螺旋型天線

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。

安裝於法國普勒默爾博杜的四軸模螺旋天線陣列，用作衛星追蹤捕獲天線

螺旋型天線：

(B)中央支撐結構，

(C)同軸電纜饋線，

(E)螺旋的絕緣支撐，

(R)反射器接地平面，

(S)螺旋輻射線

除了全向設計的螺旋天線外，大多數情況下，定向螺旋天線安裝在接地平面上。饋線連接螺旋線底部和接地平面。螺旋天線可以法向（normal）或軸向（axial）兩種主要模式之一工作。

在法向模（邊射式，broadside）螺旋天線中，天線的直徑和螺距與波長相比較小。其特性類似於電短偶極子或單極子天線，等效於四分之一波長垂直天線，輻射方向圖與這些天線類似，^[1]:293-295呈全向性，最大輻射方向垂直於螺旋軸。單股螺旋天線輻射波是線極化波，極化方向與螺旋軸平行。此類天線廣泛用於可攜式手持電台、車載移動電台等緊湊型設備，亦應用於UHF頻段電視廣播天線。採用雙股或四股螺旋結構時，可實現邊射式圓極化輻射。

在軸向模（端射式，end-fire）螺旋天線中，天線的直徑和螺距接近工作波長。此時天線表現為定向輻射器，主輻射方向是沿螺旋軸從螺旋末端射出，並產生圓極化無線電波。此類天線專用於衛星通信。軸向模工作原理由物理學家約翰·D·克勞斯首次發現。^[2]

法向模螺旋天線

若螺旋天線的螺旋線周長遠小於波長，且其螺距遠小於四分之一波長，則該天線稱為法向模螺旋天線。其特性類似單極子天線，輻射方向圖呈全向性，於垂直於天線軸線的平面上各方向輻射相同的功率。^[1]:292-294由於螺旋結構引入的電感，這種天線的特性與電感加載的單極子天線類似；諧振時，其長度小於四分之一波長。因此法向模螺旋天線可作為電小單極子使用，替代中部或底部加載的鞭狀天線，適用於四分之一波長單極子天線尺寸過大的場景。與其他電小天線類似，其增益及通信距離低於全尺寸天線。緊湊特性使其廣泛用作HF、VHF和UHF頻段的移動便攜設備天線。^[3]

一種常見的法向模螺旋天線是可攜式收音機中使用的「橡皮鴨天線」。一部手持式雙向無線電，天線上的橡膠套已拆除。

螺旋結構的加載效應使天線物理尺寸小於其四分之一波長的電長度。例如27 MHz頻段的四分之一波長天線需2.7米，不適合實際應用；而螺旋天線在保持相近輻射方向圖的前提下，尺寸顯著縮小，性能僅輕微降低。

螺旋廣播天線

專用的法向模螺旋天線作為VHF/UHF頻段電視廣播發射天線，^[4]:342由環繞鋼管的螺旋導體構成，通過支架絕緣子固定。輻射單元包含等長的左右旋向雙螺旋體，在中心連接。^[4]:362鋼管與螺旋體構成漏洩傳輸線，沿垂直於鋼管方向輻射。該天線於底部饋電，與其他法向模天線不同的行波工作模式使電流振幅沿軸向衰減（頂端衰減達40 dB）因此反射不多。單匝長度通常為2倍波長以確保垂直輻射。僅6–7%的帶寬特性要求天線劃分多個垂直節段，節間設置相位調節環維持全塔相位一致性。^[4]:362

軸向模螺旋天線

端射螺旋衛星通信天線，美國伊利諾州斯科特空軍基地。衛星通信系統通常使用圓極化無線電波，因為衛星天線可以在空間中以任意角度定向而不會影響傳輸，軸向模（端射）螺旋天線通常用作地面天線。

當螺旋周長接近工作波長時，天線工作在軸向模。^[1]:292這是一種非諧振的行波模式：電流與電壓波不是駐波，沿單一方向傳播——發射天線中從饋點向上行進，接收天線中則向饋點下行。該模式不再輻射垂直於軸線的線極化波，而是沿軸線方向輻射圓極化波束。輻射方向圖的主瓣位於螺旋軸線兩端。因定向天線只需單向輻射，螺旋末端通常加載金屬平板或網狀反射器以引導波束前向傳播。

在無線電傳輸中，圓極化適用於收發天線相對方位難以控制的場景（如動物追蹤、航天通信）或信號極化可能變化的情況，故軸向螺旋天線在此類應用中具有顯著優勢。鑑於大型螺旋結構製造困難且轉向操控笨拙，該設計通常僅用於VHF至微波的高頻段。

螺旋結構存在兩種旋向：右旋（形如標準瓶塞鑽）或左旋。首圖四螺旋陣列採用左旋結構，其餘圖示均為右旋。軸向螺旋的旋向決定輻射波的極化方向。關於圓極化波描述存在兩種互斥慣例，即從波源的角度（電子電氣工程界^[5][6]，物理學界^[7]，射電天文學界^[8]常用）和從接收者角度定義（光電工程界^[9]和化學界^[10]常用），導致螺旋旋向與輻射極化類型的關係表述存在歧義。但螺旋天線發明者J.D.克勞斯明確聲明："左旋螺旋響應左旋圓極化波，右旋螺旋響應右旋圓極化波（IEEE標準定義）"。^[1]:46 IEEE將極化旋向定義為：

Telstar 1通信衛星上的四軸螺旋定向天線（頂部），1961年

「當觀察者沿傳播方向觀察時，電場矢量順時針旋轉為右旋極化」。^[11]

因此右旋螺旋輻射右旋圓極化波（電場矢量順傳播方向呈順時針旋轉）。

螺旋天線可接收任意線極化信號（如水平/垂直極化），但接收圓極化信號時須與發射天線旋向一致：左旋極化天線接收右旋圓極化信號時將產生嚴重增益損耗，反之亦然。

螺旋尺寸由工作頻率的波長（λ）決定，而波長取決於工作頻率。為實現軸向模式工作，周長應等於工作波長，^[12] 為實現最優性能，螺距角需設定為13°左右（對應螺距=0.23倍周長）（不同文獻採用的範圍不同，有的採用11–14°，^[13]有的採用12–15°^[14]），即匝間距約為λ/4。匝數決定天線方向性：增加匝數可提升軸向增益（加裝接地板時單端增強），但會犧牲其他方向的輻射強度。當周長C<λ時，天線轉入法向模，此時增益方向呈環狀側向輻射而非端射。

軸向模式下的終端阻抗範圍在100–200 Ω之間，滿足下列近似關係式：^[1]:232

${\displaystyle Z\simeq 140{C \over \lambda }}$

用於無線區域網通信的軸模螺旋天線，工作頻率約2.45 GHz

其中C為螺旋線的周長，λ為波長。與標準50或75 Ω同軸電纜的阻抗匹配（當C=λ時）通常通過四分之一波長帶狀線實現，該帶狀線充當螺旋線和接地板之間的阻抗變換器。

最大定向增益滿足：^[15]

${\displaystyle \mathrm {Gain} \simeq 15({C \over \lambda })^{2}({NS \over \lambda })}$

其中N為匝數，S為匝間距。大多數螺旋天線設計採用C=λ且S=0.23C，因此增益通常為G=3.45N。以分貝為單位的增益為${\displaystyle G_{dBi}=10\log _{10}(3.45N)}$

半功率波束寬度為：^[15]

${\displaystyle \mathrm {HPBW} \simeq {52 \over {C \over \lambda }{\sqrt {NS \over \lambda }}}\mathrm {degrees} }$

零點之間的波束寬度為：^[1]:235

${\displaystyle \mathrm {FNBW} \simeq {115 \over C}{\sqrt {\lambda ^{3} \over NS}}\mathrm {degrees} }$

螺旋天線的增益很大程度上取決於反射器。^[16] 上述經典公式假設反射器為圓形諧振器（帶邊框的圓形板），且俯仰角是此類反射器的最佳選擇。然而，這些公式會將增益高估幾dB。^[17] 對於平坦接地平面，可使增益最大化的最佳俯仰角在3–10°範圍內，取決於導線半徑和天線長度。^[17]

參見