第五讲-1 螺旋天线
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一种宽带螺旋天线的设计朱珊虹;董卫鹏;张琳江【摘要】A spiral antenna with bandwidth is introduced. An external feeding is applied to an elevated coplanar waveguide winding spiral antenna. The whole structure is completely planar and can be easily realized by printed cir-cuit technology. Simulated and experimented results show that the antenna has characteristics of good circular polari-zation and wide bandwidth. Its measured reflecting loss is less than -10 dB in the range 2.5 GHz to 9 GHz.%提出了一种宽带螺旋平面天线的设计。
采用共平面波导的方式绕成天线,该方法使得天线和馈电网络在同一平面上,可以利用印刷电路板技术制作。
通过软件仿真和实际测试显示:该天线具有良好的圆极化和宽频带特性,在频段2.5 GHz~9 GHz上实测反射损耗小于-10 dB。
该天线制作简单、平面化面积小、具有很高的应用价值。
【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P742-745)【关键词】阿基米德螺旋天线;共平面波导;宽带天线;电磁仿真软件【作者】朱珊虹;董卫鹏;张琳江【作者单位】新乡学院计算机与信息工程学院,河南新乡453000;新乡学院计算机与信息工程学院,河南新乡453000;新乡学院计算机与信息工程学院,河南新乡453000【正文语种】中文【中图分类】TN823.31螺旋天线理论自上世纪40年代被提出来后,由于其超宽的频带、稳定的增益和较低的轴比,得到了广泛的应用[1]。
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。
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。
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。
专业班级设计名称螺旋天线的仿真设计学生姓名课程名称设计周数 1.5 周指导教师微波技术与天线课程设计太原理工大学现代科技学院课程设计任务书设计任务主要设计参数设计内容设计要求主要参照资料1熟习 HFSS 仿真平台的使用2熟习圆极化天线的工作原理与设计方法3在 HFSS 平台上达成以下螺旋天线的仿真设计中心频次 f=4GHZ ,λ =75mm;螺旋导体的半径d=0.15 λ=11.25mm;螺旋线导线的半径a=0.5mm;螺距λ =18.75mm;圈数N=3;轴向长度l=Ns;4联合同组其余同学的设计结果达成关于该天线构造参数与性能之间关系的商讨5在 1.5 周内达成设计任务:分组、任务分派、任务理解:查阅参照资料,理论上熟习所设计的器件的工作原理与特征,达成方案的设计:熟习仿真平台的使用,达成在平台上的建模,设置,结果提取与剖析,以及查收。
:同组同学结果汇总及议论7.3~7.4 :设计说明书的撰写在设计过程中,作为设计小构成员,每位同学要拥有团队意识和合作精神,并最后独立达成自己的设计任务。
刘学观,微波技术与天线,西安电子科技大学电第一版社,2008.顾继慧,微波技术,科学第一版社,2007.李明洋, HFSS 应用设计详解,人民邮电第一版社,2010.指导教师署名:日期:专业班级学号姓名成绩⋯⋯⋯⋯一、设计题目⋯⋯螺旋天线的仿真设计⋯⋯二、设计目的⋯⋯(1)熟习 Ansoft HFSS 软件的使用。
⋯⋯(2)学会螺旋天线的仿真设计方法。
⋯⋯装(3)达成螺旋天线的仿真设计,并查察S 参数以及场散布。
⋯⋯三、实验原理⋯⋯螺旋天线( helical antenna )是一种拥有螺旋形状的天线。
它由导电性能优秀的金属螺旋线⋯⋯构成,往常用同轴线馈电,同轴线的心线和螺旋线的一端相连结,同轴线的外导体则和接地⋯⋯⋯的金属网(或板)相连结,该版即为接地板。
螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长相关。
当⋯⋯螺旋线的圆周长比一个波长小好多时,辐射最强的方向垂直于螺旋轴;当螺旋线圆周长为一⋯⋯个波长的数目级时,最强辐射出此刻螺旋旋轴方向上。
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。
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 螺旋天线是一种最常用的典型的圆极化天线。本设计就是基于螺旋天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上,设计一个右手圆极化螺旋天线,其工作频率为4GHz,分析其远区辐射场特性以及S曲线。其图形如图1: 螺旋天线通常用同轴线馈电,螺旋天线的一端与同轴线的内导体相连,他的另一端处于自由状态。
图1、螺旋天线示意图 本设计参数为:中心频率 f=4GHz,75mm; 螺旋导体的半径 0.1511.25dmm; 螺旋线导线的半径 0.5amm; 螺距 0.215smm; 圈数 7N; 轴向长度 lNs; 在HFSS建立的模型中,关键是画出螺旋线模型,画螺旋线,现在只说明 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, 模型单位设置为mm。螺旋线的创建如下: 在菜单键点击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。输入圆的半径dX:0.5,dY:0,dZ:0;按回车键结束输入。在特性(Porperties)窗口中将Axis改为Y。点击确认。在历史操作树中点击Circle,选中它,在菜单键点击Draw>Helix,在右下角的输入栏中输入X:0,Y:0,Z:-7.5按回车键结束输入;在右下角的尺寸输入栏中输入dX:0,dY:0,dZ:100;按回车键;在弹出的Helix窗口中Turn Direction:Right Hand;Pitch:15(单位为
2d mm);Tuns:7;Radius Change Per Turn:0。点击OK,在特性(Porperty)窗口中选择Attributr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。 在菜单键点击Draw> Cylider,创建圆柱模型。在坐标输入栏中输入圆柱中心点的坐标: X:11.25,Y:0,Z:0按回车键结束输入。在坐标输入栏中输入圆柱半径: dX:0.5,dY:0, dZ:0按回车键结束输入。在坐标输入栏中输入圆柱的长度:dX:0, dY:0, dZ:-3按回车键结束输入。在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字修改为ring;点击确定。为了把Helix和ring连接起来,创建球体Sphere1,在菜单键点击Draw>Sphere,输入球体中心坐标:X:11.25,Y:0,Z:0;按回车键结束;再输入球体的半径dx:0.5,dY:0,dZ:0;在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字修改为Sphere1。将Helix、ring、和Sphere结合起来,在菜单栏中点击Edit>Select>By Name,在弹出的窗口中利用Ctrl 键选择ring,Helix和Sphere。在菜单栏中点击3D Modeler>Boolean>Unite。点击OK按钮结束设置。形成的模型如图2
一种超宽带平面螺旋天线的设计与研究作者:曾嘉诚来源:《科学与财富》2020年第19期摘要:平面螺旋天线具有宽频带、小体积、易共形等特性,因此广泛应用在电子对抗领域。
文章设计了一种低剖面高增益的超宽带平面螺旋天线,该天线能够工作在1-40GHz的频段内。
用一种经指数切削的同轴馈电巴伦对天线进行馈电,满足了天线的馈电平衡和阻抗匹配,同时通过在天线背面加载异型反射腔提高天线的正向增益。
经一系列的仿真优化,其结果表明天线具有良好的宽频带特性、较大的功率容量和较好的圆极化特性。
关键词:平面螺旋天线;宽带;巴伦;反射腔现如今电子信息技术已经得到了蓬勃的发展,电子技术也已广泛应用在军事领域中,几乎所有的现代化武器系统都已实现了信息化。
在日益复杂的电磁环境下,电子对抗技术也就变得更加重要[1-3]。
在上世纪50年代,Rumsey等人提出了频率无关天线的概念,这类天线的电性能参数在相当宽的频带范围内保持不变或变化很小。
频率无关天线也称为非频变天线,根据Rumsey原理,其结构只与角度有关,这也表示天线的尺寸可以无限大[4-6]。
实际运用中,因尺寸限制往往要求天线在某点处截断时,天线性能不受影响或可忽略不计,即需满足截断原则。
平面螺旋天线作为一类经典的非频变天线,在电子对抗技术已得到了广泛的使用,如预警机的雷达[7]。
1平面螺旋天线设计本文设计的是双臂阿基米德螺旋天线,其结构在极坐标下可用如下方程表示:式中r0表示天线的起始半径;α为增长率;为角度;为起始方位角,本文中分别设置为0和π。
事实上阿基米德螺旋天线并不完全满足Rumsey原理,不是一个真正的非频变天线。
下面根据阿基米德螺旋天线的辐射机理,解释其为什么拥有很宽的频带。
阿基米德螺旋天线存在一个辐射激活区,远区场的辐射主要依赖于这一激活区,激活区外所产生的场几乎对远区辐射场没有影响。
在周长为一个波长的区域附近,两臂上的电流几乎同向所产生的辐射场在螺旋平面法向方向上相互叠加产生强辐射,这一区域就是辐射激活区。