等角螺旋天线

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。

平面等角螺旋天线及巴伦的设计随着无线通信技术的飞速发展，天线作为无线通信系统的重要组成部分，其性能和设计受到了广泛。

其中，平面等角螺旋天线（Planar Inverted-F Antenna，简称PIFA）以及巴伦（Balun）是两种常用的天线和平衡转换器设计。

本文将介绍这两种天线的特点、设计原理和参数，旨在帮助读者深入了解其优势和应用场景。

平面等角螺旋天线是一种常见的宽带天线，具有体积小、易共形、易集成等优点。

它由一个平面的辐射元和一个螺旋状的地面构成，通过调整辐射元和地面的尺寸以及螺旋的匝数，可以实现在宽频带内的良好辐射性能。

平面等角螺旋天线的辐射原理主要依赖于螺旋的电流分布。

当高频电流在螺旋上流动时，会产生一个向外扩散的磁场，从而形成辐射。

由于螺旋的等角特性，电流在整个螺旋上均匀分布，使得天线在宽频带内具有稳定的辐射方向图和阻抗特性。

平面等角螺旋天线的特点在于其宽频带性能和易共形性。

通过改变螺旋的匝数和辐射元的尺寸，可以覆盖较宽的频率范围，同时保持稳定的阻抗特性和辐射方向图。

在设计时，需要考虑的主要参数包括辐射元的尺寸、螺旋的匝数、介质基板的厚度和相对介电常数等。

巴伦是一种用于将不平衡的信号转换为平衡的信号，或反之亦然的平衡转换器。

在天线设计中，巴伦被广泛应用于将天线的不平衡信号转换为平衡信号，以实现更好的辐射性能。

下面以常见的威尔金森巴伦为例，介绍其设计原理和特点。

威尔金森巴伦是一种经典的巴伦设计，它利用两个对称的线绕线圈来实现不平衡到平衡的转换。

在线绕线圈的中心连接不平衡信号源，在线绕线圈的两侧连接平衡信号端口。

通过调整线圈的匝数和半径，以及源阻抗和负载阻抗的匹配，可以实现信号的高效传输。

威尔金森巴伦的特点在于其宽带性能和高效传输。

通过调整线圈的匝数和半径，可以覆盖较宽的频率范围，同时保持高效传输。

在设计时，需要考虑的主要参数包括线圈的匝数和半径、源阻抗和负载阻抗的匹配等。

平面等角螺旋天线和巴伦是两种常用的天线和平衡转换器设计，具有广泛的应用场景。

2013年第06期，第46卷 通 信 技 术 Vol.46，No.06,2013 总第258期 Communications Technology No.258,Totally一种新颖的超宽带平面等角螺旋天线的设计罗 旺（电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 611731）【摘 要】分析了平面螺旋天线的研究方法，并设计了工作于2～12 GHz的新颖的超宽带平面等角螺旋天线，由天线的宽带特性指标和平衡结构特性，天线两臂的辐射部分设计了一种带环状贴片的天线辐射结构，使圆极化轴比带内小于3 dB，天线馈电部分设计了一种阻抗为指数渐变和梯形渐变相结合的双线形式微带线宽带巴伦，并可采用50 Ω同轴探针馈电，使带内反射系数小于-10 dB。

测试结果表明，馈电的微带巴伦和天线带环状的结构形式都表现出良好的宽频带和圆极化特性。

【关键词】宽带巴伦；平面等角螺旋天线；圆极化轴比；反射系数【中图分类号】TN822 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2013)06-0012-03 Design of A Novel Ultra-wideband Planar Equiangular Spiral AntennaLUO Wang(College of Physical Electronics, ESTUC, Sichuan Chengdu 611731, China)【Abstract】The planar spiral antenna research methods are analyzed, and the planar equiangular spiral antenna working in 2～12 GHz novel ultra-wideband is designed. For the balanced structure and broadband characteristics of the antenna, a belt-ring stickers antenna radiating structure for the antenna radiation part is designed, so that the circular polarization axis is less than 3dB than the band, while a two-form microstrip line broadband balun combining the impedance index gradient and trapezoidal grodient is designed for the antenna feed part, and 50Ω coaxial probe feed may also be adopted, so that the reflection coefficient could be less than -10dB band. The measurement results indicate that both the antenna and the balun exhibit good circular polarization and broad-band property.【Key words】broadband balun; planar equiangular spiral antenna; circular polarization axial ratio; reflection coefficient0 引言平面螺旋天线是一种比较常见的超宽带天线，它本身属于非频变天线系列。

一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计夏成刚（华南理工大学电子与信息学院）摘要：本文设计了一种双臂平面等角螺旋天线，工作频率0.4-2GHz。

根据天线的平衡结构和宽带特性，设计了一种微带梯形结构的巴伦，以便采用50Ω同轴电缆馈电。

仿真计算结果显示天线及巴伦具有良好的圆极化及宽带特性。

关键词：螺旋天线；巴伦；设计Design of A Planar Equiangular Spiral Antenna and the Balun XIA cheng-gang（School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology）Abstract: In this paper，We designed a double-armed planar equianguar spiral antenna and fed by 50 ohm coaxial-cable ,it works at 0.4-2GHz.To match the balance structure an the wideband character of the antenna,its balun is microstrip line-parallel wire which is exponentially trapezia type。

Simulator results show that the proposed antenna is of good circular polarization and wideband characteristics.Key words: Spiral Antenna ，Balun，Design1 引言平面等角螺旋天线是一种宽频带天线，具有频带宽、尺寸小、重量轻、加工方便等优点，容易实现圆极化等优点，因而在超宽带及RFID等领域得以广泛应用。

等角螺旋天线仿真分析Abstract:本文基于等角螺旋天线的基本原理，利用电磁让真软件HFSS构建并仿真分析了一个基本的等角螺旋天线。

通过仿真结果，得到了一个频带为442MHz~929MHz，频带内S参数小于-10dB的天线，并分别给出450MHz，670MHz，900MHz处的E、H面方向图。

关于结果的分析也列于最后。

1.引言螺旋天线属于非频变天线，具有可观的带宽比，通常都具有圆极化特性，半功率带宽一般约为70°~90°。

由于螺旋天线具有体积小，宽带宽的特性，因而广泛应用于国防，遥感等方面。

螺旋天线阵列还用于1~18GHz的军用飞行器方面。

2.天线设计本文仿真的等角螺旋天线如图1所示，可由4个公式表示定义每个支臂的内外半径r1=r0e aφ(1)r2=r0e a(φ-δ)(2)r2=r0e a(φ-π)(3)r2=r0e a(φ-π-δ)(4) 式中r0为φ=0时的矢径，a为一个常数，用于控制螺旋的张率。

用式(1)可以建立起图1所示的平面等角螺旋天线。

当δ=π/2时，图1所示的结构是自补的，在这种情况下，方向图对称性最好。

自补天线有如下特性：Z金属=Z空气=η/2=188.5Ω(5) 这就要求在HFSS中仿真的时候馈电对口阻抗大致设为188.5Ω。

等角螺旋天线工作频带的上限f u 由亏点结构决定，最小半径r0在馈电区的周长2πr0=λu=c/f u。

当然，螺旋在该店终止，连接到馈电传输线。

下限频率通过天线整体半径R来限制，使其约为f L的1/4波长。

实验发现半圈到三圈的螺旋对参数a和δ相对来说不敏感。

一圈半的螺旋约为最佳。

本文利用HFSS构建模型，并进行仿真分析。

构建的模型如图2所示。

仿真的天线最终选定参数如下：r0=27.5cm，a=0.27，n=0.92。

图1 平面等角螺旋天线几何模型图2 等角螺旋天线(a)斜视图(b)顶视图(c)侧视图3.仿真分析3.1 S参数图3所示为S参数仿真结果，由图可以看出，从442MHz~929MHz处，S参数都低于-10dB，说明此等角螺旋天线在次带宽内为通带。

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1旋转角δρ1=ρ0eaφ，边缘2相对于a(φ−δ)ρ=ρe20，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ρ3=ρ0ea(φ−π)和ρ4=ρ0ea(φ−δ−π)。

图中的结构是自补形，因而δ=π/2。

自补形平面等角螺旋天线两臂的四条边缘曲线为：⎧ρ1=ρ0eaφ⎪π⎪ρ=ρea(φ−2⎪2 (1) 0⎨a(φ−π)⎪ρ3=ρ0e⎪πa(φ−π−)2⎪⎩ρ4=ρ0e- 74 - Ansoft2004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。

螺旋天线综述1 引言螺旋天线(helical antenna)是用导电性良好的的金属做成的具有螺旋形状的天线。

螺旋天线具有圆极化，波束宽度宽的优点，因此被广泛在卫星通讯，个人移动通信中。

同轴线馈电是螺旋天线的常用馈电方式，可以采用底馈或者顶馈，此时同轴线的内导线和螺旋线的一端相连接，外导线则和接地板（金属圆盘或矩形板状等）相接，螺旋线的另一端是处于自由状态。

螺旋天线既可用做反射镜或透镜的辐射器，也可用做单独的天线（由一个或几个螺旋线组成）。

2 螺旋天线的发展螺旋天线的辐射能力是美国科学家 JohnD.Kraus于1947年在实验中发现的，自此之后，螺旋天线以其在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗和在同样的频带上按“超增益”端射阵的波瓣图工作特点很快在各领域得到了广泛的应用。

许多学者对螺旋天线的辐射特性进行了研究，给出了螺旋天线辐射设计多经验公式。

20世纪70年代，苏联科学家尤尔采夫和鲁诺夫对各种形式的螺旋天线进行了比较系统的理论分析和设计研究。

此后各国学者进行了这方面的研究，延伸出了很多变种，尤其是四臂螺旋天线因其高增益，方向性好，圆极化的特点，得到了深入的发展和实际应用，如图1所示。

2008年弗吉尼亚大学的Warren Stutzman教授制成了一种六臂螺旋天线，如图2所示。

天线实现了几乎最优化的UWB性能，通过采用围绕一个金属中心核而卷绕的臂来维持与臂之间相对不变的距离，几乎完整的利用了天线罩内的整个三维空间。

该天线具有10:1的瞬间带宽，它可以被用于频域、多带宽、多信道应用以及时域或脉冲应用。

在低成本的应用中，该设计可以被蚀刻在天线罩的内部，或由曲线或曲管构建。

图1 图23 螺旋天线的分类及特性螺旋天线可分为立体螺旋天线(helical antenna)和平面螺旋天线（spiral antenna）。

立体螺旋天线根据绕成的形状的不同，又可分成圆柱形螺旋天线、圆锥形螺旋天线等等。

圆锥形螺旋天线又称为盘旋螺线型天线，可同时在两个频率工作。

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）。

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&gt;or&lt;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)&lt;r&lt;+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]. 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等角螺旋天线的工作原理
等角螺旋天线是一种常用于无线通信系统中的天线类型，它的
工作原理可以从几个方面来解释。

首先，等角螺旋天线利用了螺旋线的特性来实现辐射和接收电
磁波。

螺旋线是一种具有连续螺旋形状的导体，它可以有效地辐射
和接收电磁波。

当电流通过螺旋线时，会在天线上产生磁场和电场，这些场的相互作用导致电磁波的辐射。

其次，等角螺旋天线的辐射特性与其几何结构有关。

等角螺旋
天线的螺旋线圈数相等，且每个螺旋线圈的圈数和间距相等，使得
天线具有旋转对称性。

这种几何结构使得等角螺旋天线在辐射方向
上具有均匀的辐射特性，即在水平和垂直方向上具有相似的辐射图案。

这种均匀的辐射特性使得天线能够在各个方向上均匀地辐射和
接收电磁波。

此外，等角螺旋天线还具有极化特性。

极化是指电磁波的电场
振动方向。

等角螺旋天线通常被设计为具有圆极化特性，即电场振
动方向在水平和垂直方向上均匀分布。

这种圆极化特性使得天线能
够适应不同极化方式的信号，提高信号的接收和传输效果。

总的来说，等角螺旋天线利用螺旋线的特性实现电磁波的辐射和接收。

其几何结构使得天线具有均匀的辐射特性和圆极化特性，从而提高了天线在无线通信系统中的性能和适用性。

加载电磁带隙结构的平切圆锥等角螺旋天线刘宁川;李浩;李家胤【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2011(23)11【摘要】The paper proposes a conformal equiangular spiral antenna on the circularly truncated cone with electromagnetic band-gapstructure(EAS-EBG antenna), which shows wideband characteristics with respect to the gain. Firstly, a conformal equiangular spiral antenna on the circularly truncated cone(EAS antenna) is modeled and analyzed by using the professional software HFSS. Next, the EAS-EBG antenna is studied, which inserts a small area of electromagnetic band-gap(EBG) structure into the circularly truncated cone to remain conformal and increase gain. The simulation shows that the antenna gain increases about 1 to 3 dB within the frequency range from 5 to 12 GHz and the axial ratio remains almost unchanged.%加载电磁带隙的平切圆锥等角螺旋(EAS-EBG)天线可以在很宽的频带范围内提高辐射增益.建立了平切等角螺旋锥体(EAS)天线的基本模型,并用HFSS 对其进行了仿真.研究了一种加载电磁带隙结构的平切圆锥等角螺旋锥体天线.该天线是在保持原平切等角螺旋锥体天线外形不变的情况下,加载了小型化的电磁带隙结构,以提高增益并保持共形化.仿真结果表明:加载电磁带隙结构的模型增益在5～12 GHz带宽下可以提高1～3 dB,并且轴比特性基本不变.【总页数】4页(P3103-3106)【作者】刘宁川;李浩;李家胤【作者单位】电子科技大学物理电子学院,成都610054;电子科技大学物理电子学院,成都610054;电子科技大学物理电子学院,成都610054【正文语种】中文【中图分类】TN806【相关文献】1.某圆锥等角螺旋天线的制造技术 [J], 章英琴2.加载电磁带隙结构的低剖面等角螺旋天线 [J], 刘宁川;李浩;李家胤3.新型缝隙加载平面等角螺旋天线分析与设计 [J], 纪建红;仵大奎4.关于圆锥曲线切线的等角性质 [J], 沈兴灿5.圆锥曲线双切线一个等角性质的探究历程 [J], 邹生书因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。