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平面螺旋天线及宽带匹配网络的设计和仿真徐 琰 张漠杰（上海航天局第八○二研究所 上海200090）摘要：本文介绍了阿基米德平面螺旋天线及微带渐变线阻抗变换器的原理和设计方法，运用以有限元法为原理的专业软件Ansoft HFSS 对该天线及宽带匹配网络进行仿真，并与测量结果进行比较，仿真结果与测量结果吻合。
关键词： 阿基米德平面螺旋天线 渐变线阻抗匹配 平衡馈电一、 平面螺旋天线1.1 阿基米德平面螺旋天线为了满足灵活性和通用性，常常要求天线能以令人满意的方向图、阻抗和极化特性工作于很宽的频带范围内。
线性振子天线的频带是很窄的，增加振子直径只能稍微展宽一些频带，一般很少能大于所设计的中心频率的百分之几。
天线的增益、方向图、输入阻抗等电特性参数在一个较宽的频带内保持不变或变化较小的天线称为宽频带天线。
一般情况下，天线的性能参数是随频率变化的。
有一类天线，其几何形状完全由角度规定，性能与频率无关，这类天线称为非频变天线。
典型的天线有等角螺旋天线。
阿基米德平面螺旋天线不是一个真正意义上的非频变天线，但它也可以在很宽的频带内工作。
因为它不能满足截断要求，电流在工作区后并不明显的减小，螺旋天线被截断后方向图必受影响，因此必须在末端加载而避免波的反射。
阿基米德螺旋的半径随角度的变化均匀的增加，方程为φρρa +=0式中0ρ是起始半径，为螺旋增长率。
a本文设计的是双臂的阿基米德平面螺旋天线（如图1），两臂方程分别为φρρa +=011和)(022πφρρ++=a 。
用印刷电路技术来制造这种天线，使金属螺旋的宽度等于两条螺旋间的间隔宽度，形成自互补天线。
臂的宽度为：20102πρρa W =−=对于一个自互补天线结构，由巴比涅—布克（Babinet －Booker ）原理可求得，具有两个臂的无限大结构的输入阻抗为188.5欧。
图1 阿基米德平面螺旋天线在螺旋的周长为一个波长附近的区域，形成平面螺旋的主要辐射区。
利用HFSS设计平面等角螺旋天线HFSS（高频结构模拟器）是一种电磁场仿真软件，广泛应用于无线通信、射频电子、天线设计等领域。
在设计平面等角螺旋天线时，可以使用HFSS来进行仿真、优化和分析。
下面将介绍利用HFSS设计平面等角螺旋天线的步骤和注意事项。
1.定义天线的几何结构：在HFSS中，首先需要定义天线的几何形状。
对于平面等角螺旋天线，可以使用直线段和弧段来描述螺旋的几何结构。
可以选择合适的参数，如螺旋半径、线宽和线距等，来定义螺旋天线的几何形状。
2. 设置边界条件和材料属性：在进行仿真之前，需要设置适当的边界条件和材料属性。
对于平面等角螺旋天线，一般使用PEC（Perfect Electric Conductor）作为边界条件，以确保电磁波在螺旋天线表面的反射和吸收很小。
此外，还需要为天线材料设置合适的电磁参数，如相对介电常数和损耗正切等。
3.设定频率范围和场激励：在HFSS中，可以设置所需的频率范围和场激励方式。
一般来说，平面等角螺旋天线用于宽频工作，因此可以选择一个合理的工作频率范围。
对于激励方式，可以选择点源激励，即在螺旋天线的发射端施加一个适当的电流源。
4. 进行电磁波分析：在设置好几何结构、边界条件、材料属性、频率范围和场激励之后，可以进行电磁波分析。
HFSS使用有限元方法来求解Maxwell方程组，得到电磁场分布、辐射特性等结果。
5.优化和调整参数：根据仿真结果，可以对平面等角螺旋天线的几何参数进行优化和调整。
例如，可以改变螺旋半径、线宽和线距，以优化天线的电磁性能，如增益、辐射方向性等。
6.分析和评估性能：经过优化和调整之后，可以再次进行电磁波分析，得到优化后的天线性能。
可以对比不同参数设置下的性能，如频率响应、辐射图案等，进行评估和选择最佳设计。
在设计平面等角螺旋天线时1.准确地定义几何参数：几何参数的准确定义对于仿真结果的准确性至关重要。
要仔细测量几何参数，并正确输入到HFSS中。
画平面螺旋天线1.首先，画一个平面，以一个圆面为例吧2.然后，点击工具栏Draw/spiral，选择一个轴，这时弹出一个对话框，选择螺旋方向，半径，螺旋圈数3。
点击确定螺旋即可画好，然后在绕z轴旋转180度，可得双臂平面螺旋天线HFSS学习小结已经接触HFSS近两个月了，想用于材料电磁场屏蔽的设计和计算，不知是否可行，now have followed the example _heat sink in the chapter 9.0 _ EMC/EMI in full book 10.0 成功的做出了个结果，现在把看到别人的、自己知道的做一下总结：The main process : building 3D solid modeling; set boundaries and excitations ; analyze the result Before we build the modeling, we should think about what kind of method we use, there are three kinds of solution type: driven model; driven terminal; eigenmode 模式驱动(Driven)------计算以模式为基础的S参数.根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩阵的解,波导,天线等用这个模式多终端驱动(Driven Terminal)------计算以终端为基础的多导体传输线端口的S参数。
此时,根据传输线终端的电压和电流表示S参数矩阵的解----微带类用这个比较多! 本征模(Eignemode)-----计算某一结构的本征模式或谐振.本征模解算器可以求出该结构的谐振频率以及这些谐振频率下的场模式! Eignemode solver does not use ports and don’t support radiation boundaries. After launching the software, we should set tool options, included HFSS option and 3D modeler option Select the menu itemtool >option we can see those options Software will open a project by default First step is select solution type HFSS>solution type Set the units 3D modeler>units 单位可以在其它状态下改变3D modeler包括了与模型有关的操作和设置Set default material 在set 一次后的情况下其后建立的modeler 都是在此material 下的在default 的情况下history 的列表中按材料的种类进行分类建立模型过程中使用相对坐标会很方便，3D modeler>coordinate system > create> relative CS >Offset , 在建模过程中可能要使用很多相对坐标，在set相对坐标的时候，offset是相对于当前CS的位移，在3D Modeler>coordinate system>set working CS 可以选择使某个坐标为当前工作坐标，在history 的coordinate system 的列表中显示所有的坐标系，当前工作坐标将有个W的标记。
利用HFSS 设计平面等角螺旋天线杜起飞北京理工大学电子工程系 100081摘要：本文介绍了一种双臂平面等角螺旋天线的设计过程，利用ANSOFT HFSS 对其结构进行了建模和仿真，工作频率为0.4GHz～3GHz，电压驻波比VSWR<2.0，增益Gain>5.0dB。
关键词：HFSS 、等角螺旋天线、宽带匹配1. 引言天线的增益、输入阻抗、方向图等电特性参数在一个较宽的频段内保持不变或变化较小的天线称为宽频带天线。
一般情况下，天线性能参数是随频率变化的。
有一类天线，它们的方向图和阻抗在相当宽的频带范围内与频率无关，这就是所谓的非频变天线。
本文所研究的是平面等角螺旋天线，它有很宽的工作频带，具有很好的应用前景，同时也是其它等角螺旋天线研究的基础。
2. 利用HFSS 设计平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线在ANSOFT HFSS 中的模型如图1所示。
它主要由平面螺旋辐射器、馈电电路板、普通反射腔和异形反射腔四部分组成。
2.1 平面等角螺旋天线图1 平面等角螺旋天线在HFSS 中的模型 图2 自补形平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线如图2所示，金属臂的四条边缘均为平面等角螺旋线。
边缘1的方程为，边缘2相对于边缘1旋转角φρρa e 01=δ，故其方程为。
天线另一臂的边缘应使结构对称，即一臂旋转半圈将于另一臂重合，因而有和。
图中的结构是自补形，因而)(02δφρρ−=a e )(03πφρρ−=a e )(04πδφρρ−−=a e 2/πδ=。
自补形平面等角螺旋天线两臂的四条边缘曲线为：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧====−−−−)2(04)(03)2(0201ππφπφπφφρρρρρρρρa a a a eee e (1)- 74 - Ansoft2004年用户通讯 对于自补形结构，方向图的对称性最好。
由于平面等角螺旋天线的表面边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形状的所有要求。
2.2 馈电电路板由于平面等角螺旋天线是平衡对称结构，其馈电系统也应采用平衡馈电方式。
平面螺旋天线的设计与实现第１９卷增刊电波科学学报Ｖ０１．１９，Ｓｕｐ．２００４年１０月ＣＨＩＮＥｓＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＤＩＯＳＣＩＥＮＣＥＯｃｔｏｂｅｒ，２００４陈小娟袁乃昌（国防科技大学微波中心，湖南长沙４１００７３）摘要平面阿基米德螺旋天线具有极宽的工作频带，但匹配平衡电路的宽频带实现则较难，尤其是在加反射腔以使其单向辐射时。
在倍频程范围内，仿真并实际制作关键词。
柩幕狰螺旋天线，巴仑，反射腔出了单向辐射的平面螺旋天线，给出了设计参数值，仿真结果及实测结果。
、．————————∥ｔ，１引言使其结构缩比到无限小。
因此对高端频率有所限制。
但是，若用一根平衡馈线从平面螺旋中心馈电，阿基米德螺旋天线［１］是一种宽频带天线，因其那么馈电点附近，由大小相等方向相反的电流产生结构紧凑，尺寸小，重量轻而得以广泛应用。
图１所的辐射场在远区互相抵消，在螺旋的周长接近一个示为一两臂阿基米德螺旋天线，如果两臂等幅反相波长时有最大辐射。
由文献［４］知周长为Ａ的圆环馈电，可在宽频带内获得双向的圆极化辐射，并且在上的行波电流将辐射圆极化波，因此，在周长为一个很宽的频带内天线的输入阻抗不变，在天线平面的波长附近的区域，形成平面螺旋的主要辐射区。
当上方为右旋圆极化，下方为左旋圆极化，在天线背部频率变化时，主要辐射区随之变动，方向图基本不加一反射腔则可得一单向圆极化辐射的天线。
变。
因此，天线具有宽频带工作特性。
对应最低频率天线要有１．２５２。
．。
，对最高频率，由馈电点间隔尺寸决定，其间隔必须小于Ａ旆／４。
为了避免电流在螺旋最外层的边沿上反射，通常在最外层螺旋线的末端端接吸收电阻或吸收材料。
这样螺旋线上是行波电流，它产生的是圆极化波。
如果存在从末端反射回馈电点的电流，它辐射的是反相圆极化波。
平衡馈电的巴仑可放在反射腔图１两臂阿基米德平面螺旋天线内，这样可避免了方向图倾斜并可以用同轴线馈电。
３设计与实现该天线近些年在电子战领域得到广泛的重视‘２］［引，主要原因是其宽频带特性正好满足雷达对工作中选择自互补天线，即天线臂宽与间隔相抗的需求。
螺旋天线初步仿真简介螺旋天线是现代通信领域中常用的一种天线。
与传统的线性天线相比，螺旋天线具有更广阔的频率范围和更强的极化适应性。
在实际应用中，螺旋天线可用于卫星通信、雷达、移动通信等领域。
本文将对螺旋天线进行初步仿真，并对仿真结果进行。
仿真工具在仿真螺旋天线时，我们使用了Ansoft HFSS这一电磁仿真工具。
该工具具有强大的电磁仿真能力，并且能够模拟多种复杂的天线结构。
天线结构螺旋天线的特殊结构可使其具有更广泛的频带和更稳定的性能。
螺旋天线通常由驻波耦合带、电感耦合框架和辐射器三部分组成。
其中，辐射器是螺旋天线中最重要的部分。
辐射器通常由导线或金属板制成。
在我们的仿真中，我们选择使用导线制作辐射器，并通过Ansoft HFSS进行建模。
仿真参数在进行螺旋天线的仿真时，我们需要设置一些关键参数。
下面是我们在仿真中所使用的参数：•驻波耦合带长度：3mm•电感耦合框架长度：2.5mm•螺旋天线直径：20mm•扭转距离：10mm•辐射器长度：40mm•频率范围：2GHz到4GHz•单元类型：tetrahedron仿真结果在仿真完整的螺旋天线结构之后，我们可以通过Ansoft HFSS获得一系列仿真结果。
下面是我们在仿真过程中得到的一些关键结果：•S11参数：通过S11参数，我们可以了解到螺旋天线的反射损耗。
在我们的仿真中，螺旋天线的S11参数在整个频率范围内均小于-30dB，表明螺旋天线的反射损耗较低。
•阻抗带宽：螺旋天线的阻抗带宽非常重要，它能够告诉我们螺旋天线在多大范围内能够保持正常工作。
在我们的仿真中，螺旋天线的阻抗带宽达到了500MHz，表明螺旋天线具有较广泛的工作频率范围。
•极化：螺旋天线具有左旋和右旋两种极化方式。
在我们的仿真中，螺旋天线的极化为右旋，符合我们预期的结果。
通过以上仿真结果，我们可以发现螺旋天线具有较好的阻抗带宽和反射损耗，适用于多种通信领域。
同时，在其他仿真参数固定的前提下，通过对辐射器长度等参数进行调整，我们可以进一步提高螺旋天线的性能。
一、设计题目：螺旋天线的仿真设计二、设计目的：（1）熟悉Ansoft HFSS软件的使用。
（2）学会螺旋天线的仿真设计方法。
（3）完成螺旋天线的仿真设计，并查看S参数以及场分布。
三、设计要求：螺旋天线是一种常用的典型的圆极化天线，本设计就是基于螺旋天线的基础理论及熟练掌握HFSS10软件的基础上的，设计一个右手圆极化螺旋天线，要求工作频率为4G，分析其远区场辐射特性以及S曲线。
螺旋天线通常用同轴线馈电，天线的一端与同轴线的内导体相连，另一端则处于自由状态。
螺旋天线示意图如图1所示：图1、螺旋天线四、设计参数：中心频率f=4GHz λ=75mm螺旋导体的半径d=0.15λ=11.25mm螺旋线导线半径a=0.5mm螺距s-0.2λ=15mm圈数N=7轴向长度l=Ns五、设计步骤在HFSS建立的模型中，关键是画出螺旋线模型。
画螺旋线，现说明螺旋线模型的创建。
求解类型设置与上两个设计一样，材料为copper，模型单位为mm，螺旋线的创建如下。
点击Draw>Circle,输入圆的中心坐标。
X:11.25 Y:0 Z:0 ,按回车键结束。
输入圆的半径dX:0.5 dY:0 dZ:0 按回车键结束输入。
在特性窗口中将Axis 改为Y。
点击确认。
选中该circle。
点击Draw>Helix，输入X:0 Y:0 Z:-7.5，按回车键结束输入，输入dX:0 dY:0 dZ;100按回车键，在弹出的窗口中，Turn Directions:Right Hand Pitch:15(mm) Tuns:7 Radius change per Turn:0点击OK。
在特性窗口中选择Attribute标签，将名字改为Helix。
建立螺旋天线与同轴线相连的连接杆ring。
点击Draw>Cylider,创建圆柱模型。
输入坐标为X:11.25 Y:0 Z;0 ，按回车键结束输入，输入半径dX:0.5 dY:0 dZ:0 ，按回车键结束输入，输入圆柱长度dX;0 dY:0 dZ:-3,按回车键结束输入，在特性窗口中选择Attribute选项卡，将名字改为ring，点击确定。
FEKO培训系列教程螺旋天线(Helix)螺旋线建模，MOM及MLFMM计算EMSS CHINA概述:Overview•天线是单螺旋天线–金属地板直径：Ground_R=0.375个波长–螺旋匝数: n=3.5–螺距:s=0.225个波长–螺旋的半径: R=1个波长/(2*pi)–螺旋的高度: H=n*s•电参数：–工作频率：f=30 GHz计算的问题•计算的问题：–螺旋天线的3D远场方向图–Phi=0，phi=90平面内的方向图启动CadFEKO•CADFEKO 6.0 进入CadFEKO主界面•设置单位为毫米mm，天线的建模：定义几个主要参数•点击菜单“Model\Add Variable”(或在左侧树型资源管理器中，点击双击“Variables”节点或选中“Variables”节点，点击鼠标右键选择“Add Variable”)，即可弹出“Create Variable”对话框–在Create Variable对话框中需要输入变量的名称及表达式，注释等，点击“Evaluate”按钮可以显示表达式的值，点击“Create”完成创建，点击“Close”关闭“Create Variable”对话框天线的建模‐参量定义•按照先后顺序添加以下变量：–sf=0.001–freq =30e9 Hz;lambda c0/freq/sf ;–lambda=c0/freq/sf ;–Ground_R=0.375*lambda;–s=0.225*lambda;–D=lambda/pi;–n=3.5天线的建模‐金属地板•点击左侧的模型图标按钮“”来建立螺旋天线的金属地板：–Centre point:•X: 0.0•Y: 0.0•Z: 0.0–Dimensions•R(x):Ground_R•R(y):Ground_R–Label：Ground–Create按钮–Close按钮•点击调整3D视图中的大小天线的建模‐单螺旋•点击左侧的模型图标按钮“”来建立螺旋天线的螺旋：–Base Radius：D/2–End Radius：D/2–Height (Z): s*nHeight (Z): s n–Turns: n–Label: Helix1–Create 按钮–Close 按钮天线的建模‐完成建模•选中Ground模型，点击左侧的“”按钮弹出“Create imprint…”对话框，在3D视图中点击鼠标右键选择“Snap to->Geometry point”;•把光标定在“Create imprint…”的Point1中，同时按住Ctrl+Shift键不放，移动鼠标到螺旋与地板的焦点位置，点击鼠标左键确认，这时该点的坐标会显示在Point1的黄色区域，点击创建按钮完成在地板Ground上建立一个点的操作。
平面等角螺旋天线的理论分析与数值仿真西安理工大学JournalofXi'anUniversityofTechnology(2007)V o1.23No.4385文章编号:1006-4710(2007)04—038505平面等角螺旋天线的理论分析与数值仿真华军,刘江凡.,席晓莉.,王骞.(1.通信系统信息控制技术国家重点实验室,浙江嘉兴314001;2.西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048)摘要:在对平面等角螺旋天线进行理论分析的基础上,采用基于矩量法的电磁场数值仿真软件,研究了平面等角螺旋天线的结构参数对天线辐射场分布的影响以及辐射场分布与解析结果间的差异,给出了一定带宽及工作模式条件下的等角螺旋天线的参数选择方法.关键词:平面等角螺旋天线;矩量法;方向图;数值仿真中图分类号:TN823'..33文献标识码:A TheoreticalAnalysisandNumericalSimulationoftheEquangularSpiralAntennas HUAJun.LIUJiang—fan.,XIXiao—li.,WANGQian.(1.NationalLaboratoryofInformationControlTechnologyforCommunicationSystem,Jia xing314001,China;2.FacultyofAutomationandInformationEngineering,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'a n710048,China)Abstract:Basedonthetheoreticalanalysisofequangularspiralantenna,theelectromagneticf ield numericalsimulationsoftwarebasedonthemethodofmomentsisusedtostudytheimpactsof structureparametersofequangularsprialantennaupontheantennaradiationfielddistributio nas wellasthedifferencesbetweentheradiationfielddistributionandtheanalysisresults.Also,th ispapersuggeststheparameterselectionmethodoftheequangularspiralantennainacertainban d—widthandundertheconditionsofworkingmodes.Keywords:equangularspiralantenna;methodofmoments;radiationpattern;numericalsim ula—tion平面等角螺旋天线是上世纪五十年代中期出现的一类频率无关天线.在假设该天线半径无限大,螺旋线缠绕紧密及螺旋臂无限多等条件下,可得到天线辐射场及天线接收端模式电压的解析表达式口],进而得到平面等角螺旋天线的宽频带特性及测向特性,为该天线的设计及应用提供了理论依据.目前平面等角螺旋天线已成功应用于反辐射导弹的导引与被动测向【.],并被日益广泛地应用于宽带,超宽带及多频段通信].但实际平面等角螺旋天线不可能满足解析近似条件,其频带宽度及测向特性均会与解析结果存在误差.该误差可从实际天线的辐射场与解析场分布的差异表现出来;实际天线的辐射场分布与解析结果越接近,其频带宽度及测向性能越接近理想.因此本文将从改善实际天线辐射场分布以减小其与解析结果的差异出发,研究该天线的设计方法.文中首先介绍了等角螺旋天线的场的解析表达形式及其分布特点,然后采用数值计算方法对4种不同结构参数天线的辐射特性进行仿真,通过比较实际天线的辐射方向图与理论结果间的差异,分析了天线半径,螺旋率及螺旋臂数对天线辐射特性的影响,给出设计满足一定带宽的等角螺旋天线的参数选择方法.1等角螺旋天线理论分析1.1等角螺旋天线的数学模型等角螺旋天线的臂是由两条螺旋线构成,它们在极坐标系中的方程为:收稿日期:2007—06—27基金项目:通信系统信息控制技术国家重点实验室项目.作者简介:华军(1966一),男,甘肃兰州人,博士,高级工程师.研究方向为天线分析与设计,无线电测向技术等.E-mail:***********.386西安理工大学(2007)第23卷第4期Pl一=Roe~P2Poea({L∞(1)\1/一d)式中,分别为臂的外边缘及内边缘螺旋线矢径,为臂宽角,为起始极径,声为极角,a为螺旋率.当相邻两臂之间的空隙与臂的形状完全相同时,天线为自互补结构.图1为一个四臂等角螺旋天线的仿真模型.图1四臂等角螺旋天线不意图Fig.1Four-armequiangularplanespiralantenna1.2等角螺旋天线的辐射场解设平面等角螺旋天线的半径无限大,臂无穷多,水平放在一0的平面,馈电模式为时,天线在柱坐标系中的远区辐射电场可近似表达为¨3]:售誊二>or<o(2)cosOtan"(昙)e詈tA()一———_兰二二==(3)sinOJ1上a.COS.0()一aInI1+n.COS.0I+tan(acosO)(4)厶7/式中为方位角,0为俯仰角,卢一27/,l,是为与天线辐射强度相关的系数.从式(3)可以看出,天线螺旋率及模式固定时,平面等角螺旋天线的辐射场幅度只与0有关而与无关,螺旋率a一0.172时不同模式电场幅度随0角的变化曲线如图2所示.用阶模减去1阶模辐射场相位,得到阶模的相对相位表达式如下:(,)一nI1+a2cos20I一(一1)(5)式(5)右侧两项分别表示了0角和角对相对相位的影响,图3a和b分别为它们对相对相位的影响曲线.从图3可以看出,0角对相对相位的影响很小,且模式越高,影响越小,最大影响不超过1.3×10 度;角与相对相位成线性关系,模式越大,曲线斜率越大,分辨率越高.因此辐射场相对相位的影响主要与方位角有关,俯仰角0的影响可忽略不计. 403?5—3.02.5吾20墨粤1.00.50500/(.)图2不同模式电场幅度随的变化Fig.2Magnitudeofelectricfieldvariation with0fordifferentmodesi41.2宝1.00.80.60.40.2一一一一I—l一1—1020*******O0120140160180a)'图3不同模式相对相位随0和角的变化Fig.3Relativephasevariationwith如nd∞fordifferentmodes当把该天线用作接收天线时,根据互易原理,天线接收信号的幅度和相位具有相同的规律,因此可用不同模式接收信号的幅度比值来确定接收信号的俯仰角,用相位差来确定方位角,这就是等角螺旋天线的比幅比相测向原理.当实际天线的辐射场分布及相位分布与解析结果存在较大差异时,必然会导致天线测向误差的增大.1.3等角螺旋天线的电流辐射带理论等角螺旋天线的辐射场是由天线表面的电流辐射带产生的.当螺旋线长度无限时,其上电流可视华军等:平面等角螺旋天线的理论分析与数值仿真387 为行波,当相邻螺旋线电流接近同相时形成电流辐射带,否则相邻臂的电流辐射相互抵消,不会辐射电磁能量.不同频率不同模式的场的辐射带位于天线不同半径的圆周上,当螺旋线密绕时,天线阶模的电流辐射带位于周长为个波长的圆周上,辐射带半径为l4]:r一(6)式(6)是按相邻螺旋臂辐射电流相位相同的条件确定的,是辐射电流最大位置的半径.当考虑辐射带具有一定宽度时,可将其宽度从同相位置向两边各扩展丌/2相位,这样辐射带半径为:一专)<r<+专)(7)式(6)和(7)可作为天线半径的选择依据.2一定带宽等角螺旋天线的设计与仿真本节以设计辐射频率在400MHz~2000MHz的平面等角螺旋天线为例,采用数值计算方法分析天线尺寸,螺旋率及天线臂的数目等参数对天线辐射特性的影响.2.1等角螺旋天线模型设天线的内,外半径分别为P.和P,天线从最小半径到最大半径的旋转角为,则天线的螺旋率a—ln(p/Po)/.为了分析天线各结构参数对天线辐射特性的影响,设计了4种不同参数的天线模型, 具体见表1.天线的内径取高频低阶模辐射带半径坚蠼接驿窭接罂一400Ml{2.1200MHz/(.)(d)1阶模(日=46.)蜜接驿罂薄(2000MHz频率的1阶模辐射带半径),外径取低频高阶模半径(400MHz频率的3阶模辐射带半径).模型1和模型4中天线的内外半径根据辐射带公式(6)计算;模型2和模型3的内外半径根据辐射带公式(7)计算.模型1的结构如图1所示,图中左边为天线模型,右边为馈电部位的放大,右图中心为接地导体板.采用AUTOCAD软件进行天线建模,Femap软件进行网格剖分,用基于矩量法(MoM)的电磁场数值计算软件FEKO对天线进行仿真计算.天线剖分网格的最大取值为x/8,馈源选用理想磁流元,加在天线臂和接地板之问,各臂的馈电幅度均取1V,N臂天线的阶模馈电相位在相邻臂间相差:2n一2.2数值仿真结果模型1天线各阶模在不同频率下仿真得到的幅度方向图见图4,不同频率相对相位随0角的变化见图5.蜜接臻蛏接图4模型1天线各模式不同频率辐射场幅度随0角和角的变化曲线Fig.4MagnitudeofRadiationfieldVS0andofmodel1antennafordifferentmodesandfreque ncies数一一～～一～～钯r一一1模山一M}l科一4rf—N表¨Ⅲ一388西安理工大学(2007)第23卷第4期趟二二,llF{:.翌三三10/(.)(a)_厂=400MHz匿2..00圉}/L曼J1O0}.o}———一]t00{:ii200L—一————0/(.0/(.)(b)_厂=l200MHz(c),.2000MHz图5模型1天线不同频率各模式相对相位随方位角的变化Fig.5Phasevariationwithofmodel1antennafordifferentmodesandfrequencies 从图4可以看出:①不同频率1阶模电场幅度沿方向的变化规律(图4a)与解析结果基本一致(图2);当模式增大时,低频高阶模辐射场幅度减小;②解析结果的方向图与无关,但模型1仿真结果显示不同频率各阶模在方向均存在一定的不对称性,呈四波瓣结构,其中高频低阶模(图4d中2000MHz)和低频高阶模(图4f中的400MHz)波瓣振幅较大,其它频率及模式振幅较小.其原因是:模型1天线半径是按公式(6)计算的,天线的内,外径分别取在高频低阶模和低频高阶模的辐射带中心,对应圆周上辐射电流最大,当天线螺旋臂在该半径截断时,将导致相应频率及模式的电流辐射带宽度变窄,辐射能量降低.辐射场幅度下降;同时电流不再是行波而是驻波分布,天线截断处形成辐射电流的4个波节点,导致方向图在对应方向幅度减小, 形成四波瓣结构.图5结果显示,在一定角变化范围内,辐射场2.0划馨亲蹲的相对相位不随角的变化而变化,即相对相位与角无关,该结论与解析分析结果一致,但当角较大时,角的变化会对相对相位产生较大影响,接近90.时变化加剧.这主要是由于实际天线尺寸有限造成的.因此实际的等角螺旋天线在一定的俯仰角范围内满足比幅比相测向条件,当俯仰角过大时将无法使用.由于模式1天线方向图与解析结果的差异主要体现在方向的幅度方向图上,且低频高阶模和高频低阶模误差较大,因此研究其它模型对天线辐射性能的影响时,主要关注天线在方向的幅度方向图变化情况,并重点考察低频高阶模和高频低阶模方向图变化.400MHz和2000MHz频率下,模型2,:j仿真得到的不同模式电场幅度随角的变化曲线与模型1结果的比较分别见图6,7.1200MHz频率下,模型4天线仿真得到的不同模式电场幅度随角变化曲线与模型1结果的比较见图8.鎏毒浆图6400MHz时不同模型天线的各阶模辐射场幅度随角的变化(一46.)Fig.6MagnitudeofRadiationfieldVSfordifferentmodelsandmodesat400MHz(0=46.) 图72000MHz时不葡模型天线的各阶模辐射场幅度随角的变化(一46.) Fig.7MagnitudeofRadiationfieldVSfordifferentmodelsandmodesat2000MHz(:46.) 000000O0∞如一0如∞模:阶/l∞l(华军等:平面等角螺旋天线的理论分析与数值仿真38925耋:.o薹1O2.5薹20霹妻1.5p/(.)(a)1阶模(0霉『.kj夕}5}I一4臂 (6)0L—————————————一——————01OO2003O0/(.)图81200MHz时天线臂的个数对天线辐射场方向图的影响从图6和图7可以看出,模型2显着改善了模型1天线的低频高阶模(图6c)和高频低阶模(图7a)方向图沿方向的对称性.同时提高了它们的辐射场强度,但辐射波形仍为四波瓣结构;螺旋率的进一步减小对辐射特性没有明显改善.图8显示.当天线的臂从4个增加到6个时,方向辐射方向图由原来的4个波瓣变成了6个,可以想象当天线臂进一步增加时,天线沿方向的方向图对称性更好,臂数无限多时将与理论结果相一致.3结论平面等角螺旋天线设计的关键是合理选择天线的结构参数,使天线在所要求的频带范围内辐射场特性接近解析结果.本文的数值仿真结果显示:①天线尺寸取决于天线的工作频带和工作模式,当工作频带内的所有模式对应的电流辐射带均在天线尺寸范围内时,它们才能得到有效辐射;②天线的螺旋率小到一定值时(如本文的0.172),可认为天线为密绕,进一步减小螺旋率不能使天线的辐射特性得到明显改善;③天线臂的数目越多,辐射方向图越接近解析结果,但随着天线臂数目的增多,接收端电路的复杂性会急剧增加,给实际加工带来困难;④有限的天线尺寸导致辐射场在接近水平面方向的相位误差增大,天线只能在一定俯仰角范围实现测向功能. 本文的研究结果是在天线处于自由空间,且无反射腔条件下得到的.实际使用的螺旋天线还需加反射腔以实现能量的单向辐射,加腔后天线的带宽及辐射特性会发生较大变化,因此等角螺旋天线辐射腔的设计是本文后续研究的一个重点.另外天线的尺寸与天线的工作频带和模式直接相关,如何在不改变频带和模式条件下减小天线尺寸是该天线应用面临的一个主要问题.本文研究显示,在一定俯仰角范围内天线的相对相位随方位角变化很小而幅度变化较大,基于该特点,可以先根据接收信号的相对相位确定方位角,再利用该方位角条件下幅度与俯仰角的关系确定俯仰角,这样可在不增加天线尺寸的基础上实现对工作带宽及模式的展宽.参考文献:[1]RumseyVH.FrequencyIndependentAntennas[M]. NewY ork:AcademicPress,l966.[2]RumseyVH.Anev~wayofsolvingmaxwell'sequations I-J],.IRETransonAntennasandPropagation,1961,9 (5):46l一465.[3]CheoBRS,RumseyVH,WelchWJ.AsolutiontO thefrequency—independentantennaproplem[J].IRE TransonAntennaandPropagation,1961,9(6):527—534.[4]PennoRP,PasalaKM.Angleestimationwithamulti—armspiralantenna[A],.ProceedingsofAerospaceCon—ference,l999.[5]周水庚(ZhouShui—geng).反辐射导弹技术发展评述(A reviewofthedevelopmentofanti—,radiationmissiletech——nologies).上海航天(AerospaceShanghai),1997,3(1):4O一43.[6]CorzineRG,MoskoJA.Four—ArmSpiralAntennasI-M],.Norwood,MA:ArtechHouse,1990.[7]PennoRP,PasalaKM.Theoryofangleestimationu—singamultiarmspiralantennaLJ],.IEEETransonAer ospaceandElectronicSystems,2001,37(1):123—133.1-8]DebalinaG,ArijitD.TaylarMC,eta1.Transmission andreceptionbyultra—wideband(UWB)antennasI-J]. IEEEAntennasandPropagationMagazine,2006,48(5):67-99.[9]袁正宇,鄢泽洪,魏问元,等(YuanZheng-yu.Y anZer—hong,weiWen-yuan,eta1).双臂微带螺旋天线的矩量(Analysisoftwo—armmicrostripspiralantennasusing methodofmoments)[J].微波(JournalofMicro—wares),1999,15(4):306—311.[1O]陈小娟,袁乃昌(ChenXiao—juan,YuanNai—chang).平面螺旋天线的设计与实现(Designandimplementment ofaplanarspiralantenna)I-J],.雷达与对抗(Radar& Ecm),2004(4):31—33.(责任编辑王卫勋)。
太原理工大学现代科技学院课程设计任务书日期指导教师签名：：学号成绩姓名专业班级…………一、设计题目……螺旋天线的仿真设计……二、设计目的……（1）熟悉Ansoft HFSS软件的使用。
………（2）学会螺旋天线的仿真设计方法。
…装（3）完成螺旋天线的仿真设计，并查看S参数以及场分布。
……三、实验原理……螺旋天线（helical antenna）是一种具有螺旋形状的天线。
它由导电性能良好的金属螺旋线……组成，通常用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地………的金属网（或板）相连接，该版即为接地板。
螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。
当……螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一……个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。
……订…………………………………………线……………………四、设计要求……设计一个右手圆极化螺旋天线，要求工作频率为4G，分析其远区场辐射特性以及S曲线。
……本设计参数为：螺旋天线的中心频率 f=4GHz ，λ=75mm；………；λ=11.25mm 螺旋导体的半径d=0.15………；螺旋线导线的半径a=0.5mm ……；λ=18,75mm 螺距s=0.25……；圈数N=3 ……；轴向长度l=Ns ………五、设计仿真步骤…装HFSS建立的模型中，关键是画出螺旋线模型。
画螺旋线，现说明螺旋线模型的创建。
在……1、建立新的工程……HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert Hfss Dessign，建立一个新的工程。
运行……2、设置求解类型………1（）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
……（2）在弹出的Solution Type窗口中……（a）选择Driven Modal 。
…订（b）点击OK按钮。
………3、设置模型单位……将创建模型中的单位设置为毫米。
……）在菜单栏中点击（13D Modeler>Units。
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。
螺旋天线的仿真设计微波课设简介本文是关于螺旋天线的仿真设计微波课设的报告，主要讲述了螺旋天线的基本原理、设计理论、仿真模型和实验验证。
螺旋天线是一种常见的微波天线，其特点是具有宽频带、高增益和环形辐射图等优点。
在通信、雷达、卫星等领域得到广泛应用。
本次课设的目的就是通过仿真设计一款螺旋天线，掌握螺旋天线的设计方法和仿真技术。
设计原理螺旋天线的结构是由两个相等直径的共面平面圆形线圈组成，中心为同一轴线，相互平行，以同一角速度反向电流通入。
当通电后，平面线圈间的气隙产生交变磁场，电磁波通过该磁场辐射，并且因为电流相反极性和相邻线圈间相位差异，导致了圆极化辐射。
通常情况下，螺旋天线的圆极化为右旋极化。
设计理论本次课设采用的是单臂螺旋天线，其电磁性能主要由以下参数决定：螺距螺距是指螺旋线圈上两个相邻回路之间的垂直距离。
螺距越大，天线的工作频率越低，增益也越低。
相反，螺距越小，天线的工作频率和增益也越高。
匝数匝数是指螺旋线圈上电流通路的总数。
匝数越多，天线的工作频率和增益也越高。
直径直径是指螺旋线圈轴线上的两个相邻线圈之间的距离。
直径越小，天线的工作频率越高，增益也越高。
间隔间隔是指螺旋线圈上每个回路的直接相邻回路之间的距离。
间隔影响螺旋天线的的工作带宽和辐射方向图。
仿真模型本次课设采用的是CST Studio Suite软件进行仿真设计。
具体流程如下：建立模型首先需要在CST软件中建立螺旋天线模型。
具体处理如下：1.以XY平面建立直径为10mm的圆形线圈。
2.以相同的直径在Z方向上建立若干个圆形线圈，其中螺距、匝数、直径、间隔等参数可以根据实际需求进行设置。
3.在螺旋线圈的两端分别接上竖直的延伸导线，作为馈电点和接收点。
设定边界条件在完成螺旋天线的建立模型后，在设置墙面边界条件、仿真频段和网格尺寸等参数，以便进行计算分析。
仿真计算最后就可以对螺旋天线进行仿真计算。
在CST软件中，可根据要求求得天线的增益、方向图、驻波比等参数，进而进行结果分析和比较，找出最优解。
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=0.375BA╳0.375BA,盒体高=底或高。
B=PI 开平方，A=波长
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=A/π，节距（线圈之间距离）=0.225A,线圈的周长等于波长。
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。
一种方形平面螺旋天线面的仿真设计
龙小专;夏克强;赵志强
【期刊名称】《电子信息对抗技术》
【年(卷),期】2018(033)005
【摘要】介绍了一种方形阿基米德平面螺旋天线,与圆形阿基米德平面螺旋天线相似,它同样具有超宽频带工作特性;不仅如此,在相同尺寸下,它能工作于更低的频率.介绍了这种天线的一般设计方法,并对其两种改进形式进行了分析和设计,最后得到了一个可工作于1 GHz ～18GHz的正方形平面螺旋天线,其尺寸仅为
18mm×18mm.
【总页数】4页(P73-75,88)
【作者】龙小专;夏克强;赵志强
【作者单位】电子信息控制重点实验室,成都610036;解放军驻某军代室,成都610036;电子信息控制重点实验室,成都610036
【正文语种】中文
【中图分类】TN823.31
【相关文献】
1.一种小型化超宽带平面螺旋天线的设计 [J], 张熙瑜
2.小尺寸多层平面式螺旋天线的仿真设计 [J], 张欢;廖斌
3.一种小型化平面螺旋天线的仿真设计 [J], 臧永东;金谋平;詹珍贤
4.一种侧馈式超宽带平面螺旋天线设计 [J], 周智杰; 李培; 左乐
5.一种基于LTCC技术的方形平面电感设计与仿真 [J], 牛晓威;王俊峰;付翀丽
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