螺旋天线的仿真设计微波课设
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。
记忆合金平面螺旋微波热疗天线的设计与仿真
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记 忆 合 金 平面 螺旋 微 波 热 疗天 线 的设 计 与 仿真
杜永兴 席晓莉 王丽黎 秦 岭
７０４ ） １０ ８ （ 安理 工 大学 自动化 与信 息 工 程 学 院 ， 安 西 西
（ 蒙古 科 技 大 学 信 息 工 程 学 院 ， 头 内 包
Ｄ ｏｇ ｉ Ｘ ｉ—ｉ ＵＹｎ． ｎ ＇ Ｉ ａ Ｌ Ｘ ｇ Ｘｏ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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结 果 显 示 ： 于采 用 单 程 形 状 记 忆 合 金 制 作 ， 腔 式 阿 基 米 德 平 面 螺 旋 天 线 的 形 状 及 大 小 可 不 受 身 体 结 构 的 限 制 由 背
螺旋天线电路设计
螺旋天线电路设计一、引言螺旋天线是一种常用的宽带天线，其特点是频率范围广、阻抗匹配好、方向性良好等。
本文将介绍如何设计一款螺旋天线电路。
二、螺旋天线的原理螺旋天线是一种基于电磁波的发射和接收原理的天线，其主要构成部分为导体和地面板。
导体通常采用圆形或正方形的金属片，通过不同方向上的缠绕来实现较好的频率范围和方向性。
在实际应用中，通常采用四分之一波长或半波长作为导体长度。
三、螺旋天线电路设计步骤1. 确定频率范围：首先需要确定需要使用的频率范围，以便选择合适的导体长度和缠绕方式。
2. 选择导体形状：根据实际应用需求，选择合适的导体形状（圆形或正方形），并确定其大小。
3. 计算导体长度：根据选定的频率范围和导体形状，计算出所需的导体长度。
可以使用在线计算器或专业软件进行计算。
4. 缠绕方式：根据计算出的导体长度和形状，确定缠绕方式。
通常有两种方式：顺时针和逆时针缠绕。
选择合适的缠绕方式可以影响天线的方向性。
5. 地面板设计：螺旋天线需要一个地面板来实现较好的阻抗匹配和性能。
地面板通常采用金属板或铜箔，大小应与导体相匹配。
6. 阻抗匹配：在实际应用中，需要将天线的阻抗与接收器或发射器进行匹配。
可以使用衰减器、变压器等方法进行匹配。
四、螺旋天线电路实现1. 制作导体：根据设计好的导体形状和长度，使用金属片或铜箔制作出导体。
2. 缠绕导体：根据设计好的缠绕方式，将导体进行缠绕，并固定在地面板上。
3. 制作地面板：根据设计好的大小和形状，制作出地面板，并将其与导体固定在一起。
4. 连接电路：将天线与接收器或发射器连接，并进行阻抗匹配。
五、螺旋天线电路调试1. 测试频率范围：使用信号源测试天线的频率范围，确保其符合设计要求。
2. 测试阻抗匹配：使用阻抗仪测试天线的阻抗，并进行调整以实现较好的匹配。
3. 测试方向性：使用转台或指向器测试天线的方向性，并进行调整以实现最佳效果。
六、总结螺旋天线是一种常用的宽带天线，其设计和制作需要考虑多个因素，包括频率范围、导体形状和长度、缠绕方式、地面板设计等。
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。
螺旋天线——精选推荐
一．课题要求技术要求：要求设计当频率f=2.45GHz、圈数N=6时，计算出螺旋天线的螺旋直径D、螺距S、螺距角α、一圈周长L、轴向长度A、螺旋线导线直径d、螺旋线至接地板的距离g、接地板直径G。
并对螺旋天线的法向模、轴向模、圆锥模的仿真，并得出天线的方向图及轴比图、反射系数、方向性系数、增益、输入阻抗、波瓣宽度（HPBW）二．课题背景螺旋天线是由螺旋形的金属线作为辐射体，由于螺旋线缠绕的形状不同，包括圆柱螺旋、椭圆柱螺旋、圆锥螺旋以及球面螺旋等，其中轴向模是螺旋天线的一种重要的工作模式，该种模式主要产生沿着螺旋轴向的辐射，并且辐射的电磁波是圆极化波，所以广泛应用于卫星通讯中，近来随着移动通信的发展，为了获得大范围的稳定的无线局域网络覆盖，轴向模螺旋天线也被用作基站天线。
轴向模式工作的螺旋天线的输入阻抗在较宽频带（理论值接近2:1的频率范围）内近似是一个常数，约为140Ω，所以具有宽带阻抗特性。
通常螺旋天线的增益由螺旋圈数确定，在螺距一定的情况下，螺旋线越长天线增益就越高，但是当圈数过大时，增益提高的效果就不明显了，并且天线的制作也将变得十分复杂。
三．螺旋天线结构与几何特性螺旋天线是用金属导线或管做成的螺旋形结构，它通常用同轴电缆馈电。
同轴线的内导体与螺旋线的一端相连接；外导体可与作反射器用的金属板连接；也有其他的连接方法。
若螺旋直径是不变的，称为圆柱螺旋天线；螺旋直径是渐变的，称为圆锥螺旋天线，本项目仅讨论圆柱螺旋天线。
如图1所示。
图1 螺旋天线结构螺旋天线结构尺寸：螺旋直径D ；螺距S ；螺距角α，α=arctan(S /πD )；一圈周长L ，L =22(D)S π；圈数N ；轴向长度A ，A =NS ；螺旋线导线直径d ；馈电端螺旋线至接地板的距离g ；接地板直径G 。
螺旋天线的辐射特性基本上决定于螺旋的直径与波长之比D /λ。
当0.25<D /λ<0.46时，即螺旋一圈周长L 近似等于一个波长，最大辐射方向沿螺旋轴线，称为轴向模辐射；当D /λ<0.16时，最大辐射方向与螺旋轴垂直，而轴向几乎无辐射，称为法向模辐射；当D /λ>0.46以后，方向图就呈圆锥形，轴向辐射很弱，当D /λ≈2/π时，轴向辐射接近零，最大辐射偏离轴向，这种辐射称做圆锥模。
小尺寸多层平面式螺旋天线的仿真设计
关键词 ： 近场耦合 ； 多层 平 面 式 螺旋 天 线 ； Ｐ Ｃ Ｂ； 天线 特 性 中 图分 类号 ： Ｔ Ｎ ８ ２ １ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ２ －８ ９ ３ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ －０ ０ ４ １ －０ ４
近年 来 随着 电子 信息 技术 与移 动互 联 网的蓬 勃 发展 ， 短距 离 的无 线 通 信 技术 越 来 越 受 到 人 们 的 关 注 。轻薄 型 移动 电子设 备 的广 泛普 及对 天线 提 出 了 更 高 的设 计 要求 ， 如要 求 天线 尺寸 足够 小 、 带 宽 足够 宽 等 。如 今 国 内外 对 于螺旋 天 线 的研 究 也 已 日趋 成 熟， 随着 各种 电磁 仿 真软件 的出现 ， 对天 线各 种参 数 的计 算更 加 准 确 ＿ ７ ］ 。 在螺 旋 天 线 基 本 模 型基 础 上 ， 各种 形状 和 尺寸 的螺 旋天 线结 构不 断被 应用 于各 种
图 １ 线 圈 产 生 的 磁 场
１ ３ Ｔｕ ｒ ｎ ｓ ， Ｌａ ｖｅ ｒ
１ ３ Ｔ ｕ ｎｓ ｒ ／ Ｌ ａ ｖ ｅ ｒ
（ ａ ） 发射 天线
（ ｂ ） 接收天线
其强 度可 由式 （ １ ）给出ｌ ＿ ５ ］ ：
Ｈ一—
２￣ ／ （ Ｒ ＋ｚ ） 。
（ １ ）
ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｉ Ｓ ｅ ｎｈａ ｎｃ ｅ ｄ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： Ｎｅ ａ ｒ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｃ ｏ ｕｐ ｌ ｉ ｎｇ，Ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｐ ｌ ａ ｎ ａ ｒ ｓ ｐｉ ｒ ａ ｌ ｗｉ ｎｄ ｉ ｎｇ ａ ｎｔ ｅ ｎｎａ，ＰＣＢ， Ａｎｔ ｅ ｎｎ ａ ｐｒ ｏ ｐｅ ｒ ｔ ｙ
第五讲-1-螺旋天线教程文件
实验天线的测试结果
▪ 天线测试结果
Beijing Institute of Technology
小型化超宽带圆极化组合天线
▪ 2010.10~2010.11
0.14max0.04max
实现22倍频
组合式螺旋天线
四臂螺旋天线相控阵列方案评估
▪ 2010.11
单螺旋天线阵（球舰通信）
1分8功分器 接口
复合螺旋天线HFSS设计及实物
复合螺旋天线的设计（2）
复合螺旋天线HFSS三维仿真效果图
复合螺旋天线的设计（3）
天线方向图及轴比图
背馈式印刷四臂螺旋卫星导航天线(4)
▪ 天线仿真模型与实物图片
Beijing Institute of Technology
实验天线的测试结果
▪ 天线测试结果
Beijing Institute of Technology
▪ 2010.03~2010.04
单螺旋天线的设计（2）
单螺旋天线HFSS三维仿真效果图
单螺旋天线的设计（3）
半球形辐射方向图
单螺旋天线的设计（4）
蝴蝶形辐射方向图
单螺旋天线的设计（5）
轴向辐射方向图
双螺旋天线的设计（1）
双螺旋天线HFSS建模
双螺旋天线实物照片
双螺旋天线的设计（2）
双螺旋天线HFSS三维仿真效果图
GPS天线 接口A
电气接口 （N型阴头）
GPS天线 接口B
云台接口
30
Hale Waihona Puke 31谢 谢！32
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第五讲-1-螺旋天线
螺旋天线历史
09_FEKO_螺旋天线仿真
FEKO培训系列教程螺旋天线(Helix)螺旋线建模，MOM及MLFMM计算EMSS CHINA概述:Overview•天线是单螺旋天线–金属地板直径：Ground_R=0.375个波长–螺旋匝数: n=3.5–螺距:s=0.225个波长–螺旋的半径: R=1个波长/(2*pi)–螺旋的高度: H=n*s•电参数：–工作频率：f=30 GHz计算的问题•计算的问题：–螺旋天线的3D远场方向图–Phi=0，phi=90平面内的方向图启动CadFEKO•CADFEKO 6.0 进入CadFEKO主界面•设置单位为毫米mm，天线的建模：定义几个主要参数•点击菜单“Model\Add Variable”(或在左侧树型资源管理器中，点击双击“Variables”节点或选中“Variables”节点，点击鼠标右键选择“Add Variable”)，即可弹出“Create Variable”对话框–在Create Variable对话框中需要输入变量的名称及表达式，注释等，点击“Evaluate”按钮可以显示表达式的值，点击“Create”完成创建，点击“Close”关闭“Create Variable”对话框天线的建模‐参量定义•按照先后顺序添加以下变量：–sf=0.001–freq =30e9 Hz;lambda c0/freq/sf ;–lambda=c0/freq/sf ;–Ground_R=0.375*lambda;–s=0.225*lambda;–D=lambda/pi;–n=3.5天线的建模‐金属地板•点击左侧的模型图标按钮“”来建立螺旋天线的金属地板：–Centre point:•X: 0.0•Y: 0.0•Z: 0.0–Dimensions•R(x):Ground_R•R(y):Ground_R–Label：Ground–Create按钮–Close按钮•点击调整3D视图中的大小天线的建模‐单螺旋•点击左侧的模型图标按钮“”来建立螺旋天线的螺旋：–Base Radius：D/2–End Radius：D/2–Height (Z): s*nHeight (Z): s n–Turns: n–Label: Helix1–Create 按钮–Close 按钮天线的建模‐完成建模•选中Ground模型，点击左侧的“”按钮弹出“Create imprint…”对话框，在3D视图中点击鼠标右键选择“Snap to->Geometry point”;•把光标定在“Create imprint…”的Point1中，同时按住Ctrl+Shift键不放，移动鼠标到螺旋与地板的焦点位置，点击鼠标左键确认，这时该点的坐标会显示在Point1的黄色区域，点击创建按钮完成在地板Ground上建立一个点的操作。
螺旋天线的仿真设计微波课设
太原理工大学现代科技学院课程设计任务书日期指导教师签名：：学号成绩姓名专业班级…………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。
…装（3）完成螺旋天线的仿真设计，并查看S参数以及场分布。
……三、实验原理……螺旋天线（helical antenna）是一种具有螺旋形状的天线。
它由导电性能良好的金属螺旋线……组成，通常用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地………的金属网（或板）相连接，该版即为接地板。
螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。
当……螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一……个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。
……订…………………………………………线……………………四、设计要求……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。
……本设计参数为：螺旋天线的中心频率 f=4GHz ，λ=75mm；………；λ=11.25mm 螺旋导体的半径d=0.15………；螺旋线导线的半径a=0.5mm ……；λ=18,75mm 螺距s=0.25……；圈数N=3 ……；轴向长度l=Ns ………五、设计仿真步骤…装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。
在……1、建立新的工程……HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert Hfss Dessign，建立一个新的工程。
运行……2、设置求解类型………1（）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
……（2）在弹出的Solution Type窗口中……（a）选择Driven Modal 。
…订（b）点击OK按钮。
………3、设置模型单位……将创建模型中的单位设置为毫米。
……）在菜单栏中点击（13D Modeler>Units。
电磁场微波技术与天线课程设计
电磁场微波技术与天线课程设计前言电磁场微波技术与天线课程是电子信息工程专业的必修课程，是培养学生掌握电磁场和微波技术的理论和实践知识，以及设计和分析天线的能力的重要途径。
在这门课程中，学生将学习电磁场的基础知识、微波元器件的设计和应用、天线的原理和设计等内容。
本文将重点介绍本人在该课程中的课程设计。
课程设计背景在本次课程设计中，我和我的同学合作完成了一项毫米波天线的设计和制作。
毫米波天线是微波技术领域的重要组成部分，常用于实现高速通讯和雷达探测等领域。
在本次课程设计中，我们将模拟设计并制作一款工作在28GHz频段的天线，以深入了解电磁场和微波技术的理论和应用。
课程设计流程第一步：需求分析在本课程设计中，我们需要设计一款工作在28GHz频段的天线。
为了实现如此高频的工作需求，我们需要使用微带天线设计和制作技术，并且需要对微带天线的理论基础知识有一定的了解。
第二步：仿真设计为了确保天线的设计符合实际需求，我们首先需要在仿真软件中对天线进行建模和仿真分析。
我们选择使用CST Microwave Studio软件进行仿真设计，该软件可以帮助我们进行天线建模、电磁场仿真分析，以及性能评估等。
在仿真过程中，我们将尝试不同的天线结构和参数设置，并对其性能进行比较和评估。
通过多次仿真和修改优化，最终得到一款性能较优的天线方案。
第三步：实验制作在确定了天线设计方案之后，我们需要进行实验制作并对其性能进行测试和验证。
实验制作过程中，我们需要按照天线的设计方案，在板子上进行PCB设计，并进行切割、注锡和贴片等工艺步骤。
制作完成后，我们需要使用微波测试仪对天线进行性能测试，包括频率响应、阻抗匹配和辐射性能等。
通过测试，我们可以了解天线的实际性能并对其进行优化和调整。
第四步：实验结果分析最后，通过对实验结果的分析，我们可以得到一份完整的课程设计报告，并展示我们所设计的天线的性能参数和实际应用效果。
总结本次电磁场微波技术与天线课程设计是一次非常有收获和意义的实践活动。
螺旋天线的仿真设计微波课设
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、直径、间隔等参数可以根据实际需求进行设置。
3.在螺旋线圈的两端分别接上竖直的延伸导线，作为馈电点和接收点。
设定边界条件在完成螺旋天线的建立模型后，在设置墙面边界条件、仿真频段和网格尺寸等参数，以便进行计算分析。
仿真计算最后就可以对螺旋天线进行仿真计算。
在CST软件中，可根据要求求得天线的增益、方向图、驻波比等参数，进而进行结果分析和比较，找出最优解。
宽谱辐射螺旋天线仿真与初步实验
小反 射 ， 提高 辐射 电磁 脉 冲强度 。
＊ 基金项 目： 国家 高 技 术 发 展 计 划 项 目资 助 （０ ８ Ａ０ ２ ） ２０ Ａ ４ ２ 。
高
能
量
密
度
２ 螺旋 天 线 结 构 参 数 及 脉 冲辐 射 仿 真 计算
２ １ 螺 旋 天 线 结 构 参 数 ．
磁 脉 冲频率通 常较 低 ， 有 一定 带 宽 ， 于 多 种耦 合 方 式 发挥 作 用 。能够 实 现 宽 带 辐 射 的 天线 很 且 利
多， 如偶 极天 线 、 木天 线 、 型 波导 天线 等 。本 文 采 用 螺 旋 天线 ， 八 Ｈ 主要 是 因为 它 不 但 具 有 宽频 辐
射 特性 ， 还具 有结构 简单 、 能稳定 ， 实现 轴 向辐 射 、 性 能 圆极化 ， 且组 阵 时天线 间 的互 阻抗很 小 ， 于 易 组 阵实现 多个 天线 的远 场空 间功 率合成 。 ・ 文 中根据 天线理 论 和软件 仿 真手段 设计 了高 功 率 宽谱 辐 射用 天 线—— 轴 向模 式 螺旋 天线 ， 主
１ 引 言
宽谱（ 带） 宽 电磁 脉 冲 的带 宽介 于窄 带 高 功率 微 波 和 超 宽带 辐 射 源 之 间 ， 中心 频 率 通 常 在 其
０１ １ ．～ ＧＨｚ内 ， 辐射 电磁 脉 冲的百 分 比带 宽大 于 ２ ／。高 功率 宽谱 电磁 脉 冲的产 生过 程为 ： ｏ９ ６ 由幅 度数百 千伏 、 升 前 沿 亚 纳 秒 至 数 纳 秒 的 高 压 脉 冲 馈 入 具 有 宽 谱 辐 射 特 性 的 天 线 进 行 辐 射 得 上 到［ 。 目前 ， 产 生亚纳 秒高 压脉 冲 ， 常采 用 高 压 间 隙对 输 出 电脉 冲进 行 锐 化［ ， 可采 用 １ ］ 要 通 ３ 也 ］
第五讲-1-螺旋天线
实现22倍频
组合式螺旋天线
四臂螺旋天线相控阵列方案评估
2010.11
单螺旋天线阵（球舰通信）
1分8功分器 接口
GPS天线 接口A
电气接口 （N型阴头）
GPS天线 接口B
主瓣设计在正负60度的方向图及轴比图
四臂螺旋天线及阵列的设计（4）
半球形方向图及轴比图
复合螺旋天线的设计（1）
复合螺旋天线HFSS设计及实物
复合螺旋天线的设计（2）
复合螺旋天线HFSS三维仿真效果图
复合螺旋天线的设计（3）
天线方向图及轴比图
背馈式印刷四臂螺旋卫星导航天线(4)
天线仿真模型与实物图片
Beijing Institute of Technology
实验天线的测试结果
天线测试结果
Beijing Institute of Technology
实验天线的测试结果
天线测试结果
Beijing Institute of Technology
小型化超宽带圆极化组合天线
2010.10~2010.11
产生圆极化锐波束辐射。
单螺旋天线的设计（1）
轴向辐射单螺旋天线HFSS建模 轴向辐射单螺旋天线实物照片
单臂螺旋天线
2010.03~2010.04
单螺旋天线的设计（2）
单螺旋天线HFSS三维仿真效果图
单螺旋天线的设计（3）
半球形辐射方向图
单螺旋天线的设计（4）
蝴蝶形辐射方向图
单螺旋天线的设计（5）
第五讲、螺旋天线
单位：北京理工大学信息科学技术学院 微波技术研究所
报告人：刘 埇
主要内容
螺旋天线历史 单螺旋天线 双螺旋天线 四臂螺旋天线 复合螺旋天线 参考文献
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。
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。
螺旋天线的设计与仿真研究
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。
国科大螺旋天线课程设计
国科大螺旋天线课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解螺旋天线的结构特点、工作原理及在通信领域中的应用。
2. 学生能掌握螺旋天线的相关公式，并运用其计算天线参数。
3. 学生能了解我国在螺旋天线研究及应用的现状和发展趋势。
技能目标：1. 学生具备运用所学知识分析和解决实际螺旋天线问题的能力。
2. 学生能够设计简单的螺旋天线，并进行性能评估。
3. 学生通过动手实践，提高团队协作和沟通表达能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对天线技术及通信领域的兴趣，激发其探索精神。
2. 增强学生的国家自豪感，认识到我国在螺旋天线领域的重要地位。
3. 培养学生严谨的科学态度，使其具备良好的学术道德。
本课程针对国科大相关年级学生，结合课程性质、学生特点和教学要求，明确以上课程目标，旨在帮助学生掌握螺旋天线的相关知识，提高实践能力，培养创新精神和团队协作意识，为我国通信领域的发展贡献人才。
二、教学内容1. 螺旋天线的基本概念：介绍螺旋天线的定义、分类及其结构特点。
- 教材章节：第二章第一节- 内容列举：螺旋天线结构、轴向螺旋天线、圆极化螺旋天线等。
2. 螺旋天线的工作原理：讲解螺旋天线的辐射机制、阻抗特性等。
- 教材章节：第二章第二节- 内容列举：辐射原理、阻抗匹配、驻波比等。
3. 螺旋天线的应用：分析螺旋天线在通信、导航、遥感等领域的应用。
- 教材章节：第二章第三节- 内容列举：卫星通信、无线充电、物联网等。
4. 螺旋天线的设计与计算：教授螺旋天线的设计方法、相关公式及其计算步骤。
- 教材章节：第二章第四节- 内容列举：天线参数计算、电磁仿真、优化设计等。
5. 螺旋天线实例分析：通过具体案例，分析螺旋天线在实际应用中的性能与优缺点。
- 教材章节：第二章第五节- 内容列举：案例解析、性能评估、改进措施等。
6. 螺旋天线在我国的发展现状与趋势：介绍我国在螺旋天线领域的研究成果及发展前景。
- 教材章节：第二章第六节- 内容列举：国内外研究现状、技术发展趋势、政策支持等。
螺旋天线的设计及制作
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=0.375BA╳0.375BA,盒体高=底或高。
B=PI 开平方，A=波长
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=A/π，节距（线圈之间距离）=0.225A,线圈的周长等于波长。
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，到时可以剪掉一些的，天线的性能不会有太大的改变。
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理工大学现代科技学院课程设计任务书指导教师签名：日期：专业班级 学号 成绩 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、实验原理 螺旋天线（helical antenna ）是一种具有螺旋形状的天线。
它由导电性能良好的金属螺旋线 组成，通常用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地 的金属网（或板）相连接，该版即为接地板。
螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。
当 螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一 个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。
四、设计要求 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。
本设计参数为：螺旋天线的中心频率 f=4GHz ， λ=75mm ；……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………螺旋导体的半径 d=0.15λ=11.25mm ； 螺旋线导线的半径 a=0.5mm ； 螺距 s=0.25λ=18,75mm ； 圈数 N=3； 轴向长度 l=Ns ； 五、设计仿真步骤 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。
1、建立新的工程 运行HFSS ，点击菜单栏中的Project>Insert Hfss Dessign ，建立一个新的工程。
2、设置求解类型 （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type 。
（2）在弹出的Solution Type 窗口中 （a ）选择Driven Modal 。
（b ）点击OK 按钮。
3、设置模型单位 将创建模型中的单位设置为毫米。
（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units 。
（2）设置模型单位： （a ）在设置单位窗口中选择：mm 。
（b ）点击OK 按钮。
4、设置模型的默认材料 在工具栏中设置模型的下拉菜单中点击Select ，在设置材料窗口中选择copper （铜）材料， 点击OK 按钮（确定）确认。
5、创建螺旋天线模型 （1）创建螺旋线Helix 。
在菜单中点击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（Porperties ）窗口中将Axis 改为Y 。
点击确认。
在历史操作树中选中该circle 。
在菜单键点击Draw>Helix ，在右下角的输入栏中…………………………………装……………………………………订………………………………………线……………………………………………输入X:0 Y:0 Z:-7.5，按回车键结束输入；在右下角的输入栏中输入dX:0 dY:0 dZ;50；按回 车键；在弹出的Helix 窗口中，Turn Directions:Right Hand Pitch:18.75(mm) Tuns:3; 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 。
（2）建立螺旋天线与同轴线相连的连接杆ring 。
在菜单中点击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。
（3）创建球体Sphere1。
为了把Helix 和ring 连接起来，创建一个球体Sphere1，点击Draw>Sphere,输入球心坐标X:22.5 Y:0 Z:0；按回车键结束输入。
输入球体半径，dX:0.5 dY:0 dZ:0；在特性（Property ）窗口中选择Attribute 标签，将该圆柱的名字改为Sphere1。
（4）将Helix 、ring 和Sphere1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3Dmodeler>Boolean>Unite 。
点击OK 结束。
形成的模型如下图2所示。
图2、螺旋线模型…………………………………装……………………………………订………………………………………线……………………………………………6、建立同轴线馈线。
（1）在菜单栏中点击Draw>Cylider ，创建圆柱模型。
在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标：X ：11.25，Y ：0，Z ：-3按回车键结束输入。
在坐标栏中输入圆柱半径：dX ：4，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 ：-7按回车键结束输入。
在特性（Property ）窗口中选择Attribute 标签，将该圆柱的名字改为ringout 。
（2）在菜单栏中点击Draw>Cylider ，创建圆柱模型。
在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标：X ： 11.25，Y ：0，Z ：-3按回车键结束输入。
在坐标栏中输入圆柱半径：dX ：3.95，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 ：-7按回车键结束输入。
在特性（Property ）窗口中选择Attribute 标签，将该圆柱的名字改为ringin 。
（3）在菜单栏中点击Edit>Select>By Name ，在弹出的窗口中利用Ctrl 键选择ringout ，ringin 。
在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>Subtract ，在Subtract 窗口中作如下设置：Blank Parts:ringout,Tool Parts:ringin,Clone tool objects before subtract 复选框不选。
点击OK 结束设置。
（4）创建导体ringcenter 。
在菜单栏中点击Draw>Cylider ，创建圆柱模型。
在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标：X ：11.25，Y ：0，Z ：-3按回车键结束输入。
在坐标栏中输入圆柱半径：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 ：-7按回车键结束输入。
在特性（Property ）窗口中选择Attribute 标签，将该圆柱的名字改为ringcenter 。
（5）在菜单栏中点击Edit>Select>By Name ，在弹出的窗口中利用Ctrl 键选择Helix 和ringcenter 。
在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>Unite 。
点击OK 结束。
7、建立接地板 （1）在菜单栏中点击 DrawCircle ，创建圆模型。
在坐标输入栏中输入圆中心坐标：X ：11.25，Y ：0，Z ：-3 按回车键结束输入。
在坐输入栏中输入圆的半径：dx ：37.5,dy:0,dz:0 按回车键结束输入。
在特性（property ）窗口中选择 attribute 标签，将圆柱的名字修改为 groundplane.2在菜单栏中点击 DrawCircle ，创建圆模型。
在坐标输入栏中输入圆中心坐标：X ：11.25 Y ：0 Z ：_3 按回车键结束输入。
在坐输入栏中输入圆的半径： dX:1,dy:0,dz:0 按回车键结束输入。
（3）在菜单栏中点击 editselectby name ，在弹出的窗口中利用 ctrl 键选择groundplanecircle ，在菜单栏中点击 3DmodelerBooleansbstract ，在 substract 窗口中 …………………………………装……………………………………订………………………………………线…………………………………作 如 下 设 置 ： blankparts:groundplanetoolpart:circleclone tool objects beforesubstract 复选框不选。
点击 OK 结束设置。
8、创建辐射边界（1）设置默认材料。
在工具栏中设置模型的默认材料为真空（vacuun ）。
（2）创建Air 。
在菜单栏中点击Draw>Cylider ，创建圆柱模型。
在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标：X ：11.25，Y ：0，Z ：-10按回车键结束输入。
在坐标栏中输入圆柱半径：dX ：50，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 ：150按回车键结束输入。
在特性（Property ）窗口中选择Attribute 标签，将该圆柱的名字改为Air ，按确定键结束。
在3D 模型窗口中以合适大小显示（可用Ctrl+D 操作）。
（3）设置辐射边界。
在菜单栏中点击Edit>Select>By Name ，在弹出的窗口中选择Air ，点击OK 按钮。
在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Radiation 。
在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为Rad1，点击OK 结束。
9、创建波端口 同轴线采用波端口激励，首先要创建波端口面，并将其设置为波端口。
（1）创建端口圆面模型，在菜单栏中点击Draw>Circle 。
在坐标栏中输入圆心点的坐标：X ：11.25，Y ：0，Z ：-10按回车键结束输入。
在坐标栏中输入圆半径：dX ：3.95，dY ：0，dZ ：0按回车键结束输入。
在特性（Property ）窗口中选择Attribute 标签，将该圆柱的名字改为p1。
（2）设置波端口。
在菜单栏中点击Edit>Select>By Name ，在弹出的窗口中选择p1，在菜单栏中点击HFSS>Exciations>Assign>Lumped Port 。
在Lumped Port 窗口中General 标签中，将该端口命名为wave 。
在Modest 标签中设置积分线，在Integration Line 中点击None ，选择New Line ，在坐标栏中输入X ：15.2，Y ：0，Z ：-10按回车键结束输入。