利用HFSS设计平面等角螺旋天线概要
平面螺旋天线及宽带匹配网络的设计和仿真
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。
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。
画平面螺旋天线
画平面螺旋天线1.首先，画一个平面，以一个圆面为例吧2.然后，点击工具栏Draw/spiral，选择一个轴，这时弹出一个对话框，选择螺旋方向，半径，螺旋圈数3。
点击确定螺旋即可画好，然后在绕z轴旋转180度，可得双臂平面螺旋天线HFSS学习小结已经接触HFSS近两个月了，想用于材料电磁场屏蔽的设计和计算，不知是否可行，now have followed the example _heat sink in the chapter 9.0 _ EMC/EMI in full book 10.0 成功的做出了个结果，现在把看到别人的、自己知道的做一下总结：The main process : building 3D solid modeling; set boundaries and excitations ; analyze the result Before we build the modeling, we should think about what kind of method we use, there are three kinds of solution type: driven model; driven terminal; eigenmode 模式驱动(Driven)------计算以模式为基础的S参数.根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩阵的解,波导,天线等用这个模式多终端驱动(Driven Terminal)------计算以终端为基础的多导体传输线端口的S参数。
此时,根据传输线终端的电压和电流表示S参数矩阵的解----微带类用这个比较多! 本征模(Eignemode)-----计算某一结构的本征模式或谐振.本征模解算器可以求出该结构的谐振频率以及这些谐振频率下的场模式! Eignemode solver does not use ports and don’t support radiation boundaries. After launching the software, we should set tool options, included HFSS option and 3D modeler option Select the menu itemtool >option we can see those options Software will open a project by default First step is select solution type HFSS>solution type Set the units 3D modeler>units 单位可以在其它状态下改变3D modeler包括了与模型有关的操作和设置Set default material 在set 一次后的情况下其后建立的modeler 都是在此material 下的在default 的情况下history 的列表中按材料的种类进行分类建立模型过程中使用相对坐标会很方便，3D modeler>coordinate system > create> relative CS >Offset , 在建模过程中可能要使用很多相对坐标，在set相对坐标的时候，offset是相对于当前CS的位移，在3D Modeler>coordinate system>set working CS 可以选择使某个坐标为当前工作坐标，在history 的coordinate system 的列表中显示所有的坐标系，当前工作坐标将有个W的标记。
HFSS天线设计
球坐标系下：
er 1 1 H A
re rA
re 0
r sin e 0
r sin e r 2 H sin
0
电场强度：
1 0 r 2 sin r Ar
er 1 1 1 E H j 0 j 0 r 2 sin r 0
结论：辐射强度是角度的函数，与距离无关。
方向性系数：
方向性系数D是指在远场区的某一球面上天线的辐射强度与平均 辐射强度之比，即：
D , U , U0
其中U0为平均辐射强度。
注意：通常所说的方向性系数指的是最大辐射方向上的方向性系 数,即：
D U max U0
效率：
基本天线结构
天线的定义： 发射和接收电磁波的无线电设备，是无线通信系统中的重要 一环，其性能直接影响通信系统的品质。 天线辐射原理图：
电基本振子的辐射场
实际应用中复杂的天线都是由电基本振子组成的，电基本振子的辐射 特性是复杂天线辐射特性的基础。
电基本振子（电流源、电偶极子）：是一段 dl , a dl 高频电流直
E j E 0
内容提要
电基本振子的辐射场 天线的主要性能参数
方向图 辐射强度 方向性系数 效率 增益 输入阻抗 回波损耗
基本天线结构
方向图：
天线的辐射场在固定距离上 随球坐标系的角坐标（θ，ϕ） 分布的图形称为天线的辐射 方向图或辐射波瓣图，简称 方向图。 完整的天线方向图应该用如 所示的三维立体方向图表示， 但是由于三维空间立体方向 图绘制复杂，工程上常用主 瓣轴的剖面图来表示。
请在HFSS中构建以下图形
圆极化天线及天线小型化研究概要
西安电子科技大学硕士学位论文圆极化天线及天线小型化研究姓名：姚凌岳申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：谢拥军20100101摘要随着空间和通信技术的发展，圆极化天线以其具大的优势，在无线领域中发挥着重要作用。
线极化波容易在传输环境中发生极化偏转造成衰减，而圆极化波遇到障碍物会反向，因为直射波和反射波会有极化隔离，所以圆极化波具有很强的抗干扰能力和防雨雾能力，并且在民用和军用领域被广泛使用。
本文对圆极化天线的设计理论与实现方法进行了研究，主要分为平面螺旋天线和微带圆极化天线两部分。
第一部分设计了一个背腔阿基米德螺旋天线，其工作频率为１．４ＧＨｚ’２．５ＧＨｚ之间，天线直径和高度分别为１０４ｃｍ和５０ｃｍ。
通过在天线末端加入阻抗为１４０欧姆的短路片作为匹配负载，以及在介质上层表面加入金属环，可以更好的提高天线的轴比特性；第二部分以微带天线为理论基础，设计了一个双馈加载指线的圆极化贴片天线，分析了指形加载对天线性能的影ｎ向，并用ＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳ进行优化仿真。
结果与传统双馈天线相比，在相同Ｔｈｅｔａ的情况下，该形式的天线拥有更好的轴比和方向图特性。
关键词：圆极化；天线；小型化ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｍｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓｐａｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄａｎｔｅｎｎａｓｈａｖｅｇｒｅａｔａｄｖａｎｔａｇｅａｎｄｍａｋｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ．Ｌｉｎｅａｒｐｏｌａｒｉｚｅｄｗａｖｅｗｉｌｌｈａｖｅｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｉｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｂｒｉｎｇｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓ，ｂｕｔｔｈｅｐｏｌａｒｉｚｅｄｗａｖｅｗｉｌｌｒｅｔｕｒｎｗｈｅｎｉｔｍｅｅｔａｎｏｂｓｔａｃｌｅ，ｉｔａｌｓｏｈａｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｄｉｒｅｃｔｗａｖｅａｎｄｒｅｆｌｅｃｔｗａｖｅ，ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇａｎｄａｎｔｉ－ｍｉｓｔｙｒａｉｎａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｎｍｉｌｉｔａｒｙａｎｄｃｉｖｉｌｉａｎｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄａｎｔｅｎｎａｈａｓｂｅｅｎＩｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄａｌｒｅａｄｙ．ａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｃｏｕｔｅｍｃａｎｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｒｌｙａｎｔｅｎｎａｈａｖｅｂｅｅｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ，ｂｅｍａｉｎｌｙｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｔｗｏｐａｒｔｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｐｌａｎｅｓｐｉｒａｌｏｎｅａｎｔｅｎｎａａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄａｍｅｎｎａ．ＴｈｅｆｉｒｓｔｐａｒｔｉｓａｂｏｕｔｃａｒｉｎａｌｃａｖｉｔｙＡｒｃｈｉｍｅｄｅｓｓｐｉｒａｌａｎｔｅｎｎａ，ｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅｗｏｒｋｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆ１．４ＧＨｚｔｏ２．５ＧＨｚ，ｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ１０４ｃｍａｎｄｔｈｅｈｅｉｇｈｔｏｆ５０ｃｍ．Ｉｎｔｈｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｆ１４０Ｏｈｍｉｓａｄｄｅｄａｓａｎｔｅｎｎａ，ｏｎｅｓｈｏｒｔｅｄｆｌａｋｅ砸ｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｍｐｅｄａｎｃｅｍｅｔａｌｒｉｎｇｉｓｌａｉｄｏｎｔｈｅｍａｔｃｈｅｄｌｏａｄ；ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｏｎｅｔｈｅａｓｕｒｆａｃｅｏｆｍｅｄｉｕｍ，ｉｎｔｈｉｓｗａｙａｎｔｅｎｎａａｘｉａｌｒａｔｉｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＣａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｌｏｔ．Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｐａｒｔｉｎｂａｓｅｄｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｄｅｓｉｇｎｅｄａｃｉｒｃｕｌａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅ—ｆｅｄｆｉｎｇｅｒｌｏａｄ，ａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｎｔｅｎｎａｃａｐａｂｉｌｉｔｙｗｈｉｃｈｉｓｍａｄｅｂｙｆｉｎｇｅｒｌｏａｄ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＥＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ、析ｔｌｌＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳ，ｗｅｃａｎｃｏｎｃｌｕｄｅｔｈａｔｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｍｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｏｕｂｌｅ－ｆｅｄａａｎｔｅｎｎａ，ｐａｔｔｅｒｎ．ｉｎｔｈｅｓａｍｅＴｈｅｍ，ｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆａｎｔｅｎｎａｈａｓｂｅｔｔｅｒａｘｉａｌｒａｔｉｏａｎｄｒａｄｉａｔｉｏｎＫｅｙｗｏｒｄ：ＣｉｒｃｕｌａｒｌｙＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ；Ａｎｔｅｎｎａ；Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
螺旋天线初步仿真总结
螺旋天线初步仿真简介螺旋天线是现代通信领域中常用的一种天线。
与传统的线性天线相比，螺旋天线具有更广阔的频率范围和更强的极化适应性。
在实际应用中，螺旋天线可用于卫星通信、雷达、移动通信等领域。
本文将对螺旋天线进行初步仿真，并对仿真结果进行。
仿真工具在仿真螺旋天线时，我们使用了Ansoft HFSS这一电磁仿真工具。
该工具具有强大的电磁仿真能力，并且能够模拟多种复杂的天线结构。
天线结构螺旋天线的特殊结构可使其具有更广泛的频带和更稳定的性能。
螺旋天线通常由驻波耦合带、电感耦合框架和辐射器三部分组成。
其中，辐射器是螺旋天线中最重要的部分。
辐射器通常由导线或金属板制成。
在我们的仿真中，我们选择使用导线制作辐射器，并通过Ansoft HFSS进行建模。
仿真参数在进行螺旋天线的仿真时，我们需要设置一些关键参数。
下面是我们在仿真中所使用的参数：•驻波耦合带长度：3mm•电感耦合框架长度：2.5mm•螺旋天线直径：20mm•扭转距离：10mm•辐射器长度：40mm•频率范围：2GHz到4GHz•单元类型：tetrahedron仿真结果在仿真完整的螺旋天线结构之后，我们可以通过Ansoft HFSS获得一系列仿真结果。
下面是我们在仿真过程中得到的一些关键结果：•S11参数：通过S11参数，我们可以了解到螺旋天线的反射损耗。
在我们的仿真中，螺旋天线的S11参数在整个频率范围内均小于-30dB，表明螺旋天线的反射损耗较低。
•阻抗带宽：螺旋天线的阻抗带宽非常重要，它能够告诉我们螺旋天线在多大范围内能够保持正常工作。
在我们的仿真中，螺旋天线的阻抗带宽达到了500MHz，表明螺旋天线具有较广泛的工作频率范围。
•极化：螺旋天线具有左旋和右旋两种极化方式。
在我们的仿真中，螺旋天线的极化为右旋，符合我们预期的结果。
通过以上仿真结果，我们可以发现螺旋天线具有较好的阻抗带宽和反射损耗，适用于多种通信领域。
同时，在其他仿真参数固定的前提下，通过对辐射器长度等参数进行调整，我们可以进一步提高螺旋天线的性能。
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。
Ansoft HFSS在天线设计中的应用
微波电路 � � � � � 滤波器－腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器 电磁兼容（EMC）/电磁干涉（EMI）－电磁屏蔽、耦合、近/远场辐射 连接器－同轴、SFP/XFP、底板、转换器 波导－滤波器、谐振器、转换器、耦合器 半导体/GAAs－螺旋导体、变压器
�
信号完整性/调整数字电路 � � � � 封装－BGA、QFP、flip-chip PCB 板－功率/地板、网格地板、底板 连接器－SFP/XFP、VHDM、GBX、NexLev、同轴 转换器－Differential/Single-ended 过孔
7
Maxwell 方程有积分和差分两种形式，因此也各有算法相对应。矩量法（ MOM ）是求 解积分方程的一种算法， 它通过求得散射体上的电流从而推出整个空间的场， 因此它只需在 散射体上划分网格。而时域有限差分法（FDTD）和有限元是求解差分方程的算法。它们直 接求解整个空间的场从而得到整个空间的场。直接求解整个空间的场？Are you crazy?好吧， 我承认求解整个空间的场是不可能的， 但不代表这种算法只存在于想像中。 总有聪明的人想 出聪明的办法来，他们人为的在散射体周围放置一种吸收边界，类似于暗室的吸波材料， 来 波入射到上面就被吸收， 因此不会有反射干扰到吸收边界之内的场， 由求得的近场则可以推 得整个空间的场。 还有一个分支是图上没有表达出来的，那就是时域、频域之分。时域有限差分法顾名思 义是时域算法，与之类似的还有 CST 采用的有限积分法。而矩量法和有限元法则属于频域 算法。至于具体的原理就不多说了，我们只要知道时域算法适用于宽频带，而频域算法适用 于窄频带就好。 另外， 我们还要知道为什么这几种算法为什么称为低频算法。 称为低频算法并不意味只 能计算很低的频率。 这主要是因为这种算法假设工作波长远远大于结构体的尺寸， 所以在对 结构离散化的时候就不能忽略细节问题，是一种严格的分析方法。而与之对应的高频算法， 则是假设工作波长远远小于结构体的尺寸， 这样就可以在计算的时候做一些近似。 比如一个 球面上的散射问题，由于有上面的假设，则可以把球面的某个区域等效为一个平面来求解。 既然是讲 HFSS 的，那我们还是主要来了解一下有限元这种算法的几个主要术语吧。 � � FEM－finite element method 有限元; Element － 单 元 指 有 限 元 法 中 对 整 体 问 题 细 分 后 的 小 个 体 。 HFSS 中 采 用”tetrahedral”（四面体）elements; � Meshing－网格剖分，即对求解空间细分、然后定义所有四面体单元顶点位置的过 程。我们必须给予 HFSS 的自适应网格剖分技术充分的肯定。我认为在电磁仿真软 件中最重要的不是算法，而是网格剖分。模型易建，算法成熟，直接决定最后的计 算精度的是网格对模型离散化的效果。可以把网格看作模型和算法之间的桥梁， 它 使算法得以实用化，而不是只存在于文献中的大量让人头痛的公式。HFSS 初始网 格（将几何子分为四面体单元）的产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格 可以快速解计算并提供场解信息， 以区分出高场强或大梯度的场分布区域。 然后只 在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确
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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。
同轴线是传统的超宽带馈电线，具有良好的宽频带特性，但其馈电方式为非平衡馈电，所以需要增加相应的非平衡馈电到平衡馈电转换电路即巴伦的设计。
最常用的匹配方法为指数渐变线匹配。
与双曲线渐变线、抛物渐变线、贝塞尔渐变线及切比雪夫渐变线相比较，当1/λ<0.5时，指数线的反射系数是最小的，而且频带极宽[1]。
因此，本文选用指数渐变的微带线到平行双线作为平面等角螺旋天线的馈电电路。
如图3所示，巴伦由不平衡的微带结构逐渐过渡到平衡馈电的平行双线结构，其中接地板和微带线均采用指数渐变方式，在工作频带内由输入端的50Ω变为输出端的140Ω
指数线阻抗变换器是指传输方向按指数规律变化
的传输线，即 [2][3]。
Z0(z)=Z0(0)eaz
(2)
假定渐变线长为L，变阻比为R，即
图3 指数渐变的微带线-双线结构示意图 Z0(L)=RZ0(0) (3)
则 a=1lnRL (4)
当L选定后，随频率增高，波长愈短，反射系数总的趋势是越来越小。
反射系数模的最大值为
Γ(0)=λlnR
4πL (5)
Γ(0)max的条件下，可由上式确定指数线的长度因此，当阻抗变换比R为已知，在满足反射系数模不超过某一定值
L=λlnR
4πΓ0max (6)
2.3 反射腔
理论和实践证明，普通反射腔的侧壁对天线轴比和增益的影响较大，因此在设计时，在允许的尺寸范围内，应使腔体直径尽可能大。
对于普通的平面等角螺旋天线，多在腔体内添入微波吸收材料，这样做可显著提高天线的驻波比、带宽和轴比特性，但是，天线的效率却大大下降，因此决定不加微波吸收材料。
但这会使天线方向图带宽变窄。
由于天线的能量主要集中在主辐射区，当频率改变时，它的主辐射区直径也随之改变。
如果能够使反射波在任意频率点，它到达平面螺旋辐射器表面所经过的路径的长度都等于该频率波长的二分之一，那么该天线仍然满足宽频带特性
思路，我们设计了如图1所示天线结构中的异形反射腔。
异形反射腔体设计一般满足以下几点:
⑴顶端直径d处的周长等于其所对应频率点的主辐射区的周长。
在这里，取为最高工作频率点的波长；
⑵顶端直径d处到平面螺旋辐射器表面的距离h等于其所对应频率点波长的四分之一。
在这里，取为最高工作频率点波长的四分之一；
⑶底端直径D处的周长的取值同⑴，在这里取为最低工作频率点的波长；
⑷底端到平面螺旋辐射器表面的距离的取值H同⑵，在这里取为最低工作频率点波长的四分之一。
[4]。
按照这种
3. 仿真结果
利用ANSOFT HFSS在0.4GHz～3GHz频率范围内对天线模型进行三维电磁场仿真。
在整个频率范围内，增益
Gain>5dB。
其中f=1.5GHz的远场方向图如图4所示。
最大增益约为7dB，半功率波瓣宽度为80°。
天线的电压驻波比曲线如图5所示。
⒋结论
图4 天线远场方向图f=1.5GHz
利用ANSOFT HFSS软件可以很方便的对天线进行建模仿真。
同时HFSS是一套具有高度的精确性和可靠性的微波CAD软件。
借助于它，可以缩短我们的设计时间，提高工作效率。
图5 电压驻波比曲线
参考文献：
[1] 顾瑞龙, 沈民谊. 微波技术与天线[M]. 北京: 国防工业出版社, 1980
[2] Hofer D, Tripp V. K. A low-profile broadband balun feed [J]. Antennas and Propagation Society International Symposium, AP-S. Digest, 1993, 1 (1): 458-461 [3] 宋朝辉等. 一种平面等角螺旋天线及宽频带巴伦的研究[J]. 制导与引信,2003(6): 36-39
[4] 李连辉. 自补型阿基米德平面螺旋天线的设计与分析[J]. 遥测遥控, 2003(7): 31-36。