螺旋天线的仿真设计微波课设

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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。

螺旋天线电路设计

引言

螺旋天线是一种常见的天线类型，具有多频段、宽带和方向性好等特点，被广泛应用于无线通信和雷达系统中。在设计螺旋天线电路时，需要考虑天线的结构、频率范围、辐射特性以及电路参数等因素。本文将全面、详细、完整地探讨螺旋天线电路设计的相关内容。

螺旋天线结构

螺旋天线由导体线圈在平面内旋转组成，其结构可以分为两种主要类型：方形螺旋天线和圆形螺旋天线。

方形螺旋天线

方形螺旋天线的导体线圈呈正方形或长方形，辐射器和馈电结构相对简单，易于制造和布局。方形螺旋天线通常具有宽频带和宽角度覆盖等特点，适用于通信和雷达系统中的多频段应用。

圆形螺旋天线

圆形螺旋天线的导体线圈呈圆形，具有较为均匀的辐射特性。圆形螺旋天线通常在窄带应用中使用，如无线电测向和卫星通信等领域。

螺旋天线频率范围

螺旋天线的频率范围受到其外形、尺寸和匝数等因素的影响。频率范围的选择应根据具体的应用需求来确定。

方形螺旋天线频率范围

方形螺旋天线的频率范围较宽，通常可覆盖数个频段。选择适当的参数可以实现不同频段的覆盖，如调整导体线圈的长度、宽度和匝数等。

圆形螺旋天线频率范围

圆形螺旋天线的频率范围较窄，通常适用于单一频段的应用。改变导体线圈的尺寸和匝数可以微调频率范围，满足特定频段的要求。

螺旋天线辐射特性

螺旋天线的辐射特性在设计过程中需要考虑，包括辐射方向图、辐射效率和极化特性等。

辐射方向图

辐射方向图描述了螺旋天线在不同方向的辐射强度，通常以极坐标图的形式表示。通过调整导体线圈的几何参数和匝数等，可以实现不同辐射方向图的设计。

辐射效率

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。

微波技术课程设计

一、课程设计背景

微波技术是电子信息工程专业中的重要课程之一，也是现代通信领域的核心技术。在该领域中，微波技术被广泛应用于无线通信、雷达探测、卫星通信等方面。因此，对于学习该专业的学生来说，深入了解微波技术是十分必要的。

二、课程设计目标

本次微波技术课程设计旨在帮助学生深入了解微波技术的基本原理和应用，并通过实践操作提高其实际操作能力，具体目标如下：

1. 理解微波技术的基本原理和特性；

2. 掌握常见微波器件的工作原理及其应用；

3. 学会使用仿真软件进行电路仿真和优化；

4. 能够独立完成简单微波电路设计和制作，并进行测试。

三、课程设计内容

1. 微波器件原理及应用

主要介绍常见微波器件（如方向耦合器、功分器、滤波器等）的工作原理和应用场景，并通过实验验证其性能。

2. 微波传输线与阻抗匹配

介绍微波传输线的类型和特点，以及阻抗匹配的原理和方法，并通过

仿真软件进行电路仿真验证。

3. 微波功率放大器设计

学习微波功率放大器的基本原理和设计方法，通过仿真软件进行电路仿真和优化，并进行实际制作与测试。

4. 微波射频信号发生器设计

学习微波射频信号发生器的基本原理和设计方法，通过仿真软件进行电路仿真和优化，并进行实际制作与测试。

四、课程设计步骤

1. 理论学习

首先，学生需要通过教材、课堂讲解等方式对微波技术的基本原理、常见器件及其应用等方面进行深入了解。

2. 仿真实验

在掌握一定的理论知识后，学生需要使用相关仿真软件（如ADS、HFSS等）对所学内容进行电路仿真，并对结果进行分析和优化。

3. 实际操作

ref-螺旋天线设计-1

螺旋天线设计方案《一》

1、螺旋天线图形及几何尺寸

我们螺旋天线的结构参数：螺旋直径 d , 螺距s , 螺距角α, 螺旋一圈的平均周长l , 圈数N , 螺旋天线轴长L , 以及螺旋导线半径 a 。各参数存在如下的关系：

l 2=(πd 2+s 2

-1

α=t a n (d L =Ns

在所设计的天线中结构尺寸如下：

螺旋直径d =18. 6cm 螺距s =12. 9cm 螺距角α=12. 5 圈数N =5

螺旋天线轴长L =64. 5cm 螺旋导线半径 a =0. 6cm 其结构模型如下图：

图(1 螺旋天线结构图

螺旋天线的辐射形式有三种:1法向模, 当螺旋直径与波长满足:d 螺旋轴线相垂直的平面内; 2 轴向模, 当d

λ<0. 18时, 其最大辐射方向在与

时, 最大辐射方向在螺旋轴线方向; 3 圆锥形辐

λ≈0. 25~0. 46

射, 当继续增大螺旋直径与工作波长的比值, 其辐射形状如一圆锥形. 本螺旋天线采取轴向模辐射。

2、馈源

在该天线的溃入端所加入的是一个阻尼正弦波(damped sine wave，其表达式为

其中 A =1波形如图(2

f (t =A exp(-αt sin(2πft

α＝-3. 5?107

f =0. 5GHz

1.0

0.5

A m p l i t u d e

0.0

-0.5

-1.0

050100150200

Time (ns Frequency 500MHz

图(2 馈源波形（阻尼正弦波）

其频谱图如图(3:

M a g n i t u d e

0.00

0.250.500.751.00

螺旋式天线设计原理及其优化方法

螺旋式天线是一种常用于射频通信和雷达系统中的天线结构。

它以其良好的辐射特性和宽频带特性而闻名。本文将介绍螺旋式

天线的设计原理以及一些优化方法，以帮助读者更好地了解和应

用该天线设计。

螺旋式天线的设计原理主要涉及以下几个方面：天线结构、辐

射特性和宽频带特性。

首先，螺旋式天线的结构通常由螺旋线、接地板和驻波器组成。螺旋线是以中心点为起点，沿着环形轨迹向外旋转的导体线圈。

接地板是用于支撑和固定螺旋线的平面结构，它通常与螺旋线之

间有一定距离。驻波器是用于匹配天线与射频信号源之间阻抗的

装置。

其次，螺旋式天线具有良好的辐射特性。它的辐射是通过螺旋

线的旋转结构实现的，螺旋线会产生扭曲和旋转的电磁场。这种

结构使得螺旋式天线在辐射方向上具有较高的增益和较低的辐射

波束宽度。此外，螺旋线的旋转结构还赋予了螺旋式天线天线的

极化特性，在设计过程中可以通过调整螺旋线的参数来实现水平、垂直或圆极化。

最后，螺旋式天线具有宽频带特性。这是由于螺旋线的旋转结

构导致了天线具有多个谐振频率。当射频信号的频率变化时，螺

旋式天线可以在不同的谐振频率下工作，从而实现较宽的工作频带。这使得螺旋式天线成为适用于宽带通信和雷达系统的理想选择。

在螺旋式天线的优化方法中，主要包括螺旋线的尺寸、匹配网

络和接地板的优化。

首先，优化螺旋线的尺寸可以改善天线的辐射特性。通常，螺

旋线的直径、圈数和间距是关键参数。通过调整这些参数，可以

实现更高的增益、更窄的波束宽度和更宽的工作频带。

其次，优化匹配网络可以提高天线与射频信号源之间的匹配性能。匹配网络通常由扼流圈和电容器组成，以调整天线的输入阻抗。通过调整匹配网络的参数，可以实现更低的驻波比和更高的

微波技术与天线教学设计

前言

微波技术是现代通信领域不可或缺的一部分，尤其是在移动通信和

卫星通信方面得到了广泛应用。在天线领域，微波技术也是一种基本

而必要的技术手段。因此，在高等院校中，微波技术和天线教学也会

被纳入到相关专业的课程中，培养学生掌握相关的理论和应用能力。

在本文中，我们将探讨微波技术和天线教学的设计。

微波技术教学

课程设置

微波技术的课程应该包括微波技术的基础理论以及实际应用的研究。课程内容可以按照以下几个方面进行设置：

1.微波基础理论：介电常数、磁导率、电磁波方程、传输线

理论、反射和透射、耦合、驻波等等。

2.微波被动元件：传输线、变压器和耦合器、滤波器、功分

器、混频器、放大器等等。

3.微波有源元件：稳态和非稳态放大器、振荡器、混频器、

雷达等等。

在教学过程中，应该注重理论与实践相结合，让学生通过实验活动

来深入了解微波技术的工作原理和应用。

实验设计

1.微波滤波器的实验设计。

在这个实验中，学生需要实际制作一种微波滤波器并测试其性能。他们需要设计滤波器的传输线、传输线不同长度处的耦合电容和耦合电感，并在实验中评估其效果。

2.微波混频器实验设计。

在这个实验中，学生需要实际制作一个微波混频器并测试其性能。学生需要设计载波信号和调制信号的传输线，以便在混频器中进行混频。他们需要评估混频器的转换效率并优化混频器的设计。

3.微波振荡器实验设计。

在这个实验中，学生需要实际制作一个微波振荡器并测试其性能。学生需要设计一个反馈回路，使得微波振荡器可以稳定地振荡。他们需要评估振荡器的稳定性并优化振荡器的设计。

微波课程设计

一、设计目的 (1)

二、设计要求 (1)

三、设计步骤 (1)

1、设计方案 (1)

2、设计过程 (4)

1、建立工程和电气电磁结构仿真文件 (4)

2、设置基板参数画天线事物图 (4)

3、创建图表 (4)

4、电磁仿真 (5)

四、设计结果 (5)

1、设计程序原理图 (5)

2、程序仿真结果 (6)

五、设计总结 (6)

六、设计心得 (6)

七、参考文献 (7)

平面等角螺旋天线的设计

一、设计目的

1、通过本课程设计的学习，学生将复习所学高频电子线路、微波技术基础及线路、

天线理论知识，使课堂学习的理论知识应用于实践，通过本课程设计的实践使

学生具有一定的实践操作能力；

2、掌握Microwave Office软件设计方法，能熟练运用该软件设计并分析电路系

统；

3、通过微波课程设计，掌握系统设计仿真的思维方法和基本开发过程。

二、设计要求

1、根据所选题目，设计实现系统的原理框图。

2、给出设计原理图，仿真波形图。

3、每人一组，写出设计报告。

4、设计一个平面等角螺旋天线，天线的中心频率为7GHz。

三、设计步骤

1、设计方案

研究天线除了要分析、研究天线飞方向特性和阻抗特性外，还应考虑它的使用带宽问题，现代通信中，要求天线具有较宽的工作频带特性，以扩频通信为例，扩频信号带宽较之原始信号带宽远远超过10倍，再如通信侦查等领域均要求天线具有很宽的带宽。

非频变天线概念是由拉姆西（V.H.Rumsey）于1957年提出的，使天线的发展产生了一个突破，可将带宽扩展到超过40:1，在此之前，具有宽频带方向性和阻抗特性的天线其带宽不超过2:1。我们已知道，天线的电性能取决于它的电尺寸，所以当几何尺寸一定时，频率的变化导致电尺寸的变化，因而天线的性能也将随

《微波技术与天线》实验的信息化教学设计

一、前言

《微波技术与天线》实验是一门学时较多的课程，其内容涉及天线设计、射频信号的

分析、微波电路的分析等。这门实验的设计使得学生可以更好地理解行业知识，从而加深

对微波技术、天线设计和射频信号分析的理解。本文将对微波技术与天线实验的信息化教

学设计进行论述，为推动实验教学更好地进行，提供建设性的建议和建议。

二、实验目的

《微波技术与天线》实验的主要目的是让学生学习微波技术、天线设计和射频信号分

析技术，学习方式主要围绕理论，但实践对学生学习的重要性也是不容忽视的。因此，

《微波技术与天线》实验的设计应以学生为中心，使学生能够更好地理解实验内容，增强

自主学习能力，加深对微波技术和射频信号分析等方面的理解。

三、实验准备

在实验前，要对实验室进行检查，维护和认真安装，人员安全因素也要注意。首先，

实验室的地面应该正确的铺设，将板材等放在允许的位置；其次，在安装实验室的天线时，要注意其安装质量，原件、支架及安装工艺等应符合要求；最后，实验室的相关安全措施

应该被注意，联网设备及设备间的连接应稳妥有效。

四、信息化教学

为了使实验教学更有效、更有趣，建议将实验过程信息化。学生在实验前，可通过信

息化系统查看基础知识和实验目的，在实验过程中，可通过贴心的实验系统清晰看到实验

过程，并可实时准确地查看到实验数据及其分析；在实验结束后，可根据实验课程以及实

验数据，对实验结果进行完善，提升学生的学习效果。

五、结论

在微波技术与天线实验中，通过信息化教学的设计，可以使学生得到更全面的实践体验，加深对相关技术的理解，更好地实现实验教学的效果。同时，信息技术的应用能够提

小尺寸多层平面式螺旋天线的仿真设计

场增强。
关键词：近场耦合；多层平面式螺旋天线；ＰＣＢ；天线特性中图分类号：ＴＮ８２１文献标识码：Ａ文章编号：１００２－８９３５（２０１３）０５－００４１－０４
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
ｆｏ＝＝＝２３０ＭＨｚ处，Ｓ１１＝＝＝一１５．５ｄＢ，Ｓ２ｌ一一４ｄＢ，可
相邻两层为交叉布线，通过过孔将上下两层螺旋线圈相连接，以保证电流方向一致，产生同方向的磁
场。
根据螺旋天线的理论分析，提出了如图３所示的多层平面式螺旋天线结构模型，发射天线和接收天线同轴，天线中心的不锈钢柱直径为３ｒｆ１．ｍ，天线每层线圈为１３圈，四层结构，层间距为０．３９４ｍｍ，

第五讲-1-螺旋天线教程文件

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
第五讲-1-螺旋天线
螺旋天线历史
▪ 1946年，约翰.克劳斯采用导线绕制了一个周长为1波长的7圈螺旋的天线。
▪ 天线采用12cm波长的振荡源经由同轴线电缆和接地板馈电。
▪ 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
实验天线的测试பைடு நூலகம்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
GPS天线接口A
电气接口（N型阴头）

微波仿真论坛_matlab feko

Matlab 与Feko软件混合

•概述

•模型的建立

•EditFeko中控制卡的编辑•Matlab调用Feko 讨论•Matlab对Feko结果文件的处理

Matlab调用Feko的几个要点

•Matlab调用Feko的几个要点

–在Matlab以如下形式调用Feko

dos('prefeko OnespiralAnt');

dos (‘runfeko OnespiralAnt');

其中的OnespiralAnt为Feko工程文件的名称，prefeko和runfeko是Feko关键字符

串，分别表示Feko预处理和Feko求解器

–在Feko中生成的.pre和.out可以以文本的形式打开，所以在Mablab中可以象处理文本那样来处理这些文件：

在Matlab定义一个变量，该变量对应于Feko的.pre文件中某一个变量（如：工作频率、几何模型的尺寸变量、模型旋转角等），这样，就可以用Matlab控制Feko中

的这个变量，每改变一次该变量的值就可以重新生成一个新的.pre文件，然后调用

runFeko运行新生成的.pre文件；

同样，可以应用Matlab像处理文本一样来处理Feko的结果文件.out，来对仿真结果进行处理。

–Matlab生成的.m文件需要和Feko的工程文件、.pre文件及输出文件存放在同一文件夹中。

举例（单螺旋天线）

•问题描述

–以单螺旋为例来说明如何用Matlab控制Feko

•可以在CadFeko中进行建模；

•也可以在EditFeko中进行建模；（有些问题用EditFeko处理会非常方便）–Matlab可以控制Feko脚本文件.pre中的某个或某几个变量，在该例子中是控制螺旋天线的旋转角度#alpha

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、

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。

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

相关主题

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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

……

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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

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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

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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 ……

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