螺旋型天線

缩略图|螺旋型天线：(B)中央支撑结构，(C)同轴电缆馈线，(E)螺旋的绝缘支撑，(R)反射器接地平面，(S)螺旋辐射线
螺旋形天線是一種由一個或多個導線纏繞而成的螺旋型天線。由一根導線所構成的螺旋形天線稱為單股天線；而由兩個或四個螺旋狀導線構成的天線則分別稱為雙股 (Bifilar) 或四股(Quadrifilar)螺旋天線。

除了全向设计的螺旋天线外，大多数情况下，定向螺旋天线安装在接地平面上。馈线连接螺旋线底部和接地平面。螺旋天线可以法向（normal）或轴向（axial）两种主要模式之一工作。

在法向模（边射式，broadside）螺旋天线中，天线的直径和螺距与波长相比较小。其特性类似于电短偶极子或单极子天线，等效于四分之一波长垂直天线，辐射方向图与这些天线类似，呈全向性，最大辐射方向垂直于螺旋轴。单股螺旋天线辐射波是线极化波，极化方向与螺旋轴平行。此类天线广泛用于便携式手持电台、车载移动电台等紧凑型设备，亦应用于UHF频段电视广播天线。采用双股或四股螺旋结构时，可实现边射式圆极化辐射。

在轴向模（端射式，end-fire）螺旋天线中，天线的直径和螺距接近工作波长。此时天线表现为定向辐射器，主辐射方向是沿螺旋轴从螺旋末端射出，并产生圆极化无线电波。此类天线专用于卫星通信。轴向模工作原理由物理学家约翰·D·克劳斯首次发现。

法向模螺旋天线

若螺旋天线的螺旋线周长远小于波长，且其螺距远小于四分之一波长，则该天线称为法向模螺旋天线。其特性类似单极子天线，辐射方向图呈全向性，于垂直于天线轴线的平面上各方向辐射相同的功率。由于螺旋结构引入的电感，这种天线的特性与电感加载的单极子天线类似；谐振时，其长度小于四分之一波长。因此法向模螺旋天线可作为电小单极子使用，替代中部或底部加载的鞭状天线，适用于四分之一波长单极子天线尺寸过大的场景。与其他电小天线类似，其增益及通信距离低于全尺寸天线。紧凑特性使其广泛用作HF、VHF和UHF频段的移动便携设备天线。


螺旋结构的加载效应使天线物理尺寸小于其四分之一波长的电长度。例如27 MHz频段的四分之一波长天线需2.7米，不适合实际应用；而螺旋天线在保持相近辐射方向图的前提下，尺寸显著缩小，性能仅轻微降低。

 螺旋广播天线 
专用的法向模螺旋天线作为VHF/UHF频段电视广播发射天线，由环绕钢管的螺旋导体构成，通过支架绝缘子固定。辐射单元包含等长的左右旋向双螺旋体，在中心连接。钢管与螺旋体构成漏泄传输线，沿垂直于钢管方向辐射。该天线于底部馈电，与其他法向模天线不同的行波工作模式使电流振幅沿轴向衰减（顶端衰减达40 dB）因此反射不多。单匝长度通常为2倍波长以确保垂直辐射。仅6–7%的带宽特性要求天线划分多个垂直节段，节间设置相位调节环维持全塔相位一致性。

轴向模螺旋天线
当螺旋周长接近工作波长时，天线工作在轴向模。这是一种非谐振的行波模式：电流与电压波不是驻波，沿单一方向传播——发射天线中从馈点向上行进，接收天线中则向馈点下行。该模式不再辐射垂直于轴线的线极化波，而是沿轴线方向辐射圆极化波束。辐射方向图的主瓣位于螺旋轴线两端。因定向天线只需单向辐射，螺旋末端通常加载金属平板或网状反射器以引导波束前向传播。

在无线电传输中，圆极化适用于收发天线相对方位难以控制的场景（如动物追踪、航天通信）或信号极化可能变化的情况，故轴向螺旋天线在此类应用中具有显著优势。鉴于大型螺旋结构制造困难且转向操控笨拙，该设计通常仅用于VHF至微波的高频段。

螺旋结构存在两种旋向：右旋（形如标准瓶塞钻）或左旋。首图四螺旋阵列采用左旋结构，其余图示均为右旋。轴向螺旋的旋向决定辐射波的极化方向。关于圆极化波描述存在两种互斥惯例，即从波源的角度（电子电气工程界Electromagnetic Waves & Antennas – S. J. Orfanidis: Footnote p.45, "most engineering texts use the IEEE convention and most physics texts, the opposite convention."，物理学界Lectures on Physics Feynman (Vol. 1, ch.33-1) "If the end of the electric vector, when we look at it as the light comes straight toward us, goes around in an anti-clockwise direction, we call it right-hand circular polarization. ... Our convention for labeling left-hand and right-hand circular polarization is consistent with that which is used today for all the other particles in physics which exhibit polarization (e.g., electrons). However, in some books on optics the opposite conventions are used, so one must be careful."，射电天文学界IAU General Assembly Meeting, 1973, Commission 40 (Radio Astronomy/Radioastronomie), 8. POLARIZATION DEFINITIONS -- "A working Group chaired by Westerhout was convened to discuss the definition of polarization brightness temperatures used in the description of polarized extended objects and the galactic background. The following resolution was adopted by Commissions 25 and 40: 'RESOLVED, that the frame of reference for the Stokes parameters is that of Right Ascension and Declination with the position angle of electric-vector maximum, q, starting from North and increasing through East. Elliptical polarization is defined in conformity with the definitions of the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE Standard 211, 1969). This means that the polarization of incoming radiation, for which the position angle, q, of the electric vector, measured at a fixed point in space, increases with time, is described as right-handed and positive.'"常用）和从接收者角度定义（光电工程界和化学界常用），导致螺旋旋向与辐射极化类型的关系表述存在歧义。但螺旋天线发明者J.D.克劳斯明确声明："左旋螺旋响应左旋圆极化波，右旋螺旋响应右旋圆极化波（IEEE标准定义）"。 IEEE将极化旋向定义为：
“当观察者沿传播方向观察时，电场矢量顺时针旋转为右旋极化”。

因此右旋螺旋辐射右旋圆极化波（电场矢量顺传播方向呈顺时针旋转）。

螺旋天线可接收任意线极化信号（如水平/垂直极化），但接收圆极化信号时须与发射天线旋向一致：左旋极化天线接收右旋圆极化信号时将产生严重增益损耗，反之亦然。

螺旋尺寸由工作频率的波长（λ）决定，而波长取决于工作频率。为实现轴向模式工作，周长应等于工作波长， 为实现最优性能，螺距角需设定为13°左右（对应螺距=0.23倍周长）（不同文献采用的范围不同，有的采用11–14°，有的采用12–15°），即匝间距约为λ/4。匝数决定天线方向性：增加匝数可提升轴向增益（加装接地板时单端增强），但会牺牲其他方向的辐射强度。当周长C<λ时，天线转入法向模，此时增益方向呈环状侧向辐射而非端射。

轴向模式下的终端阻抗范围在100–200 Ω之间，满足下列近似关系式：

其中C为螺旋线的周长，λ为波长。与标准50或75 Ω同轴电缆的阻抗匹配（当C=λ时）通常通过四分之一波长带状线实现，该带状线充当螺旋线和接地板之间的阻抗变换器。

最大定向增益满足：

其中N为匝数，S为匝间距。大多数螺旋天线设计采用C=λ且S=0.23C，因此增益通常为G=3.45N。以分贝为单位的增益为

半功率波束宽度为：

零点之间的波束宽度为：

螺旋天线的增益很大程度上取决于反射器。 上述经典公式假设反射器为圆形谐振器（带边框的圆形板），且俯仰角是此类反射器的最佳选择。然而，这些公式会将增益高估几dB。 对于平坦接地平面，可使增益最大化的最佳俯仰角在3–10°范围内，取决于导线半径和天线长度。

参见

参考文献

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