1、螺旋天线在业余无线电中的应用 2008-12-10 17:30:02| 分类： 电子制作 | 标签： |字号大中小 订阅 任何依靠电磁波传送信息的无线电设备都需要天线。天线是一种转能器。当发射时，它把发射机的高频电流转换成空间电磁波。接收时，它又把从空间截获的电磁波转换成高频电流送入接收机。本文简单的介绍一下无线电收发装置中天线的原理与制作。鞭天线袖珍超短波无线电台，接收与发射共用一付天线。但考虑到使用环境的不同，一般该机都配有两种不同型式的天线供选用。一种是四分之一波长鞭天线，另一种是小型螺旋天线。四分之一波长鞭天线是一种由多节组成的普通拉杆天线。工作时拉开与发射机发出的高频电流产生谐振。理
2、论上，谐振时鞭天线的长度应该是谐振频率相对应波长的四分之一。但是，由于电磁波在金属杆中的传播速度比在空气中稍小，电磁波在金属杆上传播的波长也相应稍短，故实际鞭天线的长度要比四分之一波长略短些。这个缩短系数与工作频率，金属杆直径有关。工作频率高，金属杆直径大，则缩短值也大。此拉杆天线平均直径是 4.5厘米，缩短系数为 0.97，取电台工作的中心频率四分之一波长乘以该缩短系数为实际天线长度。螺旋天线螺旋天线是一种新型的小型化通讯天线，它对于移动通讯中使用的袖珍无线电台特别适用。因长度为米多的天线对袖珍机来说确实长了些，给使用者带来不便，尤其是在高压电线附近使用不够安全。为此专门为该机设计了总长度不
3、到拉杆天线三分之一的小型螺旋天线。这种天线目前已开始在通讯及电视等方面获得应用。这里重点淡谈它的结构、工作原理、计算公式和制作方法。结构：把金属导线按一定的间距曲绕成螺旋形状，并用绝缘材料支杆沿螺旋的轴向方向把线圈支撑起来，螺旋的端与发射机的输出 端连接，另一端开路，就构成了螺旋天线。产品是用直径 1.2 毫米碳素钢丝，在普通车床上绕成平均直径为厘米的螺旋若干圈，并用截面为梅花状的热成型聚丙烯芯杆支撵起来。螺旋外面用丁膳橡胶管密封以防雨水漫蚀。工作原理：小型螺旋天线是一个慢波系统。电磁波在螺旋轴向方向上的传播遗度比在空气中的速度（近似为光速）小很多，所以波长也相应短很多，为了与工作频率对应的波
4、长加以区别，把螺旋线中的波长叫做“ 导波长”。由图可以说明其原理。现在可以粗略地认为电磁波是沿着金属螺旋线绕制方向近似以光速传播的，当电磁波沿螺旋线绕一圈从点到达点时，实际上电磁波在螺旋的轴向上只走了的路程（螺距），把这一螺旋圈在平面上展开成直角三角形，则斜边代表电磁波沿螺旋线的传播速度，短直角边代表电磁波沿螺旋轴向的传播速度。由直角三角形的几何关系式 可知（ 角是螺旋切线与水平线的夹角），因，所以总有小于光速，故螺旋线是个慢波系统，它可以把电磁波的传播速度减慢。若把螺旋天线也做成谐振在四分之一波长的天线，那么它应是谐振在四分之一的“导波长 ”上，因而螺旋天线的几何长度计算公式：螺旋天线的长度
5、等于四分之一“导波长” 。“导波长”与螺旋直径、螺距、工作频率有关。它们之间有着很复杂的数学关系，若螺旋天线，同时又比工作波长小很多，则可按下面的近似公式进行计算：计算时应根据使用条件，选定螺旋宜径、长度（以米为单位），工作频率由中心频率决定（以兆赫为单位），根据上式计算出对应的螺旋圈数，当然选定的要比大很多（倍以上），绕制螺旋所用金属导线的长度可按下式计算：()例如一袖珍机中心工作频率取为 72.7，螺旋平掏直径1，希望天线尺寸不超过，则按（）式计算总圈数为 79.2 圈，按（）式计算所用导线长度约 2.5 米。业余制作与上述袖珍无线电台配用的鞭天线可用壁厚为 0.2 毫米的薄铜管自制，管的
6、外径在毫米为宜，长度米。若外径粗些，其长度可略短厘米。铜管的一头与发射机输出端连接，可在此头钻一直径毫米的小孔，从中引出焊线与发射机相连，铜管的另一端可用口径大小相仿的塑料牙膏加盖封住，若有长度相当的拉杆天线，就可以代用。若拉杆天线的外径粗，天线长度还可以稍短一些，若实在没有条件，可以用长度为 1.05 米的塑料皮导线来代替鞭天线。螺旋天线的制作：螺旋线可用宜径 0.81.5的漆包线绕制。漆包线的粗细对螺旋天线的性能影响不大，螺旋之间由于电压不高，一般用低强度油基性漆包线即可。需注意的是，螺旋之间的间距应保持一致并等于设计值。当工作频率为 72.7时，螺距为毫米，共绕 80 圈。绕制时，可先在
7、一根直径为毫米左右的金属杆上以间距为 2.5 毫米绕 85 圈，绕好后考虑螺旋线的回弹，基本上可以满足中心距离为毫米的要求，再把多余的圈数剪掉。绕好的螺旋线用绝缘支撵棒撵住，如环氧棒、有机玻璃棒、空心电工塑科管或细竹杆等。螺旋线还可用直径相仿的铝丝绕制，不过铝丝较铜丝硬，回弹也大，开始绕制时，中心距宜取得更小些，如 2.2 毫米左右，绕好后通过整形达到毫米，把最上面半圈螺旋旋向圆心处弯拆，靠支撑棒顶住，见图。能用热塑套管或薄橡皮套管把制作好的天线套起来更好，以防螺旋线受外力而变形。螺旋天线应与整机匹配地工作，让能量全部发射出去，或把接收到的能量全部送进接收机。鞭天线和螺旋天线部有一定的方向性，
8、即在某几个方向上能量最为集中，接收或发射的效果最好。所以在使用时，可旋转一下天线以获得最佳通讯效果。实际通话效果表明，该机配用米长鞭天线时可在公里平地范围内可靠通话，在配螺旋天线时通话距离为公里。接上述原理及计算公式也可以绘出工作在其它频率上的无线电遥测、遥控收发设备的天线参数。原则上也可以用于电视、调频广播接收等无线电装置上。谈谈螺旋天线任何依靠电磁波传送信息的无线电设备都需要天线。天线是一种 转能器。当发射时，它把发射机的高频电流转换成空间电磁波。接收 时，它又把从空间截获的电磁波转换成高频电流送入接收机。本文简 单的介绍一下无线电收发装置中天线的原理与制作。 鞭天线 袖珍超短波无线电台，
9、接收与发射共用一付天线。但考虑到使用 环境的不同，一般该机都配有两种不同型式的天线供选用。一种是四 分之一波长鞭天线，另一种是小型螺旋天线。四分之一波长鞭天线是 一种由多节组成的普通拉杆夭线。工作时拉开与发射机发出的高频电 流产生谐振。理论上，谐振时鞭天线的长度应该是谐振频率相对应波 长的四分之一。但是，由于电磁波在金属杆中的传播速度比在空气中 稍小，电磁波在金属杆上传播的波长也相应稍短，故实际鞭天线的长 度要比四分之一波长略短些。这个缩短系数与工作频率，金属杆直径 有关。工作频率高，金属杆直径大，则缩短值也大。此拉杆天线平均 直径是厘米，缩短系数为，取电台工作的中心频率四 分之一波长乘以该缩
10、短系数为实际天线长度。 螺旋天线 螺旋天线是一种新型的小型化通讯天线，它对于移动通讯中使用 的袖珍无线电台特别适用。因长度为米多的天线对袖珍机来说确实 长了些，给使用者带来不便，尤其是在高压电线附近使用不够安全。 为此专门为该机设计了总长度不到拉杆天线三分之一的小型螺旋天线 。这种天线目前已开始在通讯及电视等方面获得应用。这里重点淡谈 它的结构、工作原理、计算公式和制作方法。 结构：把金属导线按一定的间距曲绕成螺旋形状，并用绝缘材料 支杆沿螺旋的轴向方向把线圈支撑起来，螺旋的端与发射机的输出 端连接，另一端开路，就构成了螺旋天线。产品是用直径毫米 碳素钢丝，在普通车床上绕成平均直径为厘米的螺旋
11、若干圈，并用 截面为梅花状的热成型聚丙烯芯杆支撵起来。螺旋外面用丁膳橡胶管 密封以防雨水漫蚀。 工作原理：小型螺旋天线是一个慢波系统。电磁波在螺旋轴向方 向上的传播遗度比在空气中的速度（近似为光速）小很多，所以 波长也相应短很多，为了与工作频率对应的波长加以区别，把螺旋线 中的波长叫做“导波长” 。由图可以说明其原理。现在可以粗略地 认为电磁波是沿着金属螺旋线绕制方向近似以光速传播的，当电磁 波沿螺旋线绕一圈从点到达点时，实际上电磁波在螺旋的轴向上 只走了的路程（螺距），把这一螺旋圈在平面上展开成直角三角形 ，则斜边代表电磁波沿螺旋线的传播速度，短直角边代表电磁波沿 螺旋轴向的传播速度。由直角
12、三角形的几何关系式 可知（ 角是螺旋切线与水平线的夹角），因，所以 总有小于光速，故螺旋线是个慢波系统，它可以把电磁波的传播 速度减慢。若把螺旋天线也做成谐振在四分之一波长的天线，那么它 应是谐振在四分之一的“导波长 ”上，因而螺旋天线的几何长度可以 比拉杆天线短很多。 计算公式：螺旋天线的长度等于四分之一“导波长” 。“导波长 ”与螺旋直径、螺距、工作频率有关。它们之间有着很复杂的 数学关系，若螺旋天线，同时又比工作波长小很多，则可按 下面的近似公式进行计算： 计算时应根据使用条件，选定螺旋宜径、长度（以米为单位 ），工作频率由中心频率决定（以兆赫为单位），根据上式计 算出对应的螺旋圈数，当
13、然选定的要比大很多（倍以上） ，绕制螺旋所用金属导线的长度可按下式计算： ( ) 例如一袖珍机中心工作频率取为，螺旋平掏直径 ，希望天线尺寸不超过，则按（）式计算总圈 数为圈，按（）式计算所用导线长度约米。 业余制作 与上述袖珍无线电台配用的鞭天线可用壁厚为毫米的薄铜 管自制，管的外径在毫米为宜，长度米。若外径粗些，其长 度可略短厘米。铜管的一头与发射机输出端连接，可在此头钻 一直径毫米的小孔，从中引出焊线与发射机相连，铜管的另一端可 用口径大小相仿的塑料牙膏加盖封住，若有长度相当的拉杆天线，就 可以代用。若拉杆天线的外径粗，天线长度还可以稍短一些，若实在 没有条件，可以用长度为米的塑料皮导线
14、来代替鞭天线。螺 旋天线的制作：螺旋线可用宜径的漆包线绕制。 漆包线的粗细对螺旋天线的性能影响不大，螺旋之间由于电压不高， 一般用低强度油基性漆包线即可。需注意的是，螺旋之间的间距应保 持一致并等于设计值。当工作频率为时，螺距为 毫米，共绕圈。绕制时，可先在一根直径为毫米左右的金属杆 上以间距为毫米绕圈，绕好后考虑螺旋线的回弹，基本上 可以满足中心距离为毫米的要求，再把多余的圈数剪掉。绕好的螺 旋线用绝缘支撵棒撵住，如环氧棒、有机玻璃棒、空心电工塑科管或 细竹杆等。螺旋线还可用直径相仿的铝丝绕制，不过铝丝较铜丝硬， 回弹也大，开始绕制时，中心距宜取得更小些，如毫米左右， 绕好后通过整形达到毫米
15、，把最上面半圈螺旋旋向圆心处弯拆，靠 支撑棒顶住，见图。能用热塑套管或薄橡皮套管把制作好的天线套 起来更好，以防螺旋线受外力而变形。螺旋天线应与整机匹配地工作 ，让能量全部发射出去，或把接收到的能量全部送进接收机。 鞭天线和螺旋天线部有一定的方向性，即在某几个方向上能量最 为集中，接收或发射的效果最好。所以在使用时，可旋转一下天线以 获得最佳通讯效果。实际通话效果表明，该机配用米长鞭天线时可 在公里平地范围内可靠通话，在配螺旋夭线时通话距离为公 里。 接上述原理及计算公式也可以绘出工作在其它频率上的无线电遥 测、遥控收发设备的天线参数。原则上也可以用于电视、调频广播接 收等无线电装置上螺旋天线
16、的制作参数 我在论坛上混了一段时间了，到目前仍然没有作为，惭愧呀，由于兴趣所在，我找了天线原理书籍，其中介绍的螺旋天线有明确的参数和方法，这里我就把书中的内容简单转述一下吧。（高手就绕过吧）首先了解一些基础部分：1、我们的 WLAN 所使用的 2.4GHz 电磁波是行波，即电磁波的电场和磁场两者都与电波的传播方向相垂直。2、我们的天线主要是利用电磁波中的电场分量来负载信息的正题：螺旋天线的制作参数我们制作螺旋天线是将铜丝绕着圆管一圈圈斜向上绕，角度绕过 360 度时算作是一圈，绕这一圈所使用的一匝铜线长度记为 L，把上下相邻两圈的间距记作 S，铜线形成的螺圈的实际半径记为 R（就是 PVC管的
17、半径+铜线的横切面半径)，用这个半径 R 算出来的圆周长记为 O.（有些符合不知如何输入，我只好用文字，锻炼大家的理解和想象能力了）L: 螺线旋转一圈的长度 ，； S:上下相邻两个螺圈的距离 R: 螺圈的半径（PVC 管的半径+铜线的横切面半径） O：螺圈的周长（用 R 算出来的那个）， 对于波长和 L 长度的关系：（下面指的是比值）L/波长1.3 -L 大于 1.3 个波长，圆锥辐射模式我们要的是轴向辐射模式L 对应的是工作波长，对于行波 L 可以取值范围是 0.81.3 个波长，我们最好就直接用一个波长，即12.6CM 算了L 、 S、O 三者的关系： L 的平方=S 的平方+O 的平方L
18、S ; LO S 和 O 关系不定我们确定好 L 长度之后， S 和 O 是可以方便自定义的，这样我们可以去方便利用用不同口径的 PVC 管了理论是这样说的，我还没有亲自去试验呢.完整结构形象概样：1 铜线绕在圆管上作为天线部分，圈数多点好； 2 反射金属板（约一个波长直径的圆，形状其实无关，主要看面积） 3 这两者不相接，相互距离尽量小些即可接线方式：将馈线接在铜线的一段，屏蔽层接反射板补充说明：1 铜线绕多少圈及相应效果本书没有数据可查，我想至少要 10 多圈吧，可能是越多越好吧2 通过 L 、S 、O 三者的关系，我们可以利用上多种口径的 PVC 管，而不用拘泥了老外给出的数据了。这里
19、L=12.6cm 是固定的啦它就是 2.45Ghz 电波的波长，O 约等于 PVC 管的周长（不是直径 D 呀，注意了,O=3.14*D），具体来说就是只要水管的直径 D 小 4.01cm 的原则上都是可以利用的。3 由于我没有条件去实践，所以不知到效果会是怎样，据某网页的计算软件来看，15 圈左右就有 25dB 的增益，具体的我也不知道，还有赖于各位做一回排头兵，试一试并发布一下效果图，共同提高大家的水平！具体操作：制作并不复杂，其实 L 、S 、O 三者构成的是直角三角形，如下图，大家只要事先将实际尺寸的图线画在一张纸上面，然后贴在 PVC 管上面绕线的具体位置就一目了然了。看下图就会明白
20、的了，很简单的！将图纸贴在 PVC 管上之后沿着对角线(L)绕铜丝就行了，不是很方便吗.绕线位置图.jpg (31.97 KB) 相关公式.jpg (22.23 KB) 相关公式 （更正：天线的方向系数）借图说明螺旋天线 01.jpg (144.43 KB) 借图说明螺旋天线 02.JPG (34.07 KB) 来自: http:/ 螺旋天线设计时间： 2010-12-28 20:42:04 来源： 作者：袖珍通讯机由于体积小，重量轻，使用方便等优点而被广泛应用于社会各部门，这种机器现在广泛应用一种螺旋天线，一般成品螺旋天线都用导电性能良好的金属线绕成并密封好。其工作原理下：图 1 所示一般天
21、线结构示意图。D 是螺旋天线直径，L 是螺旋天线长度， 是螺距，、是螺旋线上相对应两点。一般可以认为，电磁波沿金属螺旋线以光速 C 作匀速运动。从点到点即进行一个螺旋，所需时间为t = D/C而对螺旋天线而言，其轴向电磁波只运动行进了一个螺距 ，其轴向等效速率=/t =/C (D)这种关系也可用图 2 形式解释。由图 2 可知：=Csin=C/（D）C由上式可以看出， 总是小于等于 C 的。故螺旋天线能使电磁波运动速度减慢，是一个慢波系统，其等效波长 等效小于工作波长 。对于螺旋天线而言，应谐振于其 1/4 等效波长，因而能缩短螺旋天线的几何长度。对于工作于一定中心频率的通讯机来说，其所需绕的
22、线圈数 N 可以由下式近似算出：螺距：=L/N所需金属线长度：=ND对于一般通讯机可取L=2040cmD=1020mm下表是对一些常用频率螺旋天线的设计实例，其他频率也可类似设计。f 是工作中心频率；D 是螺旋天线直径；L 是螺旋天线长度；N 是螺旋圈数； 是所需金属线长度。以上 N、 为了实际制作需要均取近似值。制作时可用直径 0.51.5mm 漆包线或镀银铜线或铝线在直径为 D 的有机玻璃或其他绝缘材料上绕制，并在棒的两头打上小孔，以利于固定金属线；在棒的底端焊上较粗的金属杆或插头固定在棒上，以利于与机器连接；整个螺旋天线的外面可用橡胶管或其他材料套封，并在顶端盖上橡皮帽或用其他材料密封，
23、这样既美观大方，又防雨防蚀，经久耐用。如果没有上述金属丝，也可采用多股细绝缘导线代替，效果相同，只是绕制时固定较为困难。以上螺旋天线也可用于各种小型遥控设备及其他类似机器上。为了比较慢波天线与常规拉杆天线的不同，说明慢波天线尺寸较小的优点，我们可对拉杆天线作一计算。设定参数如下：频率 f=27MHZ波速 c=3108M（注：108 应为 10 的 8 次方）天线应谐振于 1/4 工作波长，则按公式可计算拉杆天线的长度：L=1/4=1/4 c/f=1/4(3108/27108)=2.78m（注：108 应为 10 的 8 次方）按照上面的表格，可知如果使用螺旋天线，中心频率为 27MHZ 的慢波天线，其外观长度仅 40cm，尺寸约仅为拉杆天线的七分之一。李 樾 于二 000 九年二月附图：附表：
