一种低剖面平面螺旋天线的设计

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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。

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。

螺旋天线的设计与制作

螺旋天线的设计及制作

尺寸说明: 一、盒体部分

盒体部分提供了螺旋线天线的后向辐射电磁波的反射作用，可进一步提高天线的性能。盒体为空心长方体，其中，底X 宽=0.375π0λ╳0.375π0λ,盒体高=2

1底或宽。二、螺旋天线部分

天线的绕制：由于要实现左旋圆极化，其绕制的方法也是以左手合拳形式，进行绕制即可。螺旋线的直径=0λ/π，节距（线圈之间距离）=0.2250λ,线圈的周长等于波长。

0λ为工作中心频点处的真空波长。

三、天线的性能

当螺旋线绕制18圈时，其增益在17dBi ，半功率角在27°左右，当圈数增加时增益增加，半功率角减小。机械性能也很坚固。

四、加工时的选材及注意事项

盒体部分可以用镀锌板等金属体焊制即可，铜为首选，厚度在0.75---1mm 之间。螺旋线用0.75---1mm 的铜丝时行绕制。与接头连接部分预留一小段，在组装时与接头进行焊接。注意的是螺旋线与金属盒一定不能有接触。并且，螺旋的中轴线与底板的中心点重合。在绕制螺旋线时，由于膨胀因素，尺寸可能达不到要求。

在进行实验时，可以把螺旋线的圈数作的多一些，到时可以

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。

一种新型的低剖面阿基米德螺旋天线

第30卷　第3期2009年9月

制　导　与　引　信GU I DANC E &F UZE

Vol.30No.3

Sep.2009

文章编号:167120576(2009)0320028204

一种新型的低剖面阿基米德螺旋天线

李伟忠,　杨　刚

(中国人民解放军海军驻上海地区航天系统军事代表室,上海200090)

摘　要:采用光子晶体取代传统金属反射腔作为反射面,设计了一种新型的低剖面阿基米德螺旋天线,运用Ansoft H FSS 软件进行仿真计算,仿真结果与实验数据吻合,在有效的工

作带宽内,该类天线的性能得到了改善,并介绍了扩展该类天线工作带宽的两种方法。

关键词:螺旋天线;光子;晶体;周期结构;频率选择性中图分类号:TN823.31 文献标识码:A

A N ew Low Pr of ile A r chimedean Spiral Antenna

L I Wei 2z hon g ,　YA N G Gan g

(The Navy of Milit ary Representat ive Office i n SAST of PLA ,Shanghai 200090,Chi na ) Abst ract :A new low profil e Archi medea n spi ral antenna i s st udied i n which PB G st r uc 2t ure replace s conventional metallic cavi t y as a reflect or t o get unidirectional beam.Through si mul at io n by Ansof t H FSS and experi ment s ,t he si mulat ion resul t and experime nt data are in concor dance.The antenna performance i s i mproved i n t he effect ive operational f requency band.Two met hods of increasing t he bandwidt h of t he combi ned low profile spi ral ant enna and PB G st ruct ure are al so int roduced.

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。

平面螺旋天线的设计与实现

第１９卷增刊电波科学学报Ｖ０１．１９，Ｓｕｐ．２００４年１０月ＣＨＩＮＥｓＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＤＩＯＳＣＩＥＮＣＥＯｃｔｏｂｅｒ，２００４

陈小娟袁乃昌

（国防科技大学微波中心，湖南长沙４１００７３）

摘要平面阿基米德螺旋天线具有极宽的工作频带，但匹配平衡电路的宽频带实

现则较难，尤其是在加反射腔以使其单向辐射时。在倍频程范围内，仿真并实际制作

关键词。柩幕狰螺旋天线，巴仑，反射腔出了单向辐射的平面螺旋天线，给出了设计参数值，仿真结果及实测结果。

、．————————∥ｔ，

１引言使其结构缩比到无限小。因此对高端频率有所限

制。但是，若用一根平衡馈线从平面螺旋中心馈电，

阿基米德螺旋天线［１］是一种宽频带天线，因其那么馈电点附近，由大小相等方向相反的电流产生结构紧凑，尺寸小，重量轻而得以广泛应用。图１所的辐射场在远区互相抵消，在螺旋的周长接近一个示为一两臂阿基米德螺旋天线，如果两臂等幅反相波长时有最大辐射。由文献［４］知周长为Ａ的圆环馈电，可在宽频带内获得双向的圆极化辐射，并且在上的行波电流将辐射圆极化波，因此，在周长为

一个很宽的频带内天线的输入阻抗不变，在天线平面的波长附近的区域，形成平面螺旋的主要辐射区。当上方为右旋圆极化，下方为左旋圆极化，在天线背部频率变化时，主要辐射区随之变动，方向图基本不加一反射腔则可得一单向圆极化辐射的天线。变。因此，天线具有宽频带工作特性。对应最低频

率天线要有１．２５２。．。，对最高频率，由馈电点间隔尺

寸决定，其间隔必须小于Ａ旆／４。

为了避免电流在螺旋最外层的边沿上反射，通

低剖面端射天线的研究

垂直极化的低剖面端射天线在机载、舰载和车载等通信和雷达系统中具有广阔的应用前景。本论文对端射天线的剖面压缩和带宽展宽等理论和技术进行了深入系统的研究,具体研究工作如下:1.提出了顶盘加载折合单极子的等效电路和顶盘加载(折合)螺旋天线结构:研究了顶盘加载单极子和顶盘加载折合单极子的输入阻抗特性,分析了顶盘和短路金属柱对单极子的影响,提出了顶盘加载折合单极子的等效电路,较好地描述了其谐振特性。提出了一个新的顶盘加载(折合)法向模螺旋天线结构,对其输入阻抗和远场辐射特性进行了研究。

对两类天线进行对比分析,总结出各自特点。2.用顶盘加载(折合)单极子组成准八木结构实现低剖面端射:提出了一个新的低剖面顶盘加载单极子准八木天线结构,采用一个顶盘加载折合单极子作为激励单元和一个接地的顶盘加载单极子作为寄生单元。通过对该结构的参数进行优化设计,可获得较宽的阻抗带宽和较高前后比。

设计并研制了一个五单元准八木天线,其剖面仅有0.033λL(λL为最低工作频率对应的自由空间波长),仿真和测试结果表明其阻抗带宽为20.5%,前后比为10dB,增益可达6.6dBi。3.用顶盘加载(折合)螺旋组成准八木结构实现平面低剖面端射:提出了一个基于介质板的新型低剖面平面螺旋准八木天线结构,并采用该天线和微带结构Butler矩阵成功实现了多波束端射天线,其剖面高度仅为0.054λL。4.用顶盘加载单极子组成对数周期阵列实现宽带低剖面端射:针对单极子对数周期天线剖面高度难以降低的问题,提出了用顶盘加载单极子作为阵列单元的方案,通过不同加载量实现各单元高度一致。

一种大功率平面螺旋天线的设计

第３２卷第４期
２０１３年ｌ２月
通
信
对
抗
Ｖ０Ｉ．３２Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２０１３
ＵＲＥＳＣ０ＭＭＵＮＩＣＡＴｌ０ＮＣ０ＵＮＴＥＲＭＥＡＳ
一
种大功率平面螺旋天线的设计
徐风清，王玉峰，何志国，崔景波
ｉｎｇｔｈｅｃｈｏｏｓｉｎｇｏｆｎｔａｅｎｎａｏｒｆｍａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ．Ｓｅｖｅｒａｌａｐｐｒｏａｃｈｅｓａｒｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｐｏｗｅｒｅｎ－
的线宽，提升了天线的功率容量；通过合理设计天线螺旋角、腔体高度，提高了天线的增益；利用外锥式
渐变线馈电实现了天线的平衡馈电及阻抗匹配。对背腔式平面螺旋天线各参数进行了综合优化设计，研制出了具有大功率、低剖面、宽频带、高增益等特点的平面螺旋天线实物样机。测量结果表明，研制出的天线在２：１的工作频带内可以承受２００Ｗ功率，并且具有良好的阻抗和辐射特性。关键词：背腔平面螺旋天线；大功率；宽频带；低剖面

一种宽频带小型化低剖面天线的设计

2021年11期科技创新与应用

Technology Innovation and Application设计创新一种宽频带小型化低剖面天线的设计

陈鹏宇，候宇通，王满仓

（上海航空机械有限公司，上海201314）

引言

近年来随着电子科学技术的不断发展，无线通信技术也随着发展浪潮不断进步。从手机通信基站到飞机、车、船、导弹、卫星等各种载体上，搭载了种类繁多的通讯天线和设备。随之而来的设备间的相互影响，固定空间下设备的排布等问题也变得十分突出和棘手。

设备向着小型化，多功能化发展，天线也需要适应其发展，特别是在超短波频段，其波长较长，相应的天线尺寸也很大，这对整个载体的天线布局带来极大的难度。而且因天线尺寸很大，对高速运动的载体的气动外形影响也很大，极大限制了其运用环境。因此，迫切的需要在缩小天线尺寸的同时对天线的宽带化进行研究，目的是使用小型化的天线覆盖更宽的频段。

1天线的设计

传统倒锥台形式的天线也称锥形单极子天线，是一种常见的宽带天线形式，其锥顶可以是平的，也可以是其他形状，通过调节锥角（锥角通常使用范围为60°~100°）可以使其阻抗曲线在很宽的频带内保持稳定，实现宽带特性。天线的工作带宽只和其尺寸相关，故也称为频率无关天线。但是其较大的体积并不适应现在天线发展中的小型化要求。本章研究的主要内容即以锥形单极子天线为基础，进行小型化设计。

图1给出了天线的结构示意图，如图所示，天线主要由天线罩、锥形辐射体、短路柱、介质支撑柱、地板构成。在倒锥台辐射体上添加圆环形式的顶加载结构，顶加载圆环改变了天线辐射体和底板间的分布电容和分布电感，有效地减小了天线的尺寸；短路柱连接天线的顶加载和底板，使天线辐射体和底板短接，进一步减小了天线的尺寸。采用锥形结构作为辐射体，可保证天线在很宽频带内具有稳定的阻抗特性；天线的圆环加载结构，在不额外增加天线高度的条件下，增加了天线的有效辐射面积，展宽了天线的低频带宽，同时圆环加载结构和地板间形成了电容加载结构，而添加的短路柱结构形成了电感加载，通过优化调整圆环加载的尺寸以及短路柱的粗细、数量和加载位置，可以使天线输入阻抗在频带内更加平坦，实现了天线的小型化和宽频带。天线直径为天线低频工作频率的0.3个空气波长，天线高度为天线低频工作频率的0.1个空气波长。

螺旋天线的仿真设计微波课设

简介

本文是关于螺旋天线的仿真设计微波课设的报告，主要讲述了螺旋天线的基本

原理、设计理论、仿真模型和实验验证。

螺旋天线是一种常见的微波天线，其特点是具有宽频带、高增益和环形辐射图

等优点。在通信、雷达、卫星等领域得到广泛应用。本次课设的目的就是通过仿真设计一款螺旋天线，掌握螺旋天线的设计方法和仿真技术。

设计原理

螺旋天线的结构是由两个相等直径的共面平面圆形线圈组成，中心为同一轴线，相互平行，以同一角速度反向电流通入。当通电后，平面线圈间的气隙产生交变磁场，电磁波通过该磁场辐射，并且因为电流相反极性和相邻线圈间相位差异，导致了圆极化辐射。通常情况下，螺旋天线的圆极化为右旋极化。

设计理论

本次课设采用的是单臂螺旋天线，其电磁性能主要由以下参数决定：

螺距

螺距是指螺旋线圈上两个相邻回路之间的垂直距离。螺距越大，天线的工作频

率越低，增益也越低。相反，螺距越小，天线的工作频率和增益也越高。

匝数

匝数是指螺旋线圈上电流通路的总数。匝数越多，天线的工作频率和增益也越高。

直径

直径是指螺旋线圈轴线上的两个相邻线圈之间的距离。直径越小，天线的工作

频率越高，增益也越高。

间隔

间隔是指螺旋线圈上每个回路的直接相邻回路之间的距离。间隔影响螺旋天线

的的工作带宽和辐射方向图。

仿真模型

本次课设采用的是CST Studio Suite软件进行仿真设计。具体流程如下：

建立模型

首先需要在CST软件中建立螺旋天线模型。具体处理如下：

1.以XY平面建立直径为10mm的圆形线圈。

2.以相同的直径在Z方向上建立若干个圆形线圈，其中螺距、匝数、

低剖面高性能圆极化天线的设计与实现

低剖面高性能圆极化天线的设计与

实现

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序言

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一种超宽带平面螺旋天线的设计与研究

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。随着波长（也就是频率）的变化，激活区的位置也在不断变化，这使得阿基米德螺旋天线具有非频变特性[8]。且由于天线的对称结构使得电流在空间的分布几乎正交且大小几乎相等，所以天线辐射场为圆极化[9]。