圆锥螺旋天线的设计和仿真

第２５卷第３期２００４年９月

制

导

与引信

Ｖ０１．２５Ｎｏ．３

ＧＵＩＤＡＮＣＥ＆ＦＵＺＥ

Ｓｅｐ．２００４

文章编号：１６７１＋０５７６（２００４）０３—００４０—０４

圆锥螺旋天线的设计和仿真

徐琰，

汪智萍

（上海航天技术研究院８０２所，上海２０００９０）

摘要：简要介绍了螺旋天线的特点、原理和设计方法，以及不同形式的螺旋结构，设计

了圆锥螺旋天线，运用以有限元法为原理的软件ＨＦＳＳ对螺旋天线进行仿真，并与测量结果进

行比较，仿真结果与测量结果吻合。

关键词：螺旋天线；轴比；有限元法中圈分类号：ＴＮ８２３．３１

文献标识码：Ａ

ＴｈｅＤｅｓｉｇｎａｎｄ

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ

Ｘ【，Ｙａｎ．

ａ

ＣｏｎｉｃａｌＳｐｉｒａｌＡｎｔｅｎｎａ

Ｚｈｉ—Ｐｉｎｇ

ＷＡＮＧ

（Ｎｏ．８０２ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳＡＳＴ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ

ａｒｅ

ａ

ｓｐｉｒａｌａｎｔｅｎｎａ．Ｔｈｅｋｉｎｄｓｏｆｔｈｅｓｐｉｒａｌ

ｏｎ

ａｌｓｏ

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｗｉｔｈ

ａｎｔｅｎｎａ

ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳｓｏｆｔｗａｒｅｂａｓｅｄｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓ

ａｒｅ

ｔｈｅＦｉｎｉｔｅ

ＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｓｐｉｒａｌｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｍｅａｓｕｒｅ—

ｍｅｎｔｓａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｇｒｅｅｍｅｎｔｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐｉｒａｌａｎｔｅｎｎａ；ａｘｉａｌｒａｔｉｏ；ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ

尺寸变化，但输入阻抗却近似不变，其它电性能变

０

引言

为了满足灵活性和通用性，常常要求天线能

化也较缓慢。这类天线称为行波天线，包括常用

的菱形天线、螺旋天线等。

螺旋天线具有多方面的宽频带特性，无论是方向特性、阻抗特性还是极化特性都是宽带的，而且具有体积小、重量轻、频带宽、圆极化特性好等优点，因而得到了广泛的应用。

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，因此增加振子直径只能略微展宽一些频带，一般很少能大于所设计的中心频率的百分之几。驻波天线，也称为谐振天线，有明显的谐振特性，工

１螺旋天线

１．１螺旋天线的结构与几何特性

将金属导线或金属带绕制成一定尺寸的圆柱或圆锥螺旋线，一端用同轴线内导体馈电，另一端

作频带很窄。展宽频带的一个重要途径是使天线

电流工作于行波状态，当频率改变时，尽管天线电

牧■日囊：２００４—０４，０６

作●■介：徐琰（１９７７．），女，工程师，从事天线技术的研究。

第２期徐琰，等：圆锥螺旋天线的设计和仿真

４１

处于自由状态或与同轴线外导体联接。为了消除如果螺旋天线一圈的长度等于一个波长，那么天线导线的总长度就有孢个波长（咒为圈数）。电流沿线不断辐射，到达终端时入射功率已经不

同轴线外皮上的电流和作螺旋线电流的回路，一

般在其末端接一金属圆盘，这样便构成了一个螺旋天线。螺旋线的直径可以是不变的（圆柱螺旋天线），也可以是渐变的（圆锥螺旋天线）。螺旋天线的几何结构和几何参数示意图，如图１所示。

Ｄ

多，终端引起的反射也必然不大，反射电流又沿线

不断辐射，到达输入端的反射功率很少。所以螺旋天线的输入阻抗近似等于特性阻抗，在宽频带

范围内随频率几乎不变，使天线的输入阻抗频带

相当宽。一般，输入阻抗几乎是纯电阻，可表示为

如＝１４０等

式中，Ｃ为天线周长…２。

８一斗

ｂ几何参数

１．３螺旋天线的几种常用形式

除了如图１所示的均匀圆柱螺旋天线外，还有圆锥、准圆锥螺旋天线。大概归纳如下：

ａ）

如图２（ａ）是靠近开放终端的两圈成圆

锥形的均匀圆柱螺旋，这样可以减少反射电流，可以提高轴比；

ｂ）如图２（ｂ）是圆锥螺旋天线，它与圆柱螺旋天线相比增益峰值稍稍下降，但天线的轴比、副

ａ

图１螺旋天线的几何结构和几何参数

Ｆｉｇ．１

Ｔｈｅ

ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ

ａｎｔｅｎｎａ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄ

ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ

ｓｐｉｒａｌ

瓣特性得到了改善；

Ｃ）

如图２（Ｃ）是由两段或多段不同半径的

螺旋天线的几何特性用螺旋直径Ｄ、螺距Ｓ和圈数咒等结构参数来描述：

均匀圆柱螺旋组成的，如图２（ｄ）是由均匀螺旋段和圆锥段组成的，这两种准圆锥螺旋天线（非均匀螺旋天线）的带宽比任意单一半径的均匀圆柱螺旋的带宽要宽得多。

ａ）螺距角ａ＝ａｒｃｔｇ（Ｓ／柏）；ｂ）圈长Ｌ２＝（桕）２＋Ｓ２；

Ｃ）轴向长度ｚ＝ｎＳ。

螺旋天线的辐射特性取决于它的直径波长比

Ｄ以（Ａ为工作波长）。当Ｄ／１１＝（０．２５～０．４６），

螺旋的圈长在一个波长左右的时候，最大辐射方向在轴线方向，这种螺旋天线称为轴向模螺旋天线。通常所说的螺旋天线就是这种模螺旋天线，轴向模螺旋天线也称端射型螺旋天线¨Ｊ。

国屋昌

图２

Ｆｉｇ．２

圆锥、准圆锥螺旋天线的结构示意图

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

Ｔｈｅ

ｄｉａｇｒａｍｏｆｕｎｉｆｏｒｍａｎｄｑｕａｓｉ—ｓｐｉｒａｌ

１．２螺旋天线的辐射机理

轴向模螺旋天线的电流分布可以分为两个区域：衰减波区域和表面波区域。在衰减波区域，电流从输人电流平滑衰减到最小值（在大约两圈之内）；在表面波区域，电流振荡但幅度几乎不变（近似为行波）。

ａｎｔｅｎｎａｓ

２轴向模螺旋天线的设计参数

（１）半功率波瓣宽度

方向图的主瓣宽度以度计算为

４２

制导与

引信第２５卷

２００．５２

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３

有限元法

本文将应用有限元法来分析螺旋天线。有限

元方法的原理是用许多子域来代表整个连续区域，在子域中，未知数用带有未知系数的简单插值

函数来表示。因此无限个自由度的问题被转化成了有限个自由度的问题，换句话说，整个系统的解

用有限数目的未知数近似。然后，用里兹变分或伽辽金方法得到一组代数方程。最后，通过求解

方程组得到边值问题的解。所以，边值问题的有

限元算法包含四个基本步骤：区域的离散或子域的划分、插值函数的选择、方程组的建立及方程组的求解ｂＪ。本文推荐使用ＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳ软件来实现有限元算法，完成对螺旋天线的仿真。

Ａｎｓｏｆｔ

ＨＦＳＳ是计算任意三维无源结构的高

频电磁场仿真软件。ＨＦＳＳ应用切向矢量有限元法求解射频、微波器件的电磁场分布，计算由材料和辐射带来的损耗，可直接得到特征阻抗、传播系数、Ｓ参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。

４仿真模型及仿真结果

有限元法必须在一个封闭的区间内才能求

解，在处理天线这样的开放场问题时，ＨＦＳＳ采用辐射边界条件（ＡＢＣ）来表示开放空间。电磁能量将从ＡＢＣ的表面辐射出去，而不是把他们包含在里面。一般，ＨＦＳＳ要求辐射边界条件放置在距辐射体十分之一波长到四分之一波长的地方，在

主要的辐射方向上，必须在四分之一波长以外。

仿真模型如图３所示，定义介质基板上导体

薄片为ＰｅｒｆｅｃｔＥ，这类边界强制电场垂直表面，模

拟理想导体表面。本文采用ｌｕｍｐｅｄｐｏｒｔ给螺旋天线馈电。

图３螺旋天线的仿真模型

Ｆｉｇ．３

Ｔｈｅ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆ

ａ

ｓｐｉｒａｌ

ａｎｔｅｎｎａ

螺旋天线在中心频率＾的Ｅ面、Ｈ面方向

图的仿真结果，如图４所示。

第２期徐琰，等：圆锥螺旋天线的设计和仿真

４３

德３３Ｑ厂

Ｏ

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图４螺旋天线在中心频率的方向图

Ｆｉｇ．４

Ｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎ

ｏｆ

ａ

ｓｐｉｒａｌ

ａｎｔｅｎｎａ

ｉｎＥ—ｐｌａｎｅ

ａｎｄ

Ｈ—ｐｌａｎｅ

由于此螺旋天线用于某种特殊场合，尺寸受

限制，接地板直径不能像设计得那么大，于是缩小接地板直径重新进行仿真，发现后瓣已经增强了，方向图如图５所示。归一化增益方向图的测量结果与仿真结果比较，如图６所示。

０

蘼孰蠖１爹

８０

图５接地板直径发生变化后的方向图

Ｆｉｇ．５

Ｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎ

ｐａｔｔｅｒｎ

ａｆｔｅｒｖａｒｙｉｎｇｔｈｅｇｒｏｕｎｄ

ｄｉａｍｅｔｅｒ

角度／（。）

——仿真值

一一测试值

图６测量结果与仿真结果的比较

Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｐａｔｔｅｒｎｓ

５

结束语

不同形状的螺旋天线有各自的特点，要根据

不同的性能指标去设计。圆锥螺旋天线的带宽比

圆柱螺旋天线频带有所扩展，更重要的是圆锥螺旋天线能满足波瓣宽度的要求。

仿真对天线的设计很重要，由于某些原因，天线的边界条件受到限制，通过仿真就能预先估计方向图等指标的变化，然后可以有针对性的进行改进和弥补，避免不必要的浪费。参考文献

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［３］Ｊ．Ｌ．ＷＯＮＧ，Ｈ．Ｅ．ＫＩＮＧ．ＢｒｏａｄｂａｎｄＱｕａｓｉ—

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ｏＮ

ＡＮＴＥＮＮＡＳ

ＡＮＤ

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［４］康行健．天线原理与设计［Ｍ］．北京：国防工业出版

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［５］金建铭．电磁场有限元方法［Ｍ］．西安：西安电子科

技大学出版社，２００２．

Ｆｉｇ．６

圆锥螺旋天线的设计和仿真

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

徐琰， 汪智萍

上海航天技术研究院802所,上海,200090制导与引信

GUIDANCE & FUZE2004,25(3)4次

参考文献(5条)

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