为什么越来越多的高精度设备选择四臂螺旋天线?

在高精度定位、卫星通信、航空航天和无人系统领域，天线形态有很多种，圆形贴片、偶极子、阵列……但在一些对带宽、增益、方向图均衡性和极化稳定性要求很高的场合，四臂螺旋天线逐渐走到前台。它体积紧凑、结构轻巧，却能在多频段保持良好的圆极化和高效的辐射特性，这也是它能在竞争激烈的天线领域脱颖而出的原因。

一、什么是四臂螺旋天线

四臂螺旋天线(Four-Arm Helical Antenna)是一种对称式螺旋结构的圆极化天线。它由四条螺旋臂沿同一轴心均匀分布构成，每条臂按照特定的螺距和角度绕制或印制。相比单臂或双臂螺旋，这种结构能提供更均匀的辐射方向图、更稳定的极化性能，并且在多频段下保持一致性。

它最大的特点是工作带宽宽、圆极化纯度高、相位中心稳定，并且具备良好的低仰角接收能力，非常适合接收来自不同方位的卫星信号。

二、为什么选择四臂螺旋天线

圆极化性能优异

卫星信号一般采用右旋圆极化(RHCP)。四臂螺旋天线的对称馈电和结构设计，能让极化纯度高，轴比低于 3 dB，即便在低仰角方向也能维持良好的圆极化特性，有助于抑制多径干扰。

多频段覆盖

四臂结构让它能够在设计上覆盖多个 GNSS 频点，例如 GPS L1/L2/L5、BDS B1/B2/B3、Galileo E1/E5 等，满足多系统联合定位和高精度应用。

方向图均衡

不论天顶方向还是低仰角，辐射特性相对均匀，不会出现明显的“盲区”，这对于移动平台、姿态不断变化的无人机、车辆或船舶来说非常重要。

结构紧凑轻量

传统螺旋天线在低频下往往较大，而四臂螺旋可通过折叠、印制等工艺缩小体积，同时保持高性能，非常适合对重量和体积敏感的平台。

三、工作原理与设计要点

四臂螺旋天线的工作原理基于螺旋天线的圆极化辐射机制，通过四个相互隔 90° 的辐射臂同步馈电，使得不同方向上的辐射场矢量相加后，在远场形成圆极化波。

关键设计要点

臂长与螺距

决定天线的工作频率范围与匹配特性。

馈电网络

常用 0°/90° 相位差馈电网络来保证四臂之间的相位正确，从而获得高纯度圆极化。

材料与介质

臂体可用铜带、PCB印制或金属丝制成;支撑结构可选用轻质塑料、陶瓷或复合材料。

匹配与滤波

在多频段应用中，往往会加入带通滤波与阻抗匹配网络，降低带外干扰并优化驻波比。

四、性能指标解析

频率范围：是否覆盖所需的单频或多频 GNSS 频点。

增益：通常天顶方向在 3~5 dBic，低仰角保持较高水平。

轴比：圆极化性能指标，越低越好。

相位中心稳定性：高精度定位的重要指标，直接影响厘米级或毫米级精度的实现。

方向图均匀性：天线在各个方向的增益差异小，避免信号接收死角。

驻波比(VSWR)：一般要求 ≤1.8，以减少反射损耗。

五、应用场景

高精度GNSS测量

四臂螺旋天线的多频段和圆极化特性，使其能为 RTK、PPP 等高精度解算提供稳定观测。

无人机与机载平台

轻量化设计+抗多径能力，适合飞行姿态变化大的无人机、固定翼或旋翼机。

自动驾驶与农机导航

低仰角性能好，即使在城市峡谷或农田边界等半遮挡环境中，也能稳定定位。

海事与船舶

盐雾、湿度、风浪环境下依然稳定，配合防腐材料可长期使用。

科学实验与空间应用

卫星通信、空间探测、科学测量等需要高圆极化性能的场景。

六、安装与使用建议

选择无遮挡的安装位置

天线顶部无遮挡，可见天空越多，接收性能越好。

参考地面

金属底盘能改善方向图和增益均匀性。

线缆选择

尽量短，且使用低损耗同轴线缆(如 LMR 系列)，避免信号衰减。

防护与密封

户外使用需防水、防尘，接口处做好密封处理。

避雷与接地

安装在高处时，应配备同轴避雷器，并确保良好接地。

避免干扰源

与高功率无线设备保持足够距离，减少带外干扰。

四臂螺旋天线并不是为了取代所有天线形态，而是在需要高圆极化纯度、多频段支持、均匀方向图、轻量化和高环境适应性的应用中，展现了独特优势。

它可以说是精密定位和卫星通信领域的“小钢炮”：外形低调、性能扎实、用途广泛。