)sin

7、Osin§)e⋯Ⅱdt，当n=3，4(17)戎中．常数C=∞IDexp(一jkr)l4丌r螺旋总的辐劓场：E：E，+E÷+E3+E。n8)E=E。I+E。2+Et3+E¨2．3近似分析上面导出的四臂螺旋的辐射场，一般情况下没有解析表达式，只能利用计算机进行数值计算．为要定性分析辐射场的特性．下面作一些简化．考虑／2长l／2圈的情形．从(10)式可以看出螺旋上电流可以分解为两个分量：中和Z分量．螺旋l和2分别变化半个圆，其合成为x轴向的电流元，同理线圈2的电