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螺旋式天线设计原理及其优化方法摘要：本文介绍了螺旋式天线的设计原理，并提出了一种优化方法，以提高螺旋式天线的性能。
首先，文章讲解了螺旋式天线的基本原理和工作原理。
然后，介绍了一种优化方法，包括选择适当的材料、提高天线的效率和优化天线的几何结构等。
最后，文章指出了螺旋式天线的应用前景和未来发展方向。
关键词：螺旋式天线、设计原理、优化方法、性能一、引言螺旋式天线是一种非常常见的宽频段宽波束天线，具有较大的天线增益和较小的旁瓣损耗，被广泛应用于航空航天、通信和雷达等领域。
本文将介绍螺旋式天线的设计原理及其优化方法，以提高天线的性能。
二、螺旋式天线的设计原理螺旋式天线是一种基于二维平面螺旋线的天线结构。
其原理类似于一根弹簧，电磁波通过螺旋线的辐射和反射传输。
螺旋线的半波长决定了天线的工作频率，螺旋线的绕圈数和线宽决定了天线的方向性和增益。
三、螺旋式天线的优化方法1. 选择适当的材料天线的材料对其性能有着重要的影响。
常见的材料包括金属和导电聚合物。
金属具有良好的导电性，但容易产生辐射损耗。
而导电聚合物具有低损耗和较高的抗腐蚀性能，适用于高频率和高温环境。
根据具体应用需求选择合适的材料，可提高螺旋式天线的工作效率和稳定性。
2. 提高天线的效率天线的效率是衡量天线性能的一个重要指标，取决于天线的辐射功率和损耗功率之比。
为提高天线的效率，可以采取以下优化措施：- 降低螺旋线的线宽：减小线宽可以减小辐射损耗，提高天线的效率。
- 提高螺旋线的绕圈数：增加螺旋线的绕圈数可以提高天线的方向性和增益，进而提高天线的效率。
- 优化地平面结构：设计合适的地平面结构以提高天线的辐射效率和天线和地面之间的耦合效果。
3. 优化天线的几何结构为提高螺旋式天线的性能，还可针对其几何结构进行优化。
优化的方法包括调整螺旋线的绕圈半径、螺旋线的宽度和间距以及螺旋线的内移程度等。
根据具体应用需求，通过仿真和实验研究，找到最佳的参数组合，以提高天线的性能。
螺旋天线的仿真设计螺旋天线是一种常见的天线形式，其结构为螺旋状，使得天线的增益和方向性较强。
在无线通信中，螺旋天线具有较广泛的应用。
本文将介绍螺旋天线的仿真设计过程，包括建模、设计、优化和仿真。
建模螺旋天线的建模是仿真设计的第一步，通过建立天线的几何模型，可以为后续的设计和仿真提供基础。
在建模过程中，需要考虑天线的参数，包括螺旋元件的长度、宽度、距离、导线的半径等。
通常情况下，建模可以采用CAD软件，如SolidWorks、CATIA等，以三维模型的形式呈现螺旋天线的结构和形状。
设计在建模基础上，需要对螺旋天线进行设计。
设计包括确定天线的工作频率、设计天线的转向、设计天线的匹配电路等。
在设计过程中，需要考虑到天线的增益和方向性，以及天线的信号传输性能。
工作频率螺旋天线的工作频率是设计的关键因素之一。
通常情况下，天线的工作频率与其物理尺寸以及匹配电路有关。
在确定螺旋元件的长度、宽度、距离和导线半径后，可以采用电磁仿真软件进行仿真，从而确定天线的工作频率。
转向设计螺旋天线的转向设计是另一个关键因素。
根据转向的方向和角度，可以调整天线的增益和方向性。
在设计过程中，需要考虑到天线的应用场景，以确定最优的转向设计。
匹配电路设计匹配电路是螺旋天线的关键组成部分之一。
通过匹配电路的设计，可以提高天线的功率传输效率，并降低反射损耗。
在设计匹配电路时，需要考虑天线的输入阻抗和负载阻抗之间的匹配，以保证天线能够有效工作。
优化螺旋天线的设计和优化是一个迭代过程，通过反复的仿真分析和优化设计，可以使螺旋天线达到最优的性能。
在优化过程中，需要考虑到天线的特性，如阻抗、增益、方向性等，以及其在实际环境下的表现。
仿真螺旋天线的仿真是验证天线性能和效果的重要步骤。
在仿真过程中，可以得到螺旋天线的各项性能指标，如增益、方向性、回波损耗等。
通过仿真分析，可以调整和优化天线的参数，从而使其达到最佳的性能。
本文介绍了螺旋天线的仿真设计过程，包括建模、设计、优化和仿真。
螺旋天线电路设计引言螺旋天线是一种常见的天线类型，具有多频段、宽带和方向性好等特点，被广泛应用于无线通信和雷达系统中。
在设计螺旋天线电路时，需要考虑天线的结构、频率范围、辐射特性以及电路参数等因素。
本文将全面、详细、完整地探讨螺旋天线电路设计的相关内容。
螺旋天线结构螺旋天线由导体线圈在平面内旋转组成，其结构可以分为两种主要类型：方形螺旋天线和圆形螺旋天线。
方形螺旋天线方形螺旋天线的导体线圈呈正方形或长方形，辐射器和馈电结构相对简单，易于制造和布局。
方形螺旋天线通常具有宽频带和宽角度覆盖等特点，适用于通信和雷达系统中的多频段应用。
圆形螺旋天线圆形螺旋天线的导体线圈呈圆形，具有较为均匀的辐射特性。
圆形螺旋天线通常在窄带应用中使用，如无线电测向和卫星通信等领域。
螺旋天线频率范围螺旋天线的频率范围受到其外形、尺寸和匝数等因素的影响。
频率范围的选择应根据具体的应用需求来确定。
方形螺旋天线频率范围方形螺旋天线的频率范围较宽，通常可覆盖数个频段。
选择适当的参数可以实现不同频段的覆盖，如调整导体线圈的长度、宽度和匝数等。
圆形螺旋天线频率范围圆形螺旋天线的频率范围较窄，通常适用于单一频段的应用。
改变导体线圈的尺寸和匝数可以微调频率范围，满足特定频段的要求。
螺旋天线辐射特性螺旋天线的辐射特性在设计过程中需要考虑，包括辐射方向图、辐射效率和极化特性等。
辐射方向图辐射方向图描述了螺旋天线在不同方向的辐射强度，通常以极坐标图的形式表示。
通过调整导体线圈的几何参数和匝数等，可以实现不同辐射方向图的设计。
辐射效率辐射效率是指天线将输入功率转化为辐射功率的能力。
提高辐射效率可以减少能量损耗，提高天线的性能。
螺旋天线的辐射效率受到导体材料、匝数、尺寸和地平面等因素的影响。
极化特性螺旋天线可以实现不同的极化方式，如线性极化和圆极化。
通过合适的设计和调整，可以实现所需的极化特性。
螺旋天线电路参数在设计螺旋天线电路时，需要考虑到电路的匹配、增益、带宽和阻抗等参数。
螺旋天线电路设计一、引言螺旋天线是一种常用的宽带天线，其特点是频率范围广、阻抗匹配好、方向性良好等。
本文将介绍如何设计一款螺旋天线电路。
二、螺旋天线的原理螺旋天线是一种基于电磁波的发射和接收原理的天线，其主要构成部分为导体和地面板。
导体通常采用圆形或正方形的金属片，通过不同方向上的缠绕来实现较好的频率范围和方向性。
在实际应用中，通常采用四分之一波长或半波长作为导体长度。
三、螺旋天线电路设计步骤1. 确定频率范围：首先需要确定需要使用的频率范围，以便选择合适的导体长度和缠绕方式。
2. 选择导体形状：根据实际应用需求，选择合适的导体形状（圆形或正方形），并确定其大小。
3. 计算导体长度：根据选定的频率范围和导体形状，计算出所需的导体长度。
可以使用在线计算器或专业软件进行计算。
4. 缠绕方式：根据计算出的导体长度和形状，确定缠绕方式。
通常有两种方式：顺时针和逆时针缠绕。
选择合适的缠绕方式可以影响天线的方向性。
5. 地面板设计：螺旋天线需要一个地面板来实现较好的阻抗匹配和性能。
地面板通常采用金属板或铜箔，大小应与导体相匹配。
6. 阻抗匹配：在实际应用中，需要将天线的阻抗与接收器或发射器进行匹配。
可以使用衰减器、变压器等方法进行匹配。
四、螺旋天线电路实现1. 制作导体：根据设计好的导体形状和长度，使用金属片或铜箔制作出导体。
2. 缠绕导体：根据设计好的缠绕方式，将导体进行缠绕，并固定在地面板上。
3. 制作地面板：根据设计好的大小和形状，制作出地面板，并将其与导体固定在一起。
4. 连接电路：将天线与接收器或发射器连接，并进行阻抗匹配。
五、螺旋天线电路调试1. 测试频率范围：使用信号源测试天线的频率范围，确保其符合设计要求。
2. 测试阻抗匹配：使用阻抗仪测试天线的阻抗，并进行调整以实现较好的匹配。
3. 测试方向性：使用转台或指向器测试天线的方向性，并进行调整以实现最佳效果。
六、总结螺旋天线是一种常用的宽带天线，其设计和制作需要考虑多个因素，包括频率范围、导体形状和长度、缠绕方式、地面板设计等。
螺旋天线的分析什么是螺旋天线螺旋天线是一种非常重要的天线类型，它具有天线增益大、辐射方向性好、宽带性能优越等特点，适用于多种场合。
螺旋天线通常由多个圆形或椭圆形线圈构成，因此也被称为螺旋线天线或螺旋卷曲天线。
螺旋天线的设计原理螺旋天线是以馈电点为中心，将导体材料绕成多个圆形或椭圆形线圈而形成的。
不同线圈的导线都是交织在一起的，通过这种排列方式，螺旋天线就能产生较强的辐射。
螺旋天线的电磁波辐射究竟是由什么原理产生的呢？这里简单介绍一下。
当导体上有电流通过时，会产生一个磁场，这个磁场的方向垂直于电流的方向。
同时，在导体上也会产生一个磁场，这个磁场的方向垂直于导体的方向。
这两个磁场会形成一个电磁波，这个电磁波就是螺旋天线所产生的辐射。
螺旋天线的特点螺旋天线的特点可以概括为以下几个方面：•天线增益大：由于螺旋天线的辐射方式是螺旋状的，因此其天线增益比传统的线极天线要大得多。
•辐射方向性好：由于螺旋天线的辐射方式是以馈电点为中心，向外辐射，因此具备了非常好的方向性。
•宽带性能优越：螺旋天线的辐射带宽比传统的线极天线要宽得多。
•抗干扰能力强：在电磁波辐射极强的环境下，螺旋天线的性能要比其他类型的天线更加稳定。
螺旋天线的应用由于螺旋天线具备天线增益大、辐射方向性好、宽带性能优越等特点，因此它的应用场合非常广泛。
以下是几个应用实例：•气象卫星气象卫星是用来观测地球的大气变化情况以及天气预报的一种卫星。
由于气象卫星需要在红外和可见光等多个频段上进行观测，因此需要使用宽带性能优越的螺旋天线。
•无人机无人机的控制和导航都需要借助于GPS信号。
因此，无人机上需要安装GPS天线，而螺旋天线正是一种非常好的GPS天线。
•通信系统螺旋天线的辐射方式非常适合在通信系统中使用。
在电磁波辐射比较强的环境下，螺旋天线的抗干扰能力也将变得更加出色。
总结螺旋天线是一种非常重要的天线类型，因为它具备天线增益大、辐射方向性好、宽带性能优越等特点，适用于多种场合。
螺旋天线介绍由金属导线绕成螺旋形状的天线。
它由同轴线馈电，在馈电端有一金属板（图1）。
螺旋天线的方向性在很大程度上取决于螺旋的直径(D)与波长(λ)的比值D/λ。
当D/λ＜0.18时，螺旋天线在包含螺旋轴线的平面上有8字形方向图，在垂直于螺旋轴线的平面上有最大辐射，并在这个平面得到圆形对称的方向图。
这种天线称为法向模螺旋天线（图2a），用于便携式电台。
当D/λ＝0.25～0.46（即一圈螺旋周长约为一个波长）时，天线沿轴线方向有最大辐射，并在轴线方向产生圆极化波。
这种天线称为轴向模螺旋天线（图2b），常用于通信、雷达、遥控遥测等。
当D/λ进一步增大时，最大辐射方向偏离轴线方向（图2c）。
轴向模螺旋天线应用最广。
图1中，D为螺旋天线直径；S为螺距；l为一圈周长；n 为圈数；α为升角；L为轴线长。
它们的关系是l2＝(πD)2＋S2L＝nSα＝0的螺旋为平面上的单圈螺旋，取周长近似等于一个波长，并假定线上运载行波电流。
在某一瞬时线上是正弦电流分布（图3）。
在和x与y轴对称的任意四点A、B、C、D，电流存在下列关系：这些电流的方向相反，它们的作用彼此抵消，所以在z轴方向只有Ey分量起作用。
绕圈运载的是行波，电流沿线圈的分布将绕z轴旋转。
因此，在z轴方向的电场Ey也绕z轴旋转，于是在轴向产生圆极化波，并有最大辐射，故称为轴向模辐射。
这种天线具有圆极化辐射的特点，它的频带很宽，在1:1.7通频带内方向图变化不大，而且天线的输入阻抗几乎恒定，约为140欧。
朝辐射方向看，螺旋右绕产生右旋波，左绕产生左旋波。
为了进一步展宽频带，可将螺旋天线做成圆锥形（图4）。
法向模螺旋天线(D/λ＜0.18)实质上是细线天线，为了缩短长度，可把它卷绕成螺旋状。
因此，它的特性与单极细线天线（见不对称天线）相仿，具有8字形方向图，并且频带很窄，一般用作小功率电台的通信天线。
边射式螺旋天线是一种法向模螺旋天线。
它是在螺旋的中心轴线上放置一根金属导体，当螺旋一圈的周长l=Mλ(M=2，3，…整数)时，也在螺旋的法向产生最大辐射（图5）。
天线――螺旋天线物理尺寸对天线效率的影响一、天线概览绝大多数天线具有可逆性：即天线用作接收天线时的特性与其处于发射状态时的特性时相同的。
辐射方向图：表示给定距离下天线的辐射随角度的变化，辐射的强弱由离天线给定距离r处的功率密度S来评价。
接收模式下，天线对于某方向来波的响应正比于辐射方向图上该方向的值。
方向系数：表示最大辐射强度于全空间均匀辐射时的平均辐射强度之比。
极化：描述了天线辐射时电场矢量的特征，瞬时电场矢量随时间的轨迹图决定波动的极化特性。
天线的输入阻抗：是天线终端电压与电流之比，通常的目的是使天线的输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配。
§天线分类依据频率特性的不同，可以把天线分成四种基本类型。
◎电小天线：天线的尺寸比一个波长小很多。
特征：很弱的方向性，低输入电阻，高输入电抗，低辐射效率。
适合于VHF或更低的波段。
如短振子，小环。
◎谐振天线：在谐振频率点或某个窄频带内工作令人满意。
特征:低或中等增益，实输入阻抗，带宽狭窄。
主要用于HF到低于1GHz的频段。
如半波振子，微带贴片，八木天线。
◎宽带天线：在一个很宽的频率范围内，方向图、增益和阻抗几乎是常数，并且能够用有效辐射区的概念表述其特征，该区域在天线上的位置随频率的变化而变化。
特征：低到中等增益，增益恒定，实输入阻抗，工作频带宽。
主要用于VHF直至数个GHz的频段。
如螺线天线，对数周期天线。
◎口径天线：由一个供电磁波通过的开放的物理口径。
特征：高增益，增益随频率增大，带宽中等。
用于UHF和更高的频段。
如喇叭天线，反射面天线。
§天线的电气特性（1）方向特性――方向图（BW0.5，FSLL）、方向系数D、增益G。
（2）阻抗特性――输入阻抗Zin、效率2640rhRA，（辐射阻抗Z）（3）带宽特性――带宽、上限频率f1，下限频率f2。
（4）极化特性――极化、极化隔离度。
天线增益G ：等于辐射功率与输入功率之比。
AG D阻抗特性：电小天线和谐振天线之所以是窄频带天线，很大程度上受制于恶劣的阻抗特性。
螺旋天线的设计与仿真研究摘要在分析电晕放电原理的基础上，结合本实验室关于电晕放电探测系统的设计要求，选用CST微波工作室对螺旋天线进行了设计、优化与仿真，所得的仿真计算结果与测试结果有较好的一致性。
设计出的螺旋天线具有高增益，提高了整个电晕放电探测系统的灵敏度。
关键词电晕放电；螺旋天线；CST；仿真；测试螺旋天线是一种行波天线，具有宽频带特性和圆极化特性，已广泛应用于米波和分米波波段。
可以构成螺旋天线阵使用，也可作为其它面天线的初级馈源。
按照电晕放电探测系统的设计要求，首先设计单个的螺旋天线，提供较高的增益，在此基础上后续进行设计多个阵列进行拼接组合实现高增益阵列天线阵。
螺旋天线不仅在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗，而且在同样的频带上螺旋天线的波瓣图显示其增益很大。
它的性能对导线尺寸和螺旋节距不敏感；它的互阻抗几乎可以忽略，因此很容易用来组阵。
1螺旋天线结构参数及设计方法将金属带或金属导线绕制成一定尺寸的圆柱或者圆锥螺旋线，一端用同轴线内导体馈电，另一端处于自由状态或与同轴线外导体联接。
螺旋天线的几何结构参数为：D=螺旋直径S=螺距n=圈数d=螺旋导体（线）的直径1=轴向长度=nS为了消除同轴线外皮上电流，通常在螺旋线末端接一个直径为Z0=同轴线的特性阻抗的金属圆盘，这样就组成了一个螺旋天线。
螺旋天线的辐射特性主要取决于天线直径与波长比D/λ。
当D/λ=（0.25~0.46），螺旋的周长L在一个波长左右，最大的辐射方向在轴线方向，称之为轴向模螺旋天线，实际工程中也多采用这样的天线。
轴向模螺旋天线对导线尺寸和螺旋节距不敏感，在工程中比较好建造使用，其优化的重要参数有波束宽度，增益，阻抗以及轴比。
（1）本螺旋天线阵馈电时采取轴向馈电，适用于0.8≤Cλ≤1.2，12°≤α≤14°时，在20%的误差范围内为R=140Cλ。
借助适当的匹配段，在螺旋最底部的1/4圈制成平行于接地面的锥削过渡段，将140Ω~150Ω的螺旋阻抗变换为50Ω的同轴线阻抗。
第5卷 第1期 2008年02月 装备环境工程EQU IP MENT ENV I RONMENT AL ENGI N EER I N G法向模螺旋天线分析与设计索莹,邱景辉,袁业术,杨彩田(哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院,哈尔滨150001)摘要:首先对法向模螺旋天线进行了理论分析,然后针对无线局域网(WLAN )的应用,设计了一种满足移动终端2.4GHz 工作频率要求的法向模螺旋天线。
为实现展宽频带、阻抗匹配等要求,对该移动终端天线进行了优化设计。
并且使用CST MW S 电磁场仿真软件对所设计的天线进行仿真计算。
仿真结果显示该天线具有50MHz 的工作带宽,水平增益在1.54d B 左右。
关键词:螺旋天线;法向模;阻抗匹配中图分类号:T N82 文献标识码:A文章编号:1672-9242(2008)01-0081-03收稿日期:2007-11-25作者简介:索莹(1982-)女,河南郑州人,博士研究生,主要从事微波毫米波天线技术研究。
A n a lys is a n d D e s ign of N o rm a l M od e H e lica l A n te n n aSUO Ying,Q I U J ing 2hui,YUAN Ye 2su,YAN G Cai 2tian(Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150001,China )A b s t ra c t:The nor mal mode helical antennas were analyzed theoretically .According t o the app licati on of the wireless l ocal areanet w ork,a kind of 2.4GHz nor malmode helical antenna was designed .The antenna was op ti m ized in order t o wide band width and i m 2pedance matching .And the antenna is si m ulated and op ti m ized by CSTMW S si m ulati on s oft w are .The results showed that the antenna can get 50MHz band width and 1.54d B horizontal gain .K e y w o rd s:helical antenna;nor mal mode;i m pedance match 随着现代通信事业飞速发展,无线局域网(WLAN )的应用日益广泛,接收天线作为WLAN 中的重要组成部分,其性能直接影响WLAN 的性能。
螺旋天线的制作参数2009-08-01 20:01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<0.5 ------------------------L小于0.5个波长，天线将工作于法向辐射模式L/波长=(0.8到1.3)-----------------L居于0.8个波长到1.3个波长之间，轴向辐射模式（我们需要的）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0.8～1.3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>S ; L>OS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。
2003年9月第20卷第3期沈阳航空工业学院学报Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering Sep. 2003V ol. 20N o. 3文章编号:10071385(2003 03005802螺旋天线几何尺寸的优化设计高建平(沈阳航空工业学院电子工程系, 辽宁沈阳110034摘要:本文首先导出了螺旋天线输入阻抗的计算公式。
然后, 在使天线输入阻抗满足技术要求的条件下, 对螺旋天线的几何尺寸进行了优化设计。
关键词:螺旋天线; 输入阻抗; 几何尺寸; 优化设计中图分类号:TN82文献标识码:A0引言螺旋天线的几何参数为:2R 0=D ———螺旋直径;h ———螺距;νZ in =R in +jX in =j 30i 0(0 00Π其中:j =sin-1; i o (0 =sin K L =(πD 2+h 2;2λhL ′L ′2l ———螺旋天线的轴向长度;n ———螺旋圈数;00=v {v f v +G (u 〔f (u+(L ′-u {G (v 〔f (v +1〕+△——( C ——; 2L ———绕制螺旋天线作用导线的实际长度; a ———绕制螺旋天线所用导线的横截面半径。
螺旋天线几何参数之间的关系为:2πD 2+h 2C =(△=arc tan (πDG (u 〔f (u -1〕}〕d s d s ′; u =s +s ′; v =s -s ′; L ′=K L =λh(πD 2+h 2;2222G (x =; r (x =〔4c 1sin ( +4c 2( +r (x 2c 2c b 〕; f (x =21Π2-jr (xcc 1cos (222l =nh 2L =ncπR π +c 2〕; c =21λ=λ; c22λ; c =c 2=h Ππa Πλ;2l =b =2或h =10m Πs ;8c 1+c 2=本文所设计的法向模螺旋天线与直杆天线相比, 在辐射电阻相同的条件下, 其轴向尺寸可缩短0. 79倍, 即2l ≥0. 79l 0(l 0为直杆天线的轴向尺寸 , 把该天线用于作战坦克的通信系统中, 可以提高安全性能和机动性能。
螺旋天线的设计及制作
尺寸说明: 一、盒体部分
盒体部分提供了螺旋线天线的后向辐射电磁波的反射作用，可进一步提高天线的性能。
盒体为空心长方体，其中，底X 宽=0.375π0λ╳0.375π0λ,盒体高=2
1底或宽。
二、螺旋天线部分
天线的绕制：由于要实现左旋圆极化，其绕制的方法也是以左手合拳形式，进行绕制即可。
螺旋线的直径=0λ/π，节距（线圈之间距离）=0.2250λ,线圈的周长等于波长。
0λ为工作中心频点处的真空波长。
三、天线的性能
当螺旋线绕制18圈时，其增益在17dBi ，半功率角在27°左右，当圈数增加时增益增加，半功率角减小。
机械性能也很坚固。
四、加工时的选材及注意事项
盒体部分可以用镀锌板等金属体焊制即可，铜为首选，厚度在0.75---1mm 之间。
螺旋线用0.75---1mm 的铜丝时行绕制。
与接头连接部分预留一小段，在组装时与接头进行焊接。
注意的是螺旋线与金属盒一定不能有接触。
并且，螺旋的中轴线与底板的中心点重合。
在绕制螺旋线时，由于膨胀因素，尺寸可能达不到要求。
在进行实验时，可以把螺旋线的圈数作的多一些，到时可以
剪掉一些的，天线的性能不会有太大的改变。
第5卷 第1期 2008年02月 装备环境工程EQU IP MENT ENV I RONMENT AL ENGI N EER I N G法向模螺旋天线分析与设计索莹,邱景辉,袁业术,杨彩田(哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院,哈尔滨150001)摘要:首先对法向模螺旋天线进行了理论分析,然后针对无线局域网(WLAN )的应用,设计了一种满足移动终端2.4GHz 工作频率要求的法向模螺旋天线。
为实现展宽频带、阻抗匹配等要求,对该移动终端天线进行了优化设计。
并且使用CST MW S 电磁场仿真软件对所设计的天线进行仿真计算。
仿真结果显示该天线具有50MHz 的工作带宽,水平增益在1.54d B 左右。
关键词:螺旋天线;法向模;阻抗匹配中图分类号:T N82 文献标识码:A文章编号:1672-9242(2008)01-0081-03收稿日期:2007-11-25作者简介:索莹(1982-)女,河南郑州人,博士研究生,主要从事微波毫米波天线技术研究。
A n a lys is a n d D e s ign of N o rm a l M od e H e lica l A n te n n aSUO Ying,Q I U J ing 2hui,YUAN Ye 2su,YAN G Cai 2tian(Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150001,China )A b s t ra c t:The nor mal mode helical antennas were analyzed theoretically .According t o the app licati on of the wireless l ocal areanet w ork,a kind of 2.4GHz nor malmode helical antenna was designed .The antenna was op ti m ized in order t o wide band width and i m 2pedance matching .And the antenna is si m ulated and op ti m ized by CSTMW S si m ulati on s oft w are .The results showed that the antenna can get 50MHz band width and 1.54d B horizontal gain .K e y w o rd s:helical antenna;nor mal mode;i m pedance match 随着现代通信事业飞速发展,无线局域网(WLAN )的应用日益广泛,接收天线作为WLAN 中的重要组成部分,其性能直接影响WLAN 的性能。
各种移动终端的体积越来越小,WLAN 移动终端设备也不能例外。
这使得天线小型化技术备受关注。
目前小型化移动终端天线常用的有螺旋天线、平面倒F 天线等[1]。
螺旋天线是一类常用的移动终端天线,其小型化的主要技术之一是使用法向模螺旋天线。
法向模螺旋天线(又称为基模螺旋天线),指的是螺旋直径与波长相比很小的一种圆柱螺旋天线,可使天线的高度降至同一频率工作的单极天线高度的1/3甚至更短。
合理地选择结构参数可使法向模螺旋天线成为一种高效率的辐射器[2],其具有电尺寸小、质量轻、与单极子天线的电磁辐射特性相近等优点[3]。
1 法向模螺旋天线结构近年来,一些学者对法向模螺旋天线的快速计算,以及用其实现小型化的可行性进行了验证研究[4]。
典型螺旋天线为圆柱形螺旋天线,使用金属导线(或金属管带)绕制成螺旋形结构的行波天线。
·18·装备环境工程 2008年02月通常使用同轴线馈电,图1给出了圆柱形螺旋天线结构示意及其几何参数:D 为螺旋直径;S 为螺距;α为螺距角;L 为1圈的平均周长;N 为圈数;l 为天线轴长;a 为螺旋线半径。
图1 螺旋天线基本结构Fig .1 The basic structure of the helical antenna各几何参数之间存在如下关系:L 2=(πD )2+S2(1)C =πD(2)S =C ·tgα(3)l =N S(4)螺旋天线的辐射特性主要取决于螺旋直径与波长的比值。
当比值小于0.18时,称为法向模螺旋天线,与法向辐射的单极子天线相比,可有效降低天线的高度,实现天线的小型化,但在缩短了天线尺寸的同时,其带宽也明显变窄。
法向模螺旋天线的缺点之一是输入阻抗比较低,为了与常见50Ω、75Ω同轴线匹配,常需要进行匹配改进。
馈电通常可采用图2所述3种方式。
图2a 是介入匹配网络馈电,图2b是选择合适接入点的并联馈电,图2c 是采用可变短路段和并馈相结合的方式,可变宽调谐的频率范围[5]。
由于小型化设计的要求,在设计中应重点考虑匹配网络的实现。
图2 同轴馈电匹配方法Fig .2 The match method of coaxial feed在实际应用中,小型化天线的地板不可能做得很大,其微小的变化必然引起天线电性能的整体变化。
首先可以假定天线地板半径为4mm ,根据天线的技术指标、结构要求以及螺旋加工工艺综合考虑,首先要保证在法向有最大辐射。
选择螺旋直径为5mm ,天线高度S 取3mm ,螺旋线半径为0.6mm ,同轴线介质相对介电常数为2.4。
为实现与50Ω同轴馈电线的匹配,设计了一个同轴变换的地板结构。
上半部分地板内径选择0.72mm ,使得其特性阻抗不到10Ω,从而实现2.4GHz 的谐振频率;下半部分地板内径选择2.2mm ,实现与50Ω同轴馈电线的匹配。
2 法向模螺旋天线仿真分析根据上节法向模螺旋天线结构参数的分析,可以确定其天线结构模型(如图3所示)。
这种结构既实现了螺旋天线的谐振,又满足了输入阻抗匹配要求。
图3 螺旋天线模型Fig .3 The helical antenna model螺旋天线结构参数确定后,使用CST MW S 电磁场仿真软件进行仿真[7]。
通过仿真参数分析,可得如图4所示的仿真结果:其中心频率为2.4GHz,图4 反射系数随频率变化的仿真结果Fig .4 Si m ulati on results of return l oss versus frequency·28·第5卷 第1期 索莹等:法向模螺旋天线分析与设计在2.375～2.425GHz 的频带范围内反射损耗小于-10d B 。
其输入阻抗为53.92Ω,达到了与50Ω同轴线匹配的目的。
图5为仿真方向图结果。
由图5可见天线最大图5 辐射方向仿真结果Fig .5 Si m ulati on result of radiati on pattern辐射方向为其法线方向,且为全向辐射,辐射效率为0.9368,增益为1.541d B 。
与文献[6]中设计的结果相比,增益提高了3.5dB ,并且辐射方向满足要求。
如图6所示,由于法向模自身的特点,极化方式为线极化,轴比约为-16dB。
图6 轴比仿真结果Fig .6 Si m ulati on result of axial rati o3 结语基于天线小型化设计考虑,对法向模螺旋天线进行研究分析,设计了一种工作在2.4GHz 工作频率的法向模螺旋天线。
通过地板结构的变化,解决了法向模螺旋天线输入阻抗小的缺点。
仿真结果表明,该天线具有50MHz 的工作带宽,1.54dB 的水平增益。
各项指标达到预期的要求,可以满足WLAN 移动终端的要求。
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