第五讲-1-螺旋天线教程文件
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。
最新螺旋天线原理简介
一般成品螺旋天线都用导电性能良好的金属线绕成并密封好。
其工作原理下：图1 所示一般天线结构示意图。
D是螺旋天线直径，L是螺旋天线长度，ρ是螺距，Ⅰ、Ⅱ是螺旋线上相对应两点。
一般可以认为，电磁波沿金属螺旋线以光速C作匀速运动。
从Ⅰ点到Ⅱ点即进行一个螺旋，所需时间为t = πD/C而对螺旋天线而言，其轴向电磁波只运动行进了一个螺距ρ，其轴向等效速率υ=ρ/t=ρ/C(πD)这种关系也可用图2形式解释。
由图2可知：υ=Csinθ=Cρ/（πD）≤C由上式可以看出，υ总是小于等于C的。
故螺旋天线能使电磁波运动速度减慢，是一个慢波系统，其等效波长λ等效小于工作波长λ。
对于螺旋天线而言，应谐振于其1/4等效波长，因而能缩短螺旋天线的几何长度。
对于工作于一定中心频率的通讯机来说，其所需绕的线圈数N可以由下式近似算出：螺距：υ=L/N所需金属线长度：ι=NπD工作总结-财务处长个人工作总结[工作总结-财务处长个人工作总结]工作总结-财务处长个人工作总结（范文）工作总结-财务处长个人工作总结2009-07-06 11：52财务处长个人工作总结光阴似箭、岁月如梭，转眼之间一年过去了，新的一年已经开始，工作总结-财务处长个人工作总结。
回顾一年来的工作，我处在局党组和*局长的正确领导下，在各兄弟处室和同志们的大力支持和积极配合下，全处上下团结奋进，开拓创新，圆满地完成了全年的各项工作任务。
现将主要情况汇报如下：一、加强政治业务学习，努力提高自身素质。
我深知作为财务处长，肩负的任务繁重，责任重大。
为了不辜负领导的重托和大家的信任，更好的履行好职责，就必须不断的学习。
因此我始终把学习放在重要位臵。
一是认真学习党的"十六大"和十六届三中全会精神，特别是重点研读了胡锦涛总书记在"三个代表"重要思想理论研讨会上的讲话。
通过认真研读、冷静思考，使我充分理解了"三个代表"重要思想是我们党立党之本、执政之基、力量之源的深刻内涵；深刻认识了"发展是执政兴国第一要务"的精神实质。
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。
螺旋天线综述
螺旋天线综述1 引言螺旋天线(helical antenna)是用导电性良好的的金属做成的具有螺旋形状的天线。
螺旋天线具有圆极化，波束宽度宽的优点，因此被广泛在卫星通讯，个人移动通信中。
同轴线馈电是螺旋天线的常用馈电方式，可以采用底馈或者顶馈，此时同轴线的内导线和螺旋线的一端相连接，外导线则和接地板（金属圆盘或矩形板状等）相接，螺旋线的另一端是处于自由状态。
螺旋天线既可用做反射镜或透镜的辐射器，也可用做单独的天线（由一个或几个螺旋线组成）。
2 螺旋天线的发展螺旋天线的辐射能力是美国科学家 JohnD.Kraus于1947年在实验中发现的，自此之后，螺旋天线以其在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗和在同样的频带上按“超增益”端射阵的波瓣图工作特点很快在各领域得到了广泛的应用。
许多学者对螺旋天线的辐射特性进行了研究，给出了螺旋天线辐射设计多经验公式。
20世纪70年代，苏联科学家尤尔采夫和鲁诺夫对各种形式的螺旋天线进行了比较系统的理论分析和设计研究。
此后各国学者进行了这方面的研究，延伸出了很多变种，尤其是四臂螺旋天线因其高增益，方向性好，圆极化的特点，得到了深入的发展和实际应用，如图1所示。
2008年弗吉尼亚大学的Warren Stutzman教授制成了一种六臂螺旋天线，如图2所示。
天线实现了几乎最优化的UWB性能，通过采用围绕一个金属中心核而卷绕的臂来维持与臂之间相对不变的距离，几乎完整的利用了天线罩内的整个三维空间。
该天线具有10:1的瞬间带宽，它可以被用于频域、多带宽、多信道应用以及时域或脉冲应用。
在低成本的应用中，该设计可以被蚀刻在天线罩的内部，或由曲线或曲管构建。
图1 图23 螺旋天线的分类及特性螺旋天线可分为立体螺旋天线(helical antenna)和平面螺旋天线（spiral antenna）。
立体螺旋天线根据绕成的形状的不同，又可分成圆柱形螺旋天线、圆锥形螺旋天线等等。
圆锥形螺旋天线又称为盘旋螺线型天线，可同时在两个频率工作。
螺旋天线
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S11曲线。
本设计参数为： 螺旋天线的中心频率 f=2.5GHz ，λ=120mm ； 螺旋导体的半径 d=0.15λ=18mm ； 螺旋线导线的半径 a=0.5mm ； 螺距 s=0.25λ=24mm ； 圈数 N=7； 轴向长度 l=Ns=168mm ； 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 Design ，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…………………………………装……………………………………订………………………………………线…………………（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:18 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 输入X:0 Y:0 Z:-12，按回车键结束输入；在右下角的输入栏中输入dX:0 dY:0 dZ;168；按回 车键；在弹出的Helix 窗口中，Turn Directions:Right Hand Pitch:24(mm) Tuns:7 ; Radius change per Turn:0点击OK 。
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
立体螺旋天 线
一般，平面螺旋天线在后面添加背腔来提高增益
螺旋天线 示意图 阿 基 米 德 螺 旋 天 线 等 角 螺 旋 天 线
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ圆锥螺旋天线
螺旋天线 特性
输入阻抗 近似为纯 电阻
最大辐 射方向 沿轴向
宽频带 特性
输入阻抗 变化平缓
辐射场是 圆极化波
电流按 行波分 布
螺旋天线 应用
利用良好的方向性和宽带特性
螺旋天线
螺旋天线 内容
螺旋
天线
圆锥对数 螺旋
天线
螺旋天线 发展历史 1947年,美国科学家 John D . Kraus 在实验中发 现螺旋天线的辐射能力
由于其宽带特性，得到广泛应用。天线形式由 平面螺旋天线，发展出圆柱、圆锥螺旋天线等
越来越多的研究集中在如何调节圆锥和螺旋 线尺寸，从而实现其性能的最优化上 。
螺旋天线 结构
• 把金属导线按一定 的间距曲绕成螺旋 形状，并用绝缘材 料支杆沿螺旋的轴 向方向把线圈支撑 起来，螺旋的一端 与发射机的输出端 连接，另一端开路， 就构成了螺旋天线。
螺旋天线 分类
螺 旋 天 线
平面螺旋天 线
等角螺旋天 线
阿基米德螺 旋天线 圆柱螺旋天 线 圆锥螺旋天 线
结构 上有 单臂/ 双臂/ 四臂 之分
• 用于宽带和超宽带通信,如电视/GPS定位/雷达/卫 星通信
利用良好的空气动力学特性
• 用于火箭、飞机、导弹的前端
圆锥螺旋天线
圆锥对数螺旋天线 几何结构
圆锥对数螺旋天线 频率改变
圆锥对数螺旋天线 螺旋线包角改变
圆锥对数螺旋天线 圆锥半张角改变
圆锥对数螺旋天线 仿真结果分析
• 仿真结果表明：圆锥对数螺旋天线方向图的 主瓣随频率变化不大，但是 在低频端可能会 有较强副瓣。而螺旋线缠绕紧密程度和圆锥 半张角对天线方向图有较大影响： • 增加螺旋线包角 (即缠绕更紧密)时，天线方 向性更好 ； • 在不增加螺旋圈数的前提 下，圆锥半张角过 大或过小，天线的前向方 向性都不好，需要 经过优化，才能得到理想的方向图。
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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
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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
双螺旋天线的设计（3）
半球形方向图
四臂螺旋天线及阵列的设计（1）
四臂螺旋天线HFSS建模
四臂螺旋天线及阵列的设计（2）
四臂螺旋天线HFSS三维仿真效果图
四臂螺旋天线及阵列的设计（3）
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）