第五讲-1 螺旋天线
一种宽带螺旋天线的设计
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
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
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
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。
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
螺旋天线仿真设计微波课设
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。
螺旋天线的仿真设计
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。
天线原理与设计—第四章环天线螺旋天线
4.2 螺旋天线
轴向模式的螺旋天线
电流沿整个螺旋天线近似为行波分布
4.2 螺旋天线
轴向模式的螺旋天线
A 到 D四部分的垂直分量为同相，水平分量相互抵消，因此辐射场为垂直（y）
向极化，四分之周期后，辐射场变为水平极化，因此，轴向模式螺旋天线的辐 射场具有圆极化特性
4.2 螺旋天线
轴向模式螺旋天线的工作特性
工作频带较宽，输入阻 抗近似为纯电阻
辐射场在轴向方向为圆 极化
4.2 螺旋天线
轴向模式螺旋天线的辐射方向图
(J. D. Kraus: Antenna)
4.2 螺旋天线
轴向模式螺旋天线的主瓣宽度与圈数和周长关系
4.2 螺旋天线
轴向模式螺旋天线的增益与圈数和周长的关系
4.2 螺旋天线
轴向模式螺旋天线的应用：卫星通信
问题：怎么保证环上电流均匀同相
4.1 环天线
环天线的辐射电阻
周长10λ的圆环的辐 射电阻大约为6000������
4.1 环天线
方向性系数D
4.2 螺旋天线
螺旋天线由美国俄亥俄州立大学 教授J. D. Kraus 1947年首先提出。
4.2 螺旋天线
4.2 螺旋天线
法向模式的螺旋天线
尺寸远小于波长，可近似认为电流 振幅和相位沿全长都是同相的。 一圈螺旋可近似为小电流环和电偶 极子的叠加。 对于法模螺旋天线，由于D<<λ, 辐射近似为垂直极化波。
四、环天线、螺旋天线
4.1环天线
电小环辐射场
a<<λ
4.1环天线
电偶极子和小电流环
方向图与电流源形状一 致，极化相位正交
4.1 环天线
对于一定尺寸的环，假 设环上电流均匀同相， 根据矢量磁位，可以算 出远场