同样叫“四臂螺旋”，为什么有厂家做成柱面形，专盯半个天空;有厂家做成平面螺旋，频带跨度能跨数倍?要想把它用对，用好，先把概念、工作机理、尺寸口径、馈电方式、性能权衡与落地细节梳理清楚。

一、先把名称说清：两类“四臂螺旋”

1)柱面四臂——常称 QHA(Quadrifilar Helix Antenna)

四条导体绕柱面螺旋上升，分成两对等长或一长一短的双臂组合，通过等幅正交馈电形成右旋/左旋圆极化(RHCP/LHCP)。它的典型指向是半球形覆盖，仰角中高处能量更均匀，常见于手持 GNSS、气象/遥感卫星接收、LEO 卫星通信等。

2)平面四臂——常称 四臂平面螺旋/对数螺旋

四条臂在同一平面绕中心按等距或等角规律展开，多用金属箔或印刷电路实现。其显著特点是超宽带与圆极化;若背后加金属腔或吸波材料，可把辐射收束到单一半球。常见于电子对抗、测向、宽带接收、宽带 GNSS 实验平台等。

两者都叫“四臂螺旋”，但几何形态、带宽、尺寸与覆盖特性差别很大，选型时别混为一谈。

二、它为什么能产生圆极化?

无论柱面还是平面，核心思路是一致的：

四路等幅、相位依次相差 90° 的电流沿四条臂传播，在空间叠加成时间与空间都“旋转”的电场，形成 RHCP 或 LHCP。

对于平面螺旋，臂上的电流属于行波型，在“活动区”(活动周长接近一个波长的环带)最有效辐射，外半径决定低端频率，内半径决定高端频率;这就是“近似频率无关”天线的来由。

对于柱面四臂，臂长、螺距与柱径共同决定电流相位进展与空间干涉图样，合理的相位与几何比例能把辐射压到上半球，获得较平坦的半球覆盖。

三、尺寸口径与带宽的抓手

1)平面四臂(以等距/对数螺旋为例)

低端频率 f_L 约由外周长 ≈ 一波长决定，可用经验式抓量级：外半径 RoutR_\text{out}Rout ≈ λL/(2π)\lambda_L / (2\pi)λL/(2π) 的同数量级(系数随臂宽、间距、背腔而变)。

高端频率 f_H 受内周长与臂宽、间隙限制：内半径 RinR_\text{in}Rin 不能太小，否则加工与损耗上升;同样按“内周长接近一波长”估数量级。

圈数与臂宽/间隙影响输入阻抗与轴比：臂宽增大有助于拓宽阻抗带宽，但会抬高电容性，需配合馈电与背腔调整。

背腔/背板：金属腔能把双向辐射改为单向，但会引入腔模驻波;加入吸波材料可压制腔共振，代价是效率。

2)柱面四臂(QHA 的工程口径)

柱径的周长与工作波长同数量级时，半球覆盖更顺滑。

臂长比例常用“长臂/短臂”的组合来塑形(例如短臂接近四分之一波长、长臂接近四分之三波长的量级配置)，用于抬高中仰角、压低过高的天顶增益，使半球更均匀。

螺距与匝数决定极化纯度与带宽：螺距过小，臂间耦合变强、带宽收窄;过大，则电流难以保持期望相位进展。

匹配多采用四路等幅网络+适度的终端/匹配节，实用带宽通常可达 10–30%(优选设计可更宽，但尺寸、损耗与网络复杂度会上来)。

四、馈电网络怎么做更稳?

1)基本拓扑

四分配+两级 90° 混合器：把输入功率分成四路，保证幅度一致、相位阶梯 0°/90°/180°/270°。

平衡/不平衡转换(Balun)：天线臂是对称负载，前端同轴/微带是单端馈;宽带 balun(如 Marchand、变压式宽带巴伦)能抑制共模电流，避免馈线辐射破坏方向图与轴比。

带通/带阻净化：GNSS 应用里，前端常布置微带带通或 SAW 滤波(若做有源头端)，以抑制蜂窝/卫星通信等强干扰。

2)容差要求

幅度失配尽量 ≤ ±0.5 dB、相位误差尽量 ≤ ±5°，轴比才不至于劣化明显;在宽带端点适度放宽。

走线电长度四臂对称;尽量用**带状线/带状线腔(stripline)**减少网络自身的辐射与外界耦合。

3)工程小技巧

馈电网络与辐射体分层解耦：上下分层，利用地平面开窗与过孔墙控制耦合。

同轴扼流/套筒巴伦：在进线处做 λ/4 套筒或铁氧体扼流，压共模。

批量生产时预留电阻/电容微调位，用小阻容补偿幅相差异，提高收敛速度。

五、关键性能怎么读?

1)极化纯度(轴比)：优选仰角 20°–90° 范围内轴比 < 3 dB;平面四臂低仰角轴比优劣，直接影响多径抑制。

2)方向图稳定性：平面四臂在加背腔后通常为单向宽波束;柱面四臂半球覆盖要看天顶 vs 30°–60° 仰角的均衡，不追求“天顶峰值”，而追求整半天空的可用性。

3)增益与效率：平面四臂裸天线常在 0～+4 dBic 附近，加背腔后可上移数 dB;QHA 常见 +2～+5 dBic 的半球中值。别只盯数字，更要看频段一致性与低仰角表现。

4)输入回波(|S11|)与幅相一致性：宽带型别把 |S11| 一刀切到 −10 dB 更关键的是四端口幅相一致;量产时抽测四端口 S 参数能提前发现网络偏差。

5)群时延/相位中心：定位或测向应用，关注群时延平坦与相位中心随频/仰角漂移;这直接关联解算稳定度。

六、与常见圆极化天线怎么权衡?

微带贴片(单频/双频)：尺寸小、效率高、成本低，但带宽窄、仰角覆盖更“集中”。适合定点高增益或多单元阵列。

轴向模螺旋(单臂多匝 helical)：增益高、波束窄，适合远距定向链路，不擅长近全向。

QHA 柱面四臂：半球覆盖、带宽中等、结构立体，手持/车载/极地高仰角卫星接收很常见。

平面四臂：带宽极宽、模式纯、可做测向/宽带接收;体积相对大、背腔与吸波处理增加成本与重量。

选型时看频段跨度、覆盖形状、安装空间、效率目标四要素，不必迷信某一种“万金油”。

七、面向 GNSS 的几种典型用法

1)手持/背负式接收：QHA 半球覆盖+稳定 RHCP，在林地/城市峡谷的姿态变化下更稳妥;若对多径极为敏感，可加小型地板或吸波裙边。

2)多频宽带平台：平面四臂能同时覆盖 L1/L2/L5/E5 甚至更宽，对科研或抗干扰实验友好;注意前端噪声与匹配，效率别被吸波背腔“吃掉”。

3)阵列与测向：多单元平面四臂组成阵列，靠相位中心稳定与宽带一致性实现宽频测向与抗干扰;馈电网络与同步相位的工程复杂度随之上升。

八、材料与结构：别让外观“吃掉”电性能

导体与介质：平面型优选低损耗板材(PTFE 复合、低 Dk 低 Df 板);FR‑4 频率高时损耗难以接受。柱面型常用铜带/铜管，注意焊缝连续与表面粗糙度。

背腔/支撑：金属腔内壁做消光/吸波，抑制腔模;支撑件选低介损材料(如泡沫/PEEK)，减少“暗耦合”。

罩体与密封：户外使用需关注抗紫外、耐盐雾与防水;罩体介电常数与厚度会改变谐振与轴比，样机阶段把罩体也算进去。

连接与走线：同轴连接器回流焊或压接要有可靠的外壳接地;进线处做滴水弯与扼流，防共模与进水。

九、从纸面到落地：一套可操作的流程

1)定义任务书：频段/带宽、极化方向、覆盖形状(半球/单向)、效率目标、安装空间与边界(接地板/腔体/罩体)、环境等级。

2)拓扑选择：半球优先 QHA;超宽带+单向优先平面四臂+背腔。

3)初算与仿真：用经验口径给出 R_out / R_in 或柱径与臂长的初值，快速电磁仿真扫频，看轴比与方向图趋势;同时把馈电网络 S 参数在电路级闭环。

4)样机一号：先做“裸天线”与“带罩体/背腔”的对比样，查出罩体与腔模的真实影响。

5)馈电收敛：在暗室做四端口幅相校核，按需要用 RC 小量补偿;确认轴比最敏感的仰角段。

6)联调与验收：把实际安装件(支架、线束、地板)装上再测一次;GNSS 场景做 C/N0 与低仰角统计，和暗室结果互证。

7)量产一致性：锁定板材/铜厚/电镀/弯折治具/焊接规范，建立来料/在制抽检的电长度与幅相窗口。

十、常见“坑位”与规避

只看回波不看幅相：|S11| 很漂亮，轴比却很差，问题往往在四臂幅相不均。

馈线共模：未做巴伦/扼流，场测时方向图漂移、极化被破坏。

腔体共振：背腔尺寸踩到腔模，出现频间起伏与奇怪瓣;吸波与腔深调整并用。

罩体失配：成型后介质常数与厚度与样料不同，导致频移与轴比恶化。

小批量人工装配偏差：柱面四臂对对称性极敏感，臂间位置差一点，仰角 30° 的轴比先露馅。

只追“天顶最亮”：半球应用要看整天空“均匀够用”，而不是单点峰值。

十一、选型与参数核对清单

形态与覆盖：QHA 半球 / 平面四臂单向(是否带背腔与吸波)。

频段与带宽：目标频段、边界余量;多频是否需要连续覆盖。

极化与轴比：仰角 20°–90° 的轴比目标;是否需要 LHCP/RHCP 可切换。

增益与效率：给出频段内的中位增益/最低增益，不只报典型峰值。

馈电网络：四路幅相一致性指标;Balun 形式;插入损耗上限。

机械与装配：柱径/高度或外半径/内半径;罩体材料与壁厚;安装孔位与地板尺寸。

环境等级：户外密封、紫外、盐雾、振动与温度范围;同轴与密封件选型。

验收方法：暗室方向图+轴比+幅相;实装 C/N0 或链路预算验证;抽检频点与判据。

十二、应用示例与思路

手持 GNSS/巡检设备：优先 QHA，半球覆盖稳定，姿态变化不“掉星”。

车辆/船舶宽域接收：QHA 或平面四臂加背腔;若上方有结构遮挡，优先选“低仰角更饱满”的方案。

宽带测向/对抗：平面四臂阵列，靠宽带、相位中心稳定做测向;注意阵元间距与互耦管理。

科研实验平台：平面四臂可一机覆盖多段，省去换天线与加开关的麻烦。

“四臂螺旋天线”不是一个单一模型，而是一组思路相近、几何与性能侧重点不同的圆极化天线家族。先确定你的频段与带宽、需要看的天空有多大、安装空间与效率底线，再在 QHA 与平面四臂之间做取舍;随后把四路幅相、背腔/罩体与共模抑制做扎实，基本就不会偏航。若你有明确的频段与安装边界(尺寸、地板、罩体材质)，我公司据此给出一版初始尺寸与馈电网络口径，便于你直接开仿真与打样。