等角螺旋天线
微带线-槽线馈电缝隙等角螺旋天线设计
现了 １ ： ６ ． ４的电压驻波 比带 宽，天 线增 益大于 ４ ｄ Ｂ，良好 的圆极化 与方 向图特性 。平面化、一体化 的馈 电方式与低
剖 面 反射 腔有 效 降低 了 缝 隙 等 角 螺 旋 天 线 剖 面 ，测 试 结 果 验 证 了该 文 所 提 出 的微 带 线一 槽 线 巴伦 馈 电缝 隙等 角 螺 旋
ｆ ｅ ｄ ｂ ｙ ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｐ ｔ ｏ ｓ ｌ ｏ ｔ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｎ ｄ ｂ ａ ｃ ｋ ｅ ｄ ｂ ｙ ａ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ｙ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｉ ｓ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｐ ｔ ｏ ｓ ｌ ｏ ｔ ｌ ｉ ｎ ｅ Ｂ ａ ｌ ｕ ｎ（ ｕ ｎ ｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ｔ ｏ
微带线一 槽线馈 电缝 隙等 角螺旋 天线设计
方庆 园① 金 铭 宋 立众② 韩 勇②
２ ６ ４ ２ ０ ９ ）
乔 晓林
ｆ 哈 尔滨工业大学电子与信 息工程 学院 哈 尔滨
１ ５ ０ ０ ０ １ ）
（ 哈 尔滨工业 大学（ 威海） 威海
摘
要 ：被动 雷达 导引头为探测 与跟 踪 目标可采用宽带等角螺旋天线 ， 针对 降低等角 螺旋 天线 剖面 ，该文提 出一种
低剖 面背腔式微带线一 槽线馈 电缝 隙等角螺旋天线 。微 带线一 槽线 巴伦 （ Ｂ ａ ｌ ｕ ｎ ） 中渐变微带线将 同轴 线激 励的不平衡 电场最终转化 为槽线处平衡 电场 。实测结果表 明，该缝隙等角螺旋天线实现 了 １ ： ９ 的 电压驻波 Ｌ Ｌ （ Ｖ Ｓ ＷＲ ） 带宽， 良
天线 设计方法 的有效性 。 关键词 ：宽带天线 ；被动雷达导 引头 ；缝 隙等 角螺旋天线 ；微 带线一 槽线 巴伦
利用HFSS设计平面等角螺旋天线
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
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。
一种新颖的超宽带平面等角螺旋天线的设计
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
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。
FEKO_Suite_5.5_平面螺旋天线
关于建模的几点注意事项
• • 在CadFeko中建立螺旋模型时是采用螺旋图标 通过分段的形式来建立的. 在0到90度之间分成6段来建立螺旋轮廓线，r1与r2两条螺旋轮廓线围成螺旋天线的 第一条臂，其中r2=r1*e(a*pi/2), 因为a是常数(=ln(2)/pi=0.221),所以e(a*pi/2)也是 常数，那么就可以把螺旋线r1通过CadFeko中的Scale功能(通过点击图标来调用该 功能 )来得到另外一条螺旋轮廓线r2, 在接下来我们建立模型时，我们会定义 变量Ks= e(a*pi/2) 在该工程文件中其实我们只需要做一条螺旋母线，其他的螺旋轮廓线都可以通过 CadFeko的旋转与缩放功能来实现，在上边我简单解释了一下r2是把r1缩放Ks倍得 到的。同样对于r1曲线，我们做了0到pi/12内的一条螺旋母线，对于pi/12到 2*pi/12周期的螺旋线可以把0到pi/12内的螺旋母线先通过旋转deg（dphi）度 （dphi=pi/12），然后再缩放s（=ea*dphi）倍来得到.(大家仔细分析一下下边给出 的公式就明白其原因)
选中螺旋helix_2按住ctrl+k进行复制 点击键盘F2把新复制的螺旋更名为helix_8 选中螺旋helix_8点击缩放图标 对该螺旋 进行同比缩放Ks倍
* phi的单位是弧度，利用deg函数把弧度转换成度
建立几何模型(Create Model)(续)
• 选中螺旋helix_2与helix_8点击图标 • • 来形成一个由曲线helix_2与 helix_8围成的面 • 选中螺旋helix_1按住ctrl+k进行复制 点击键盘F2把新复制的螺旋更名为helix_3 选中螺旋helix_3点击旋转图标 使螺旋 helix_3以（0，0，0）为中心沿z轴旋转deg （2*dphi）度
利用HFSS设计平面等角螺旋天线概要
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。
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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。
偏离450MHz~900MHz的原因，与馈电处的结构（r0主要决定天线的高频），天线的张角和天线的圈数（a和n控制天线的外径，外径主要决定天线的低频）都有关系。
图3 S参数仿真结果
3.2 方向图
图4、5、6分别为天线在450MHz，670MHz，900MHz处，E面和H面的方向图。
由三图可以看出，等角螺旋天线在通带内，天线都是双向轴向辐射，具有良好的方向图不变性，即非频变特性。
由方向图看，天线的整体增益不理想，产生原因与馈电的关系较大，利用HFSS仿真是，端口阻抗设置为188.5Ω，这只是个理论值，实际的测试结果与此出入，可能使得天线的匹配欠佳，所以造成天线的增益下降。
图4 450MHz处方向图
图5 670MHz处方向图
图6 900MHz处方向图
3.3 轴比
图7所示为天线的轴比随频率变化特性。
由图可以看出，天线的轴比在442MHz~929MHz大致小于5dB。
可以看出，天线的圆极化特性差强人意，具体原因不清楚，可能跟馈电的结构和仿真采用的算法有关。
快速法求解速度快，精度欠佳，离散法求解精度高，但耗时太多。
图7 轴比随频率变化的仿真结果
4.总结
本文先对等角螺旋天线进行了理论分析，得出了其单臂的相应表达式。
接着在仿真软件HFSS中建模并仿真。
经过结构优化，最终得到了在442MHz~929MHz内S参数小于-10dB，轴比小于-5dB的天线。
并给出了3个频点上的方向图。
另外，还针对每个图的结果分析了其存在的问题及可能的原因。
由各结果可以看出，天线具有非频变特性的同时还具有较好的圆极化特性。