螺旋天线设计
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。
螺旋天线的仿真设计
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。
仿真螺旋天线的仿真是验证天线性能和效果的重要步骤。
在仿真过程中，可以得到螺旋天线的各项性能指标，如增益、方向性、回波损耗等。
通过仿真分析，可以调整和优化天线的参数，从而使其达到最佳的性能。
本文介绍了螺旋天线的仿真设计过程，包括建模、设计、优化和仿真。
螺旋天线电路设计
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。
辐射效率辐射效率是指天线将输入功率转化为辐射功率的能力。
提高辐射效率可以减少能量损耗，提高天线的性能。
螺旋天线的辐射效率受到导体材料、匝数、尺寸和地平面等因素的影响。
极化特性螺旋天线可以实现不同的极化方式，如线性极化和圆极化。
通过合适的设计和调整，可以实现所需的极化特性。
螺旋天线电路参数在设计螺旋天线电路时，需要考虑到电路的匹配、增益、带宽和阻抗等参数。
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。
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。
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功率传输效率。
最后，优化接地板的结构可以影响天线的辐射效果。
接地板的尺寸、形状和材料都会对螺旋式天线的辐射特性产生影响。
因此，选择合适的接地板结构是螺旋式天线设计中一个重要的优化方面。
总体而言，螺旋式天线是一种高性能的天线结构，具有良好的辐射特性和宽频带特性。
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。
螺旋天线设计
天线――螺旋天线物理尺寸对天线效率的影响一、天线概览绝大多数天线具有可逆性：即天线用作接收天线时的特性与其处于发射状态时的特性时相同的。
辐射方向图：表示给定距离下天线的辐射随角度的变化，辐射的强弱由离天线给定距离r处的功率密度S来评价。
接收模式下，天线对于某方向来波的响应正比于辐射方向图上该方向的值。
方向系数：表示最大辐射强度于全空间均匀辐射时的平均辐射强度之比。
极化：描述了天线辐射时电场矢量的特征，瞬时电场矢量随时间的轨迹图决定波动的极化特性。
天线的输入阻抗：是天线终端电压与电流之比，通常的目的是使天线的输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配。
§天线分类依据频率特性的不同，可以把天线分成四种基本类型。
◎电小天线：天线的尺寸比一个波长小很多。
特征：很弱的方向性，低输入电阻，高输入电抗，低辐射效率。
适合于VHF或更低的波段。
如短振子，小环。
◎谐振天线：在谐振频率点或某个窄频带内工作令人满意。
特征:低或中等增益，实输入阻抗，带宽狭窄。
主要用于HF到低于1GHz的频段。
如半波振子，微带贴片，八木天线。
◎宽带天线：在一个很宽的频率范围内，方向图、增益和阻抗几乎是常数，并且能够用有效辐射区的概念表述其特征，该区域在天线上的位置随频率的变化而变化。
特征：低到中等增益，增益恒定，实输入阻抗，工作频带宽。
主要用于VHF直至数个GHz的频段。
如螺线天线，对数周期天线。
◎口径天线：由一个供电磁波通过的开放的物理口径。
特征：高增益，增益随频率增大，带宽中等。
用于UHF和更高的频段。
如喇叭天线，反射面天线。
§天线的电气特性（1）方向特性――方向图（BW0.5，FSLL）、方向系数D、增益G。
（2）阻抗特性――输入阻抗Zin、效率2640rhRA，（辐射阻抗Z）（3）带宽特性――带宽、上限频率f1，下限频率f2。
（4）极化特性――极化、极化隔离度。
天线增益G ：等于辐射功率与输入功率之比。
AG D阻抗特性：电小天线和谐振天线之所以是窄频带天线，很大程度上受制于恶劣的阻抗特性。
螺旋天线的分析
螺旋天线的分析什么是螺旋天线螺旋天线是一种非常重要的天线类型，它具有天线增益大、辐射方向性好、宽带性能优越等特点，适用于多种场合。
螺旋天线通常由多个圆形或椭圆形线圈构成，因此也被称为螺旋线天线或螺旋卷曲天线。
螺旋天线的设计原理螺旋天线是以馈电点为中心，将导体材料绕成多个圆形或椭圆形线圈而形成的。
不同线圈的导线都是交织在一起的，通过这种排列方式，螺旋天线就能产生较强的辐射。
螺旋天线的电磁波辐射究竟是由什么原理产生的呢？这里简单介绍一下。
当导体上有电流通过时，会产生一个磁场，这个磁场的方向垂直于电流的方向。
同时，在导体上也会产生一个磁场，这个磁场的方向垂直于导体的方向。
这两个磁场会形成一个电磁波，这个电磁波就是螺旋天线所产生的辐射。
螺旋天线的特点螺旋天线的特点可以概括为以下几个方面：•天线增益大：由于螺旋天线的辐射方式是螺旋状的，因此其天线增益比传统的线极天线要大得多。
•辐射方向性好：由于螺旋天线的辐射方式是以馈电点为中心，向外辐射，因此具备了非常好的方向性。
•宽带性能优越：螺旋天线的辐射带宽比传统的线极天线要宽得多。
•抗干扰能力强：在电磁波辐射极强的环境下，螺旋天线的性能要比其他类型的天线更加稳定。
螺旋天线的应用由于螺旋天线具备天线增益大、辐射方向性好、宽带性能优越等特点，因此它的应用场合非常广泛。
以下是几个应用实例：•气象卫星气象卫星是用来观测地球的大气变化情况以及天气预报的一种卫星。
由于气象卫星需要在红外和可见光等多个频段上进行观测，因此需要使用宽带性能优越的螺旋天线。
•无人机无人机的控制和导航都需要借助于GPS信号。
因此，无人机上需要安装GPS天线，而螺旋天线正是一种非常好的GPS天线。
•通信系统螺旋天线的辐射方式非常适合在通信系统中使用。
在电磁波辐射比较强的环境下，螺旋天线的抗干扰能力也将变得更加出色。
总结螺旋天线是一种非常重要的天线类型，因为它具备天线增益大、辐射方向性好、宽带性能优越等特点，适用于多种场合。
无线局域网中5 GHz频段的轴向模螺旋天线设计方案
无线局域网中5 GHz频段的轴向模螺旋天线设计方案
0 引言
螺旋天线是一种宽带行波天线，辐射圆极化波。
按结构来分有立体螺旋和平面螺旋两种。
立体螺旋天线的辐射特性主要取决于螺旋直径D与波长λ的比值。
当D/λ《0．18时，天线最大辐射方向垂直于螺旋轴线，称为法向模辐射或基模辐射，而当3/4π
1 轴向模螺旋天线理论及设计
1．1 轴向模螺旋天线理论
螺旋几何结构如图1所示，用来描述螺旋参量的主要有：螺旋直径D、螺旋邻圈之间节距S、螺旋圈数n及螺旋导体直径d。
由这些参量推导的其他参量有螺旋周长C=πD、螺旋升角α=arctan（S/（πD））、每圈的长度、螺旋的轴长A=nS。
假设沿辐射轴向模的n圈螺旋天线导体上载有均匀幅度的单向行波，根据方向图乘法原理，其远场方向图等于单圈的方向图乘上一列由n个各向同性点源组成直线阵的阵因子，阵元间距等于螺旋的节距。
当螺旋很长（nS/λ》1）时，阵因子锐变远甚于单圈方向图，因而长螺旋的远场方向图可近似取此点源阵方向图。
n个各向同性点源组成阵列的阵因子为：
式（5）即为辐射轴向模所要求的圈长与节距的关系，其中m为能使轴向辐射为最大传输模的阶数。
当m=1时引入螺旋升角α的得到相对相速：
p=1/［sinα+（cosα/Cλ）］（6）
如果使用增强定向性端射阵的Hansen＆Woodyard条件来配置点源相位，则式（4）变为：φ=-（2πm+π/n）（7）
相对相速p变为：
John D．Kraus通过大量实验验证了3/4
对于3/43单绕轴向模螺旋天线，John D．Kraus通过大量实验和研究得到了一些经验公式，。
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。
宽带平面螺旋天线的研究与设计
宽带平面螺旋天线的研究与设计
宽带平面螺旋天线的研究与设计
1．1 天线辐射元的设计
阿基米德螺旋天线是一种自互补天线，即天线臂宽与间隔相等。
对于自互补结构的天线，由巴俾涅原理知其输入阻抗为60πΩ。
如微带衬底介电常数为εr，则输入阻抗选择普通基板εr=4．6，基片厚度h=1 mm，这样天线的输入阻抗约为Z0=112．6Ω。
天线外圈周长必须大于1．25倍λmax，馈电点间距必须小于λmin／4。
1．2 背腔设计
要获得单向辐射，需要用到反射腔，也可以在背腔内填充吸波材料，考虑到增益，本文腔体内部不填充吸波材料，而直接采用λ／4扼流套作为背腔。
其基本结构如图2所示，在同轴线外部加上一个长度为λ／4的金属套，底端与同轴线外皮短接，该金属套与同轴线的外导体构成一个特性阻抗为Zc的新同轴线L，且终端短路。
易知，终端短路的λ／4长的同轴线有开路效应即从L顶端向下看去，特性阻抗为Zc的同轴线的输入阻抗为无穷大，也就是说如果在该段传输线上有电压电流分布，则最顶端为电压腹点，电流节点，从而这种结构有一定的扼流作用。
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。
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。
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
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天线――螺旋天线物理尺寸对天线效率的影响一、天线概览绝大多数天线具有可逆性：即天线用作接收天线时的特性与其处于发射状态时的特性时相同的。
辐射方向图：表示给定距离下天线的辐射随角度的变化，辐射的强弱由离天线给定距离r处的功率密度S来评价。
接收模式下，天线对于某方向来波的响应正比于辐射方向图上该方向的值。
方向系数：表示最大辐射强度于全空间均匀辐射时的平均辐射强度之比。
极化：描述了天线辐射时电场矢量的特征，瞬时电场矢量随时间的轨迹图决定波动的极化特性。
天线的输入阻抗：是天线终端电压与电流之比，通常的目的是使天线的输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配。
§天线分类依据频率特性的不同，可以把天线分成四种基本类型。
◎电小天线：天线的尺寸比一个波长小很多。
特征：很弱的方向性，低输入电阻，高输入电抗，低辐射效率。
适合于VHF或更低的波段。
如短振子，小环。
◎谐振天线：在谐振频率点或某个窄频带内工作令人满意。
特征:低或中等增益，实输入阻抗，带宽狭窄。
主要用于HF到低于1GHz的频段。
如半波振子，微带贴片，八木天线。
◎宽带天线：在一个很宽的频率范围内，方向图、增益和阻抗几乎是常数，并且能够用有效辐射区的概念表述其特征，该区域在天线上的位置随频率的变化而变化。
特征：低到中等增益，增益恒定，实输入阻抗，工作频带宽。
主要用于VHF直至数个GHz的频段。
如螺线天线，对数周期天线。
◎口径天线：由一个供电磁波通过的开放的物理口径。
特征：高增益，增益随频率增大，带宽中等。
用于UHF和更高的频段。
如喇叭天线，反射面天线。
§天线的电气特性（1）方向特性――方向图（BW0.5，FSLL）、方向系数D、增益G。
（2）阻抗特性――输入阻抗Zin、效率2640rhRA，（辐射阻抗Z）（3）带宽特性――带宽、上限频率f1，下限频率f2。
（4）极化特性――极化、极化隔离度。
天线增益G ：等于辐射功率与输入功率之比。
AG D阻抗特性：电小天线和谐振天线之所以是窄频带天线，很大程度上受制于恶劣的阻抗特性。
输入阻抗与复数功率间的关系:22()(inin ininininP jQ Z R jX I I 为单峰值）. 天线效率：dR*100%R R A ＝＋。
如果天线效率是100％，输入阻抗与辐射阻抗应该相等。
然而事实上不是。
辐射电阻于方向系数的联系：2max 120()R D f ，其中max f 为未归一化方向函数模的最大值。
工作频率带宽：当工作频率变化时，系统关注的几个主要电参数同时满足上述容许值的频率范围，称为天线的工作频率带宽。
相对带宽则是中心频率的百分比：ulP cf f B f最佳接收条件：（1） 接收天线的最大接收方向对准来波方向。
（2） 接受天线的极化于来波的极化匹配。
（3） 接收天线的负载于自身的阻抗匹配。
前两个条件为了感应电动势最大化，最后一个条件为了获取最大接收功率。
二、螺旋天线螺旋形天线的设计电磁辐射体的另一种基本配置是把导线绕成螺旋形。
螺旋天线（图10）有简单和实用的结构，在多数情况下它也使用接地平板。
圈数（N ）、直径（D ）和圈距（S ）决定了天线的增益和方向性。
天线的总长为L N =NL o =Nsqrt(S 2+C 2)这里D 是直径，C=πD 是螺旋的圆周，S 是圈距，L o = sqrt(S²+C²)是一圈导线的长度。
另一项重要参数是螺旋角α，它是螺旋线切线和螺旋轴垂直平面的夹角。
螺旋角的定义为α=tan-1(S/C)当α = 0°时，绕组被压平，螺旋变成N圈的环形天线。
另一方面当α = 90°时，螺旋就变成一条直线。
螺旋天线有2种工作模式：1) 常态模式在常态工作模式，天线辐射场在相对于螺旋轴的法线平面有极大值，如图10.2所示。
对于该模式：NL o << λ。
2) 轴向（端射）模式这种工作模式只有一个主瓣，它的最大辐射强度沿着螺旋轴，如图10.3所示。
副瓣与轴间有一个倾斜角度。
为激励这种模式，其直径D和空间S必须是波长的一个大分数。
图10 螺旋天线的结构§法向模螺旋天线当螺旋直径D 很小时（pi ×D ＝L<0.5波长），螺旋天线众的导波波长g与只有空间波长及螺旋直径D 之间有如下关系：22.50.520()()gDD在短波、米波及分米波波段可用法向模螺旋天线来代替鞭状天线，这样做可使天线高度缩短约三分之一，甚至更多。
其计算公式是： 天线高度：4gh天线的总圈数：0.23000()()()hNf MHz D cm D绕制螺旋所用导线总长为：0.2*()*10h N LD ND实践证明，天线高度降低后，尽管辐射电阻也降低了，但仍可维持所需的天线效率。
法向模螺旋天线驻波比小于1.5的带宽约为5％。
此外，除了圆柱形螺旋天线外，还有圆锥形螺旋天线，它的波段特性比圆柱形天线好，波段覆盖系数为2～3。
（以上来自《天线》北京邮电学院出版社） 在法向模式情况狭，辐射场的最大方向垂直于螺旋天线轴。
一圈螺旋可近似看作是小圆环天线加一电基本振子。
通常，法向模螺旋天线是垂直放置的，并且使222222(/)SE SEDC （极化椭圆的轴比）的比值大于1，这样使得垂直方向的辐射占主导地位。
这种情况对于小型无线电接收机是非常实用的，比如个人收音机。
在这些情况下，线长Lw 大约等于四分之一波长，并且天线按单极子方式馈电。
这种天线常被称作法向模螺旋天线（NMHA ），或谐振式短截螺旋，其方向图几乎是全向的。
这种天线与常规等长度的直导线单极子相比的优点是：螺旋本身相当于一电感器，有助于抵消电小天线本身固有的容抗。
沿着螺旋线的电流近似是正弦分布的。
理想导电地上架高不超过/8的谐振式短截螺旋的辐射电阻r R ：2640r hR 。
附：天线基本知识§天线选择在选择天线时必须首先注重其性能。
具体说有两个方面，第一选择天线类型；第二选择天线的电气性能。
选择天线类型的意义是：所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求；选择天线电气性能的要求是：选择天线的频率带宽、增益、额定功率等电气指标是否符合系统设计要求。
§天线的辐射效率指天线辐射到空间的功率与输入功率之比，对于全向天线而言,效率是最重要的参数.如果两个天线效率相同的全向天线,增益大的反而不好,因为这只说明其方向性强.§什么是天线的增益？答：增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。
增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求，简单地说，在同等条件下，增益越高，电波传播的距离越远，一般基地台天线采用高增益天线，移动台天线采用低增益天线。
§什么是电压驻波比？答：天线输入阻抗和馈线的特性阻抗不一致时，产生的反射波和入射波在馈线上叠加形成的磁波，其相邻电压的最大值和最小值之比是电压驻波比，它是检验馈线传输效率的依据，电压驻波比小于1.5，在工作频点的电压驻波比小于1.2，电压驻波比过大，将缩短通信距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放管，影响通信系统正常工作。
§什么是天线的方向性？答：天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。
衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。
全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。
定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。
§如何理解天线的工作频带宽度？答：天线的电参数一般都于工作频率有关，保证电参数指标容许的频率变化范围，即是天线的工作频带宽度。
一般全向天线的工作带宽能达到工作频率范围的3-5%，定向天线的工作带宽能达到工作频率的5-10%。
§VSWR天线系统和输出阻抗为50欧的发信机的匹配条件是天线系统阻抗为50欧纯电阻。
要满足这个条件，需要做到两点：第一，天线电路与工作频率谐振（否则天线阻抗就不是纯电阻）；第二，选择适当的馈电点。
其中谐振是最关键的因素。
§所有功率源都存在内部阻抗。
匹配时，才能向外部设备传输最大功率。
§：波长（米）=速度/频率=300/频率（MHz）。
§传输线和天线的以下特点：（1）长度短于四分之一波长的短路线呈电感性；（2）长度短于四分之一波长的开路线呈电容性；（3）如果一条任意长度的导线的终端电阻等于它的特性阻抗，那么它就是一个纯电阻性的负载，因而不会把能量反馈回信号源；（4）长度略短于四分之一波长倍数的天线呈电容性；（5）长度略长于四分之一波长倍数的天线呈电感性；（6）电感性负载可用加入电容的方法来匹配，电容性负载可用加入电感的方法来匹配。
§八木天线八木天线是最简单的多振子定向天线，它是根据用数字方法解释了其工作原理的人而命名的。
其结构、制作尺寸及连接方式如图13所示。
它由反射器、激励振子、引向器等组成。
其主要目的是将信号引向到激励振子,并通过反射器将信号聚焦到激励振子。
实际上它就是一付定向天线。
注：第一引向器比激励振子短4％，第二引向器比第一引向器短2～4％，第三引向器比第二引向器短3％，第四引向器比第三引向器短2％。
另外，八木天线只有激励振子是直接与设备相连接的，其振子间隔均为015～02波长。
§天线增益的计算：G=η4πS/λ2=η（π/λ）2D2式中，S-天线口径面积（平方米）；λ-工作波长（米）；D-抛物面口径（即面口直径）（米）；η-天线效率。
§效率（η）输入到天线的射频功率，由于天线系统中的热损耗、介质损耗、感应损耗（悬挂天线的设备及大地的感应损耗）而消耗一部分，因此不能全部变为电磁波辐射出去。
天线效率表示天线是否有效的转换能量，是天线重要参数之一，发射天线的效率η是指真正射出去的功率Pr 与输入到天线的总功率Pin（辐射功率Pr与天线损耗功率Ps的和）之比，即：η=Pr/Pin= Pr/（Pr+Ps）上式还可以用天线输入端的辐射电阻Rro和损耗电阻Rs表示。
即：η=I×Rro/（I×Rro+ I×RS）= Rro/（Rro+ RS）可见，要提高天线辐射效率，应设法提高辐射电阻，尽可能降低损耗电阻。
从上面算式中很明显的看出，天线效率总是小于1。
§接收天线共轭匹配。