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1、黄 冈 师 学 院本 科 生 毕 业 论 文题 目：螺旋天线的分析专业年级：电子信息工程2008级学 号：学生：指导论文完成日期20XX5月重声明本人的毕业论文是在指导老师的指导下独立撰写并完成的。毕业论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规和侵权行为,如果有此现象发生,本人愿意承担由此产生的各种后果,直至法律责任；并可通过网络接受公众的查询。特此重声明。毕业论文作者签名：_年月日目录摘要IABSTRACT1、绪论111 螺旋天线的发展历史112 螺旋天线发展前景22、螺旋天线的原理32.1 相关背景与技术321.1 相似原理321.2 非频变原理421.3 螺旋天线工作原理42.2 螺
2、旋天线的技术指标52.3 螺旋天线原理和相关计算823.1 平面阿基米德螺旋天线的基本形式823.2 螺旋天线辐射原理923.3 螺旋天线的藕合原理113.1 HFSS简要介绍133.2天线建模、仿真及结果分析1332.1 螺旋天线HFSS仿真流程图1332.2 天线仿真的参数结果和分析14结束语20参考文献21致23 / 螺旋天线的分析专业：电信 _ 指导摘要本文对螺旋天线的发展历史和前景作了简要介绍,并对螺旋天线的工作原理和分析方法作了概述,包括对天线进行分析的主要指标、计算公式,螺旋天线的各项参数。针对平面阿基米德螺旋天线进行了详细分析和论述;同时针对该工作在2.4GHZ的阿基米德螺旋天
3、线实体用ansofthfss13.0软件进行仿真,探究了阿基米德螺旋天线参数对方向图、增益宽度、阻抗宽度、轴比宽度的影响,并且对仿真后的输入功率、净输入功率、辐射功率、辐射效率、方向性系数、最大增益、前后向比等进行分析。关键词：螺旋天线 阿基米德螺旋天线 hfss仿真 功率 辐射 增益Analysis ofthehelical antennaSpeciality: Electronic & Information EngineeringClass:0802 Author: Song Biao Tutor:LuoChunyaAbstractThis article briefly introdu
4、cedthehistory of the developmentand prospectsofthespiralantenna,and spiralantennaworksand methods of analysisare summarized. Analysis of the key indicators, includingthe antennacalculationformula, the parametersofthehelical antenna, A detailed analysis and discussionof planarArchimedean spiralantenn
5、a. The workArchimedean spiralantennaentitiesin2.4GHZ ofbyansoft hfss13.0softwaresimulation. Explore theArchimedean spiralantennaparametersonthepattern, gainwidth, impedancewidth,the influenceoftheaxial ratio ofthewidth,And the Incident power after the simulation, the Acceptable power, Max U, radiati
6、on efficiency, directivity, maximum gain before and after analysis to the ratio.Keywords:Helical antenna Archimedean spiral antenna HFSS simulationPower Radiation Gain1、 绪论1.1螺旋天线的发展历史德国物理学家赫兹在1887年为验证英国数学家麦克斯韦预言的电磁波设计了第一个天线,其组成是两根30cm长的金属杆,杆的终端是两块40cm2的金属板,采用火花放电激励电磁波,而接收天线刚是环天线。其后1901年意大利物理学家马可尼用别
7、一种天线实现了远洋通信发射天线结构是50根下垂的铜线组成扇形的结构,顶部被水平横线连在一起,横线挂在两个高为45.72m,相距60.96m宽的塔上,发射机也是采用了电火花放电式,并接在天线和地之间。1925年以后,中短波无线电广播和通信开始应用,天线的发展也主要集中在这一波段。1940年以后,线状天线的相关理论已经成熟。第二次世界大战,雷达的应用大大的改观了反射面天线的发展,自后到70年代,由于电视广播无线通信的需要,尤其是人类进入太空,对天线有了各种新的需求,也由此出现了多元化的新型天线。天线按照用途划分,有通信天线雷达天线、导航天线、电视天线和广播天线；按照工作频段划分,有长波天线、中波天
8、线、短波天线、超短波天线和微波天线。按照结构和分析方法划分,天线可以划分为线天线和口径天线两大类。线天线的辐射场通常由导线上的电流分布来计算,口径天线的辐射场通常由口径上的电场和磁场的切向分量来计算。线天线基本上是金属导线构成,主要包括偶极天线和单极天线、螺旋天线、八木天线、对数周期天线、行波天线。口径天线主要包括喇叭天线、反射天线、缝隙天线、微带天线。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。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
9、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。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。平面阿基米德螺旋天线自20世纪50年代被提出以来, 由于其宽频带、圆极化、低剖面等特性满足雷达对抗的需求, 因而在电子战领域得到越来越广泛的重视和应用。实际应用中, 希望在很宽的频带, 在保证
10、天线的电气性能指标基本不变的情况下尽量减小背腔螺旋的体积。如图1所示。图1-1阿基米德螺旋天线12螺旋天线发展前景当前Bluetooth、HomeRF、HiperLAN 等无线个域网 技术和IEEE802. 11a 、IEEE802. 11b 等无线局网 技术发展势头迅猛,其中IEEE802.11a 和HiperLAN 选用5. 2GHz 的ISM 频段, 而Bluetooth、HomeRF 和IEEE802. 11b 则选用2. 45GHz 的ISM 频段,他们都不约而同地对天线提出了低成本、小尺寸、易于匹配等要求,致使各种新型天线层出不穷螺旋天线具有多方面的宽频带特性,无论是方向特性、阻抗
11、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。阿基米德螺旋天线具有一系列优点, 正日益受到重视。但由于其辐射是双向的, 因而增益较低。为了获得单向辐射特性, 可在其一边加装反射腔。由于反射腔是一个谐振器件, 必然会使天线工作频带变窄, 也就是说, 用反射腔实现单向辐射, 提高增益, 是以牺牲工作带宽为代价的。平衡馈电的阻抗变换器可放在反射腔, 这样避免了方向图倾斜并允许用同轴线馈电。2、螺旋天线的原理2.1相关背景与技术2.1.1相似原理相似原理又称为缩比原理,非频变天线的导出就是基于此原理。原理容为如果天线的所有物理尺寸和工作波长按同样
12、比例变化,则天线的性能保持不变。 设为常数,单位为F/m其是空间介电常数；为常数,单位为H/m,其是空间的磁导率,所以可得到天线的麦克斯韦方程满足21 22电场强度E单位V/m、磁场强度H单位为A/m、电流密度J单位为A/m2、角频率单位为rad/s。 若将天线的所有尺寸增加,增加的比例为原尺寸的N倍,将材料的电导率和频率降为原来的1/N,由于尺寸变化,新的长度单位是原来的N倍。故电场强度E,单位变成V/Nm,磁场强度H,单位变成A/Nm、电流密度J,单位变成A/N2m2、磁导率,单位变成H/Nm、介电常数,单位为F/Nm、,单位不变。因而得到新天线的麦克斯韦方程组为： 23 24材料导电率已
13、经降到1/N倍,工作波长增加到N倍,因此在数值上有=,/N 和 ,因而有,=和 ,=,上式变为 25 26有相同的形式和数值上具有相同的常数,自由项J的23式和25式,由于天线全部的物理尺寸均是原来的N倍,天线各个点的坐标,和原单位制中相对应的点坐标树枝上是一样的。这也就是说它们的边界是相同的,故两式应在数值上解相同,由缩比原理就得出了两天线的性能相同的结论。2.1.2非频变原理 首先设定天线处在一个球坐标系中,用r,来表达,天线的材料为理想导体,置于无边界的,各向同性的,均匀的媒质中,使天线的两个端点沿=0和轴对称使其无限靠近原点放置。可得天线的表面或边缘的曲线方程表示,其中r是沿边缘或表面
14、的距离。27 接下来对天线进行缩比原理,将天线的频率降为原1/N倍,为了使长度不变,天线扩大为原来的N倍,得到新的表面有28表示,如果两个表面都趋于无限大,则它们是全等的,故转一个角度就完全同一了。可令=t得到统一的表面,由式29表示：2829 由此可得t仅与N有关,与和无关。两天线具有相同的电性能,因为它们是全等的,只是辐射方向图旋转了一个角度t。随着频率的变化,旋转的角度不同,t不同,而t仅取决于N,N是一个无限大的正数,故仅方向图在旋转而形状却没有改变,方向图性质和阻抗都可以认为是频率无关的,这就是非频变原理。2.1.3螺旋天线工作原理阿基米德螺旋天线的半径随角度的变化均匀地增加：210
15、式中, r0是起始半径, a 是螺旋增长率, 是角度 。但是不可能像非频变天线要求的那样按式210使其结构缩比到无限小。因此,对高端频率有所限制。但是,若用一根平衡馈线从平面螺旋中心馈电,那么馈电点附近,由大小相等方向相反的电流产生的辐射场在远区互相抵消,在螺旋的周长接近一个波长时有最大辐射。周长为的圆环上的行波电流将辐射圆极化波,因此,在周长为一个波长附近的区域,形成平面螺旋的主要辐射区。当频率变化时,主要辐射区随之变动,方向图基本不变。因此,天线具有宽频带工作特性。对应最低频率天线要有1. 25max ,对最高频率,由馈电点间隔尺寸决定,其间隔必须小于min/ 4 。为了避免电流在螺旋最外层的边沿上反射,通常在最外层螺旋线的末端端接吸收电阻或吸收材料。这样螺旋线上是行波电流,
