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简述阿基米德螺旋天线的工作原理(一)简述阿基米德螺旋天线的工作引言阿基米德螺旋天线是一种常用于通信与雷达应用中的天线设计。
它以古希腊数学家阿基米德的名字命名，因为其形状类似于阿基米德螺线。
本文将从浅入深地解释阿基米德螺旋天线的工作原理及其应用。
1. 阿基米德螺旋天线的定义阿基米德螺旋天线是一种空心的金属螺旋线圈。
它通常是由导体制成，例如铜导线或印刷电路板。
阿基米德螺旋天线的形状是一个螺旋状结构，其中导线按照螺旋线的规律布置。
2. 工作原理阿基米德螺旋天线的工作原理基于电磁辐射和接收的原理。
当电流通过螺旋线圈时，会在空间中产生电磁场，并以无线电波的形式辐射出去。
同时，当无线电波传播到天线附近的时候，阿基米德螺旋天线也能够将其接收并转换成电流。
下面通过以下几点来解释阿基米德螺旋天线的工作原理：•螺旋结构：阿基米德螺旋天线的螺旋结构决定了它在接收和发射无线电波时的特性。
螺旋线圈的电流按照一个规律布置，使得电磁波能够以一种螺旋的形式在空间中传播。
•构造设计：阿基米德螺旋天线的导线长度、半径、线宽和螺旋的方向都会对其工作特性产生影响。
合理的设计可以使得天线在特定的频率范围内具有较好的工作性能。
•辐射和接收：当电流通过螺旋线圈时，会在空间中产生电磁场，并以无线电波的形式辐射出去。
这些电磁波可以穿过空间传播，达到通信或雷达的目标。
同时，当无线电波传播到螺旋线圈附近时，阿基米德螺旋天线会感应到电磁波的电场和磁场，并将其转换成电流。
3. 应用领域阿基米德螺旋天线在通信和雷达领域有广泛的应用，其中包括但不限于以下几个方面：•通信系统：阿基米德螺旋天线常被用作无线通信系统的发射和接收天线。
其特殊的辐射和接收特性使得其可以在特定频率范围内具有较高的增益和方向性。
•雷达系统：阿基米德螺旋天线也被广泛应用于雷达系统中。
通过根据雷达工作频率设计合适的螺旋结构，可以实现在特定方向上的辐射和接收，从而提高雷达系统的性能。
•天线阵列：多个阿基米德螺旋天线可以组成天线阵列，用于形成波束和进行方位解析。
简述阿基米德螺旋天线的工作原理阿基米德螺旋天线是一种常用于无线通信和雷达系统中的天线类型，其工作原理基于电磁辐射和螺旋结构。
阿基米德螺旋天线由一个或多个螺旋线圈组成，每个螺旋线圈都呈螺旋状并且沿着中心轴线延伸。
螺旋线圈的形状类似于立体空间中的螺线，因此得名“阿基米德螺旋”。
当阿基米德螺旋天线接收或发射信号时，电流通过螺旋线圈并形成电磁场。
这个电磁场由两个部分组成：一个是绕着螺旋线圈的主要磁场，另一个是沿着螺旋线圈轴向的辐射场。
在接收模式下，当入射的电磁波与天线接触时，它会诱导出一个微弱的电流在螺旋线圈中流动。
这个电流通过接收器进行放大和处理，最终被转化为可用的信号。
在发射模式下，通过向螺旋线圈输入电流，电磁场会随着电流的变化而发生变化。
这样，螺旋线圈就会辐射出电磁波，将信号传播到空间中。
阿基米德螺旋天线的优点之一是它具有宽带特性，能够在较大的频率范围内工作。
此外，由于其螺旋形状和构造简单，使得它在
制造和安装上相对容易。
总结来说，阿基米德螺旋天线通过螺旋线圈的电磁辐射和接收来实现对信号的传输和接收。
其独特的结构和工作原理使其成为一种常用的天线类型，广泛应用于通信和雷达系统中。
宽带平面螺旋天线的研究与设计
宽带平面螺旋天线的研究与设计
1．1 天线辐射元的设计
阿基米德螺旋天线是一种自互补天线，即天线臂宽与间隔相等。
对于自互补结构的天线，由巴俾涅原理知其输入阻抗为60πΩ。
如微带衬底介电常数为εr，则输入阻抗选择普通基板εr=4．6，基片厚度h=1 mm，这样天线的输入阻抗约为Z0=112．6Ω。
天线外圈周长必须大于1．25倍λmax，馈电点间距必须小于λmin／4。
1．2 背腔设计
要获得单向辐射，需要用到反射腔，也可以在背腔内填充吸波材料，考虑到增益，本文腔体内部不填充吸波材料，而直接采用λ／4扼流套作为背腔。
其基本结构如图2所示，在同轴线外部加上一个长度为λ／4的金属套，底端与同轴线外皮短接，该金属套与同轴线的外导体构成一个特性阻抗为Zc的新同轴线L，且终端短路。
易知，终端短路的λ／4长的同轴线有开路效应即从L顶端向下看去，特性阻抗为Zc的同轴线的输入阻抗为无穷大，也就是说如果在该段传输线上有电压电流分布，则最顶端为电压腹点，电流节点，从而这种结构有一定的扼流作用。
阿基米德螺旋天线的工作原理
阿基米德螺旋天线是一种常用于无线电通信领域的天线，其工作原理基于电磁波的旋转极化特性。
电磁波是一种横波，其电场和磁场垂直于传播方向。
而在阿基米德螺旋天线中，天线的金属导线以螺旋的方式绕着天线轴线旋转，形成了一种螺旋形状的天线结构。
当电磁波通过这种螺旋结构时，由于螺旋结构的旋转，电场和磁场的方向都会随着时间而改变，从而形成了电磁波的旋转极化。
这种旋转极化的特性让阿基米德螺旋天线可以在接收和发射非极化电磁波时有着很好的效果。
在接收方面，由于自然界中存在着各种不同方向的电磁波，而这些电磁波的极化方向是随机的，因此使用阿基米德螺旋天线可以同时接收到各种方向的电磁波，大大提高了接收的灵敏度。
而在发射方面，阿基米德螺旋天线的旋转极化能够使发送的电磁波在传播过程中保持较好的极化状态，从而提高了信号的稳定性和传输距离。
除了旋转极化特性外，阿基米德螺旋天线还有着其他优点。
例如，它可以实现较宽的工作频率范围，因为其结构不会因频率变化而导致阻抗不匹配；同时，它的结构相对简单，制作成本较低。
需要注意的是，阿基米德螺旋天线的性能也受到一些因素的影响。
例如，天线的直径、螺旋密度、螺旋方向等都会对其特性产生影响。
因此，在实际设计和应用中需要根据具体情况进行优化。
阿基米德螺旋天线以其旋转极化的特性和其他优点，在无线电通信领域中得到了广泛的应用。
在今后的发展中，它有望进一步提高性能，满足更加复杂和高要求的应用场景。
阿基米德螺旋天线的工作原理
阿基米德螺旋天线是一种特殊形状的天线，它可以用于接收和发射无线电波。
其工作原理基于阿基米德螺线的几何特性。
阿基米德螺旋天线由一个金属丝缠绕成螺旋状，每个螺旋周期包含多个等距的圈。
这些圈的直径和间距决定了天线的工作频率。
当无线电波通过阿基米德螺旋天线时，它会在每个螺旋周期中发生相位移动。
这种相位移动的结果是，信号在天线上不同位置的元素上到达的时间略有不同。
由于相位移动的存在，阿基米德螺旋天线能够实现波束赋形和空间极化多样性。
通过调整天线的形状和参数，可以使得天线在特定方向上增强信号的接收或发射。
阿基米德螺旋天线在通信系统、雷达系统和卫星通信等领域得到广泛应用。
由于其独特的工作原理和优越的性能，它能够提供高增益、低副瓣和可调节的极化特性。
01传统的阿基米德螺旋天线平面阿基米德螺旋天线自20世纪50年代被特纳（Edwin Turner）提出以来，由于其低剖面、不受工作频带限制、圆极化等特点，被普遍应用在通信方面，其曲线方程为式中：r为螺旋天线的半径；r0为螺旋天线的初始半径；a为螺旋增长率；φ为幅角。
由式（1）可知，螺旋的半径随角度的变化均匀增加。
图1 a)为双臂阿基米德螺旋天线，另一臂的方程为图1 平面双臂阿基米德螺旋天线及其原理Fig.1 Planar two-arm Archimedean spiral antenna and its schematicdiagram图1 b)表示双臂阿基米德螺旋天线的原理，在天线两臂中心的起始端施加相位差为180°的馈电方式，A和A′代表λ/π直径两端电流正向相反的电流元，经半圈后（弧长AA′约为λ/π）又使A、A′有180°的相位差，最终达到同相辐射的效果。
在另一臂上的B点电流元到原点的距离与A 点电流元到原点的距离相等，并且两者方向相同，因此两者同相；同理可知，B′点电流元与A′点电流元不仅同向也同相。
因此，这张传统天线的主要辐射区域是围绕在可以称之为有效辐射带的周长近似等于波长λ的螺旋环带上。
主辐射区域会伴随着频率的变化发生相应的变动，但是其方向图基本是维持不变的。
对于平面阿基米德螺旋天线而言，其螺旋导线的内径2r0对天线的最高工作频率和阻抗匹配有着影响，一般取为式中：λh为最短工作波长。
螺旋导线的外径2r M取决于最长工作波长，一般取周长为式中：λl为复合天线输入阻抗带宽的最低工作频率下的波长。
由式（4）可知，平面阿基米德螺旋天线的工作频率越低，λl越大，螺旋导线的外径2r M越大，从而造成天线的尺寸过大，这与GIS局部放电特高频检测对天线小型化的诉求是背道而驰的。
螺旋增长率a为通常螺旋增长率a的取值为0.12~1.20，a的取值大小代表着螺旋导线的曲率半径的大小，两者呈现正比关系。
正弦函数加载阿基米德螺旋天线的设计徐海鹏;申强强;承浩宇【摘要】阿基米德螺旋天线是一种超宽频带天线,广泛应用于通信导航等领域.采用正弦函数加载方式对传统阿基米德螺旋天线进行了小型化设计.仿真结果表明,天线口面面积减小了30％,天线仍具有较好的驻波、增益等特性.【期刊名称】《雷达与对抗》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】3页(P27-29)【关键词】螺旋天线;正弦函数;小型化【作者】徐海鹏;申强强;承浩宇【作者单位】中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153;中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153;中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153【正文语种】中文【中图分类】TN823.31阿基米德螺旋天线是一种频率无关天线[1-3],其有效辐射区随着频率而变化。
因此,在宽频带范围内天线的输入阻抗变化小。
该天线双向辐射电磁波,在整个频带内波宽很宽,波束宽度一般介于50°～110°。
理论上,阿基米德螺旋天线辐射圆极化波,但由于幅度、相位误差,实际天线的工作状态为椭圆极化。
随着现代技术的发展,对天线的尺寸限制越来越高,希望天线的尺寸尽可能小,同时天线仍然能实现较好的电性能。
阿基米德螺旋天线的直径正比于工作频带的下限,目前主要用于实现天线小型化的方法是将天线的两臂加载曲线函数[4-5],以增加天线在低频端的实际绕行的电长度。
本文设计了一种正弦函数加载的曲折臂阿基米德螺旋天线,天线的工作频带达到5个倍频程。
文中应用HFSS软件仿真分析,并对比了传统阿基米德螺旋辐射器及正弦函数加载的阿基米德螺旋辐射器的电性能,设计了指数渐变的宽频带平衡结构微带巴伦,给出了整体的小型化的阿基米德螺旋天线仿真结果。
仿真结果表明,虽然天线口面面积减小了30%,天线仍然具有较好的电性能。
阿基米德螺旋天线的两条螺旋臂从内向外按阿基米德螺旋线结构展开,同时使螺旋臂的宽度与两条螺旋臂之间的缝隙宽度相等,则能形成自补结构。
阿基米德螺线曲率半径摘要：I.引言- 简要介绍阿基米德螺线II.阿基米德螺线的定义和性质- 定义阿基米德螺线- 描述阿基米德螺线的性质III.阿基米德螺线的曲率半径- 定义曲率半径- 计算阿基米德螺线的曲率半径IV.阿基米德螺线在实际应用中的例子- 介绍阿基米德螺线在实际应用中的例子V.结论- 总结阿基米德螺线和曲率半径的重要性正文：I.引言阿基米德螺线，又称等速螺线，是一种数学曲线。
它具有独特的性质和广泛的应用，本文将介绍阿基米德螺线的定义、性质以及曲率半径的计算方法，并探讨其在实际应用中的例子。
II.阿基米德螺线的定义和性质阿基米德螺线是一个点P 在以恒定速度绕一个固定点O 旋转的同时，沿着一条射线以恒定速度移动的轨迹。
阿基米德螺线的极坐标方程为：raxacosyasin其中，a 表示螺线的参数。
阿基米德螺线具有以下性质：1.螺线上的每个点都围绕一个固定的点O 旋转，且其角速度相同。
2.螺线上的每个点的切线都与一个固定的方向平行。
3.螺线是无限延伸的。
III.阿基米德螺线的曲率半径曲率半径是描述曲线弯曲程度的一个参数。
对于阿基米德螺线，其曲率半径的计算公式为：R1/K[a(1)3/2]其中，R1 表示螺线的曲率半径，K 表示曲率常数，a 表示螺线的参数。
IV.阿基米德螺线在实际应用中的例子阿基米德螺线在实际应用中有着广泛的应用，例如：1.反射板阿基米德螺旋天线：阿基米德螺线可用作反射板阿基米德螺旋天线的形状，以实现特定的电磁波传播特性。
2.传动系统：阿基米德螺线可应用于传动系统，实现恒定的角速度和线速度传递。
V.结论阿基米德螺线是一种具有独特性质的数学曲线，其曲率半径的计算方法以及广泛的应用表明了其在数学和实际应用中的重要性。
阿基米德螺旋天线小型化研究电子与信息技术研究院：田塽指导教师：宋朝晖摘要：本论文介绍的是利用一种特殊的曲折臂方法对阿基米德螺旋天线进行小型化，并且通过在天线的末端加载一个圆环来改善天线的圆极化特性。
首先利用CST Microwave-studio软件对设计的小型化天线及超宽带馈电巴伦（balun）进行计算机仿真；之后，根据仿真结果，加工最佳结构的天线与巴伦，并进行了测量。
测量结果表明本课题对天线小型化的整体分析与设计是合理、有效的。
关键词：阿基米德螺旋天线；超宽带巴伦；天线小型化Abstract：This paper introduces a special zigzag-arm method for the miniaturization of the conventional Archimedean spiral antenna and improves the circular polarization characteristic of the miniaturization Archimedean spiral antenna by adding a loop on the back of printed circuit board which the antenna in etched on. Firstly, a great deal of simulation of the miniaturization antenna and balun is made using CST（Microwave-studio）software. Then, according to the simulated results, we process the embodiment with the optimum parameters and test it. The experimental results verify the effectiveness of this antenna design.Key words：Archimedean spiral antenna ultra wide-band balun antenna miniaturization1引言阿基米德螺旋：一动点沿一直线作等速移动的同时，该直线又绕线上一点O作等角速度旋转时，动点所走的轨迹就是阿基米德涡线。
直线旋转一周时，动点在直线上移动的距离称为导程用字母S表示。
超宽带（Ultra Wide Band, UWB）天线技术是超宽带雷达和导弹制导系统中的关键技术之一。
应用超宽带天线制导的导弹将具有很强的信号接收能力和抗干扰能力，从而可以达到精确制导的军事目的。
因此，发展超宽带天线技术具有极其重要的军事意义和现实意义。
阿基米德平面螺旋天线，作为超宽带天线的一种形式，可以做得尺寸很小，也较轻，而且可以齐平安装，属于低轮廓天线，因此在最近的二十多年里，阿基米德平面螺旋天线得到了飞速的发展，不仅在雷达、导弹制导等军事领域得到广泛应用，同时也在民用领域发挥巨大作用，如它可以同时为GSM系统和卫星通讯系统提供服务。
本课题的研究和设计任务就是寻找一种能够使传统的阿基米德螺旋天线小型化的方法[1]。
2适合课题要求的天线及巴伦的设计2.1 天线的设计根据本设计的技术指标和实际要求，本文提出的设计思想是采用曲折臂的方法对阿基米德螺旋天线进行小型化设计。
为了使小型化以后的天线的带宽、增益、轴比和半功率角宽度都能达到设计指标，要经过各种天线模型与天线参数的调整，再通过CST软件进行计算机仿真，根据合适的结果进行实际的设计、制作和测试。
首先利用CST仿真软件建模并仿真了传统的阿基米德螺旋天线，天线结构如图2-1所示。
由于本课题所要设计的天线的工作频率范围为0.8GHz—4GHz，由此得外径R =75mm，内径r =9.375mm。
经过对大量小型化天线模型的仿真，最后选择了如图2-2所示的曲折臂阿基米德螺旋天线的结构（其中黑色为金属良导体，即天线臂；蓝色为聚四氟乙烯敷铜板，厚2.5mm，介电常数2.32）。
小型化之后的外径为R=64mm，即缩小了近15%。
图2-1 标准天线图2-2 小型化天线如文献[2]所述，为了进一步改善高频段工作特性，小型化螺旋天线的内径改为3mm，两馈电点之间距离为4mm，因为根据实验得到的结论，当螺旋内径等于螺旋宽度时可以在高频段得到较好的VSWR。
另外，根据实际的制作材料限制，天线的输入阻抗不能大于170Ω，因此这里采用改变螺旋臂宽度的方法来调节天线输入阻抗。
理论上，螺旋臂越宽阻抗值越低。
将小型化天线的内部三圈改为3mm宽的螺旋臂，两臂之间的间隙为3mm，构成三圈标准的自补型阿基米德螺旋天线，这样高频段的阻抗为190Ω左右；从第四圈开始将臂曲折化，开始半圈的臂宽为2mm，之后过渡到外部的一圈半曲折臂，臂宽1mm，这样做既可以使臂宽逐渐由宽变细，不至于产生突变，也能够使输入阻抗在中频段和低频段的阻抗值分别为150Ω和120Ω左右。
这样可以使此小型化天线在以170Ω馈电的情况下，VSWR≤1.5。
但是，由于此小型化天线的外径缩小了，即最外圈的物理长度缩小了，电长度也随之缩小，而螺旋的外部各圈恰恰是低频段对应的有效辐射区，所以小型化之后，根据仿真结果，对天线的低频段工作特性有一些影响，尤其是对低频段轴比的影响较大，以f=0.8GHz为例，小型化之后，与标准天线相比，轴比变差了2dB。
经过大量的设计与仿真，找到了一种在天线的末端加载一圆环的方法，来改善低频段的轴比。
如图2-3所示，便是在正面敷有天线的介质板背面的一个金属圆环（黑色为金属圆环）。
通过改变内、外径的参数并进行仿真，得到最佳圆环的外径为64mm，与天线外径相同；最佳的内径为60mm，其对应的圆周略大于下限工作频率0.8GHz对应波长。
图2-3 介质板背面圆环图2-4 轴比对比（f=0.8GHz）由图2-4可见，在低频端（f=0.8GHz），小型化天线的轴比优于标准天线近4dB，使轴比得到很大改善。
对于圆环所起到的作用，可能有以下两个方面：1. 耦合。
由于天线末端电流与圆环之间的耦合，圆环内部的电流产生了与螺旋天线圆极化方向相同的电磁波，进而补偿了天线远场的圆极化辐射波。
2. 相当于负载电阻。
在文献[15]和[18]中都提到，在螺旋末端产生的反射波所辐射的圆极化波的方向与入射波相反，它严重的影响了入射波的远场极化特性。
因此为了避免电流在螺旋最外层的边沿上反射，通常在螺旋线的末端接吸收电阻或吸收负载，这样螺旋线上只载有行波电流，它产生的是圆极化波。
另外，为了在一个很宽的频带范围内得到良好的阻抗匹配，也应该将吸收电阻放在下限工作频率对应的有效辐射区的外面，以吸收反射波。
根据CST仿真结果，圆环的最佳内径为60mm，其对应的圆周长恰好略大于下限工作频率0.8GHz对应的有效辐射区。
在许多文献中都提到，通过在螺旋线末端加负载电阻吸收反射波的方法可以改善VSWR和极化特性，但是会降低天线增益。
从CST仿真结果可以看到，背面加圆环以后的小型化天线的增益略微有一些下降。
至此，根据CST软件的方针结果，本文得到的小型化天线，增益3~6dB，半功率角大于60°，圆极化，在以170Ω馈电的情况下，VSWR≤1.5，各项指标均与工作在0.8GHz—4GHz频段上的标准阿基米德螺旋天线相同；而小型化天线的外径缩小了15%，由75mm缩小到64mm。
2.2 超宽带巴伦（balun）的设计本节涉及到的超宽带天线馈电网络设计主要包括两个方面的问题。
一方面，在设计馈电网络之初，考虑到系统带宽的要求和实际测试条件的需要，采用50Ω同轴线进行馈电。
同轴线是传统的超宽带、非平衡馈电形式，但是由于本文设计的曲折臂阿基米德螺旋天线需要进行等幅反相的平衡馈电，这就引入了馈电系统的非平衡-平衡转换问题。
另一方面，根据CST软件的仿真结果，本文设计的小型化天线的输入阻抗为170Ω，而实验测量采用的同轴馈电线特性阻抗为50Ω，这样就存在一个阻抗变换问题。
所以，本节介绍的巴伦设计，一是要进行非平衡-平衡馈电的转化，二是要实现阻抗变换。
根据以上设计目的和实际要求，本设计采用的是如文献[3]中所述的一种以渐变微带线过渡到平行双线为基本形式的设计思想，从微带线过渡到平行双线可以很好的进行非平衡-平衡馈电方式的转换，同时，又可以通过微带线宽度和双线宽度指数渐变来改变巴伦各点的特性阻抗，使得馈电同轴线阻抗与天线输入阻抗匹配。
设计的巴伦结构如下：始端是微带线结构，为同轴线馈电输入点，特性阻抗50Ω，采用微带线结构，根据介质厚度和介电常数等选择微带线结构参数。
微带线的微带部分和地板分别进行指数渐变，在经过适当的长度以后变成平行双线结构，两线分别接天线两条臂的馈电端，端点特性阻抗为170Ω，参数按照双线特性阻抗进行计算。
根据CST仿真结果选择最佳的巴伦结构参数如图2-5所示。
图2-5 指数渐变的微带线-双线巴伦示意图但是这样的设计使得巴伦纵向尺寸增大，天馈系统也就不满足小尺寸要求。
为了减小天线整体设计尺寸，我们采用圆环式的微带变换线，即将微带线沿着圆形环绕两周，使巴伦的长度不变甚至增长，基本结构参数并不发生变化。
变换线在圆环上任意一点的特性阻抗与巴伦为直线时一样，是按指数规律变化的，如图2-6和2-7所示。
图2-6 馈线微带条一侧图2-7 馈线地板一侧采用的这种环形结构，在中间部分向上弯曲与天线馈电点相接，从而降低了天线整体结构的高度，这里采用的高度H=50mm，即天线平面与馈线平面的距离。
3试验与测试本章根据第2章设计的天线及巴伦的尺寸制作了实物并利用网络分析仪对其进行了测量。
实物图片及测量结果示于下面各图。
图3-1 天线结构图 3-2馈线微带条一侧图3-3 馈线地板一侧图3-4 装配以后的馈线部分图3-5 装配以后的天馈系统图3-6测量结果应用网络分析仪对天线进行反射损耗测量，得到的结果如图3-6所示。
测量结果表明，VSWR在0.8GHz—4GHz之间小于3，符合设计指标要求。
特别是在中频段，VSWR能够小于2，而且低频段较高频段好一些。
但是VSWR并不都小于2，而天线与巴伦的VSWR仿真结果均小于1.5。
究其原因，可能有以下两点：1．由于在焊接平面渐变线巴伦与竖直的双线连接处时，有一些有棱角的焊点，产生了局部突变，对高频段的传输特性造成了一定影响；2．由于在测量时，天线平面与巴伦平面之间没有加入可以实现单向辐射的吸波材料，因此天线的后向辐射对平面巴伦的阻抗匹配造成了很大影响；同时，巴伦也会对天线产生一定的影响。
综上所述，如果能够改善这些不利因素，此天馈系统的测量结果应该能够满足实际应用的指标要求。
