螺旋天线的仿真设计微波课设.

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。

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。

国科大螺旋天线课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解螺旋天线的结构特点、工作原理及在通信领域中的应用。

2. 学生能掌握螺旋天线的相关公式，并运用其计算天线参数。

3. 学生能了解我国在螺旋天线研究及应用的现状和发展趋势。

技能目标：1. 学生具备运用所学知识分析和解决实际螺旋天线问题的能力。

2. 学生能够设计简单的螺旋天线，并进行性能评估。

3. 学生通过动手实践，提高团队协作和沟通表达能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对天线技术及通信领域的兴趣，激发其探索精神。

2. 增强学生的国家自豪感，认识到我国在螺旋天线领域的重要地位。

3. 培养学生严谨的科学态度，使其具备良好的学术道德。

本课程针对国科大相关年级学生，结合课程性质、学生特点和教学要求，明确以上课程目标，旨在帮助学生掌握螺旋天线的相关知识，提高实践能力，培养创新精神和团队协作意识，为我国通信领域的发展贡献人才。

二、教学内容1. 螺旋天线的基本概念：介绍螺旋天线的定义、分类及其结构特点。

- 教材章节：第二章第一节- 内容列举：螺旋天线结构、轴向螺旋天线、圆极化螺旋天线等。

2. 螺旋天线的工作原理：讲解螺旋天线的辐射机制、阻抗特性等。

- 教材章节：第二章第二节- 内容列举：辐射原理、阻抗匹配、驻波比等。

3. 螺旋天线的应用：分析螺旋天线在通信、导航、遥感等领域的应用。

- 教材章节：第二章第三节- 内容列举：卫星通信、无线充电、物联网等。

4. 螺旋天线的设计与计算：教授螺旋天线的设计方法、相关公式及其计算步骤。

- 教材章节：第二章第四节- 内容列举：天线参数计算、电磁仿真、优化设计等。

5. 螺旋天线实例分析：通过具体案例，分析螺旋天线在实际应用中的性能与优缺点。

- 教材章节：第二章第五节- 内容列举：案例解析、性能评估、改进措施等。

6. 螺旋天线在我国的发展现状与趋势：介绍我国在螺旋天线领域的研究成果及发展前景。

- 教材章节：第二章第六节- 内容列举：国内外研究现状、技术发展趋势、政策支持等。

本科课程设计报告课程名称：微波技术与天线设计项目：设计二：八木天线的仿真设计设计二、八木天线的仿真设计一、八木天线简介八木天线又称引向天线，是上个世纪二十年代，日本东北大学的八木秀次和宇田太郎两人发明的。

八木天线通常由一个有源振子、一个反射器及若干个引向器构成，反射器与引向器都是无源振子，所有振子都排列在一个平面内且相互平行。

它们的中点都固定在一根金属杆上，除了有源振子馈电点必须与金属杆绝缘外，无源振子则都与金属杆短路连接。

因为金属杆与各个振子垂直，所以金属杆上不感应电流，也不参与辐射。

引向器天线的最大辐射方向在垂直于各个振子且由有源振子指向引向器的方向，所以它是一种端射式天线阵。

均匀六元八木天线示意图如下：图1 六元八木天线示意图八木天线的优点是结构简单、馈电方便、重量轻、便于转动，并有一定的增益。

缺点是颇带窄，增益不够高，因此常排成阵列使用。

它在超短波和微波波段应用广泛。

图2 九单元数字电视八木天线二、八木天线工作原理有源振子被馈电后，向空间辐射电磁波，使无源振子中产生感应电流，从而也产生辐射。

改变无源振子的长度及其与有源振子之间的距离，无源振子上感应电流的幅度和相位也随之变化，从而影响有源振子的方向图。

若无源振子与有源振子之间的距离小于1/4波长，无源振子比有源振子短时，整个电磁波能量将在无源振子方向增强；无源振子比有源振子长时，将在无源振子方向减弱。

比有源振子稍长一点的称反射器，它在有源振子的一侧，起着削弱从这个方向传来的电波或从本天线发射去的电波的作用；比有源振子略短的称引向器，它位于有源振子的另一侧，它能增强从这一侧方向发射出去的电波。

通常反射器的长度比有源振子长4~5%，而引向器可以有多个，第1~4个引向器的长度通常比有源振子顺序递减2~5%。

引向器的长度相同、间距相等的八木天线称为均匀引向八木天线，其特点是天线的主瓣窄，方向系数大，整个频带内增益均匀。

而当八木天线各个引向器的长度不同，间距亦不相等时叫做非均匀引向八木天线，其特点是天线的主瓣较宽，方向系数较少，工作频带内增益不均匀，但工作频带较宽。

螺旋天线的仿真设计微波课设要点一、背景介绍螺旋天线是一种常用于微波通信和雷达系统中的天线。

它具有频带宽度大、辐射效率高、阻抗匹配良好、天线尺寸小等优点，是目前最为流行的微波天线类型之一。

因此，针对螺旋天线的仿真设计是非常有研究价值的。

在微波课设中，螺旋天线的仿真设计是一个非常重要的环节。

本文将介绍关于螺旋天线仿真设计的一些注意要点，旨在为微波课设中的学生提供帮助和指导。

二、仿真工具的选择对于螺旋天线的仿真设计，目前主要使用的工具有以下几个：1.Ansoft HFSS2.CST Microwave Studio3.FEKO针对这些工具的选择，主要需考虑仿真精度、仿真速度以及使用难度等因素。

以本文为例，我们选择使用 Ansoft HFSS 作为仿真工具。

三、螺旋天线的基本结构螺旋天线具有较为复杂的结构，主要包括螺距、半径、匝数、导线宽度和间距等参数。

其中，螺距和半径是影响天线辐射特性的重要参数。

螺旋天线的形式化表达式为：Z = A * exp(-j * b * p) * cos(p) + A * exp(j * b * p) * sin(p)其中，A 为天线辐射功率，b 为螺距，p 为方位角。

四、天线参数的建模针对螺旋天线的建模，我们可以使用不同的建模方法，如等效电路模型、仿真模型等。

在 Ansoft HFSS 中，我们可以使用 3D 宏模型进行建模。

在建模过程中，需要输入天线参数，并进行优化和调整。

这包括调整半径和螺距等参数，以实现更好的辐射效果和阻抗匹配。

五、天线仿真分析螺旋天线的仿真分析主要包括以下几个方面：1.带宽特性分析2.辐射特性分析3.阻抗匹配分析在分析过程中，需要对仿真结果进行分析和优化，以达到预期的结果。

同时，还需要根据仿真结果进行天线参数调整，使之达到更好的性能。

六、仿真结果分析与优化在仿真分析完成后，需要对仿真结果进行分析和优化。

这包括调整天线参数、优化辐射效果等。

具体来说，我们需要根据分析结果，对螺距和半径等参数进行调整，以实现更好的辐射效果和阻抗匹配。

基于HFSS的微带天线仿真设计1 概述目前，在许多应用场合（如移动通信手机中）都需要体积小、重量轻的小型接收天线。

微带贴片天线代表一系列的小型天线，以其剖面低、重量轻的优点而成为人们的首选。

通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。

另外，通过应用曲线拟合公式，也可以确定50Ohm输入阻抗所需的精确嵌入长度。

馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。

微带天线可以由同轴探针或嵌入的微带线来馈电，同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高增益微带阵列天线。

在一个薄的介质基板上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用刻蚀地方法做出各种形状的贴片，利用微带或者同轴对贴片进行馈电，这就是最基本的微带贴片天线。

它在导体贴片和接地板之间激励起电磁场，并通过贴片与接地板的缝隙向外辐射。

天线分析的基础问题是求解天线周围空间建立的电磁场，进而得出方向图增益和输入阻抗等特性指标。

如下图1，图2所示。

图1 矩形微带天线开路段电场结构图2 场分布侧面图2 天线基础天线的性能直接影响着整个无线通信的性能，一般来说，表征天线性能的主要参数有方向特性、增益、输入阻抗、驻波比、极化特性等。

2.1 天线的极化方式所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。

根据极化方向可分为垂直极化波和水平极化波。

(1) 水平极化波：当电场强度方向平行于地面形成的波。

由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减。

(2) 垂直极化波：当电场强度方向垂直于地面形成的波。

垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。

2.2 天线的增益天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。

一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。

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。