等角螺旋天線

1、等角螺旋天線仿真分析Abstract:本文基于等角螺旋天線的基本原理，禾用電磁讓真軟件HFSS構(gòu)建并仿真分析了一個基本的等角螺旋天線。通過仿真結(jié)果，得到了一個頻帶為 442MHz929MHz,頻帶內(nèi)S參數(shù)小于-10dB的天線，并分別給出450MHz,670MHz, 900MHz處的E、H面方向圖。關(guān)于結(jié)果的分析也列于最后。1引言螺旋天線屬于非頻變天線，具有 可觀的帶寬比，通常都具有圓極化特 性，半功率帶寬一般約為7090°。由 于螺旋天線具有體積小，寬帶寬的特 性，因而廣泛應(yīng)用于國防，遙感等方 面。螺旋天線陣列還用于118GHz的 軍用飛行器方面。2天線設(shè)計本文仿真的等角螺旋天線如圖

2、1所示，可由4個公式表示定義每個支 臂的內(nèi)外半徑a（）r1=r0e（1）a®）r2=roea（兀）r2=roea（ ®- n- S）r2=r°e式中r0為®=0時的矢徑，a為一個常數(shù)，用于控制螺旋的張率。用式可螺旋約為最佳。本文利用HFSS構(gòu)建模型，并進(jìn)行仿真分析。構(gòu)建的模型如圖 2所示。 仿真的天線最終選定參數(shù)如下:r0=27.5cm，a=0.27，n=0.92。圖1平面等角螺旋天線幾何模型圖2等角螺旋天線(a)斜視圖(b)頂視圖(c)側(cè) 視圖3.仿真分析3.1 S參數(shù)圖3所示為S參數(shù)仿真結(jié)果，由以建立起圖1所示的平面等角螺旋天 線。當(dāng)S =n /2寸

3、，圖1所示的結(jié)構(gòu)是 自補(bǔ)的，在這種情況下，方向圖對稱 性最好。自補(bǔ)天線有如下特性：Z金屬=Z空氣=n /2=188.5 Q(5)這就要求在HFSS仿真的時候饋電對 口阻抗大致設(shè)為188.5 Q。等角螺旋天線工作頻帶的上限fu由虧點結(jié)構(gòu)決定，最小半徑r0在饋電 區(qū)的周長2n0=?u=c/fu。當(dāng)然，螺旋在 該店終止，連接到饋電傳輸線。下限 頻率通過天線整體半徑R來限制，使 其約為fL的1/4波長。實驗發(fā)現(xiàn)半圈到三圈的螺旋對參 數(shù)a和S相對來說不敏感。一圈半的-a.so -G.5CManicXYnt:1C10.»»沱：:1心:：Ct. If：:Td sE o(31 G r- n

4、-：, tflpon" TsocQM3188.5Q,這只是個理論值，實際的測 試結(jié)果與此出入，可能使得天線的匹 配欠佳，所以造成天線的增益下降。圖4 450MHz處方向圖圖6 900MHz處方向圖52i.OCAR HFBSsijit £0 430.550 68180FfSO DHdOICIIC! 0-0 00.150圖7軸比隨頻率變化的仿真結(jié)果圖可以看出，從 442MHz929MHz處, S參數(shù)都低于-10dB，說明此等角螺旋 天線在次帶寬內(nèi)為通帶。偏離 450MHz900MHz的原因，與饋電處的 結(jié)構(gòu)（r0主要決定天線的高頻），天線 的張角和天線的圈數(shù)（a和n控制天線 的

5、外徑，外徑主要決定天線的低頻） 都有關(guān)系。XY Plot 1 HSSDesgnl圖3 S參數(shù)仿真結(jié)果3.2方向圖圖4、5、6分別為天線在450MHz, 670MHz, 900MHz處，E面和H面的方 向圖。由三圖可以看出，等角螺旋天 線在通帶內(nèi)，天線都是雙向軸向輻射， 具有良好的方向圖不變性，即非頻變 特性。由方向圖看，天線的整體增益不 理想，產(chǎn)生原因與饋電的關(guān)系較大， 利用HFSS仿真是，端口阻抗設(shè)置為RP G70M irssrtpi'屈3.3軸比圖7所示為天線的軸比隨頻率變 化特性。由圖可以看出，天線的軸比 在442MHz929MHz大致小于5dB?？?以看出，天線的圓極化特性差強(qiáng)人意， 具體原因不清楚，可能跟饋電的結(jié)構(gòu) 和仿真采用的算法有關(guān)?？焖俜ㄇ蠼?速度快，精度欠佳，離散法求解精度 高，但耗時太多。4.總結(jié) 本文先對等角螺旋天線進(jìn)行了理 論分析，得出了其單臂的相應(yīng)表達(dá)式。 接著在仿真軟件HFSS中建模并仿真。 經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終得到了在 442MHz929MHz 內(nèi) S參數(shù)小于-10dB, 軸比小于 -5dB