等角螺旋天线仿真分析
Abstract:本文基于等角螺旋天线的基本原理，利用电磁让真软件HFSS构建并仿真分析了一个基本的等角螺旋天线。

通过仿真结果，得到了一个频带为442MHz~929MHz，频带内S参数小于-10dB的天线，并分别给出450MHz，670MHz，900MHz处的E、H面方向图。

关于结果的分析也列于最后。

1.引言
螺旋天线属于非频变天线，具有可观的带宽比，通常都具有圆极化特性，半功率带宽一般约为70°~90°。

由于螺旋天线具有体积小，宽带宽的特性，因而广泛应用于国防，遥感等方面。

螺旋天线阵列还用于1~18GHz的军用飞行器方面。

2.天线设计
本文仿真的等角螺旋天线如图1所示，可由4个公式表示定义每个支臂的内外半径
r1=r0e aφ(1)
r2=r0e a(φ-δ)(2)
r2=r0e a(φ-π)(3)
r2=r0e a(φ-π-δ)(4) 式中r0为φ=0时的矢径，a为一个常数，用于控制螺旋的张率。

用式(1)可以建立起图1所示的平面等角螺旋天线。

当δ=π/2时，图1所示的结构是自补的，在这种情况下，方向图对称性最好。

自补天线有如下特性：
Z金属=Z空气=η/2=188.5Ω(5) 这就要求在HFSS中仿真的时候馈电对口阻抗大致设为188.5Ω。

等角螺旋天线工作频带的上限f u 由亏点结构决定，最小半径r0在馈电区的周长2πr0=λu=c/f u。

当然，螺旋在该店终止，连接到馈电传输线。

下限频率通过天线整体半径R来限制，使其约为f L的1/4波长。

实验发现半圈到三圈的螺旋对参数a和δ相对来说不敏感。

一圈半的螺旋约为最佳。

本文利用HFSS构建模型，并进行仿真分析。

构建的模型如图2所示。

仿真的天线最终选定参数如下：r0=27.5cm，a=0.27，n=0.92。

图1 平面等角螺旋天线几何模型
图2 等角螺旋天线(a)斜视图(b)顶视图(c)侧
视图
3.仿真分析
3.1 S参数
图3所示为S
参数仿真结果，由
图可以看出，从442MHz~929MHz处，S参数都低于-10dB，说明此等角螺旋天线在次带宽内为通带。

偏离450MHz~900MHz的原因，与馈电处的结构（r0主要决定天线的高频），天线的张角和天线的圈数（a和n控制天线的外径，外径主要决定天线的低频）都有关系。

图3 S参数仿真结果
3.2 方向图
图4、5、6分别为天线在450MHz，670MHz，900MHz处，E面和H面的方向图。

由三图可以看出，等角螺旋天线在通带内，天线都是双向轴向辐射，具有良好的方向图不变性，即非频变特性。

由方向图看，天线的整体增益不理想，产生原因与馈电的关系较大，利用HFSS仿真是，端口阻抗设置为188.5Ω，这只是个理论值，实际的测试结果与此出入，可能使得天线的匹配欠佳，所以造成天线的增益下降。

图4 450MHz处方向图
图5 670MHz处方向图
图6 900MHz处方向图
3.3 轴比
图7所示为天线的轴比随频率变化特性。

由图可以看出，天线的轴比在442MHz~929MHz大致小于5dB。

可以看出，天线的圆极化特性差强人意，具体原因不清楚，可能跟馈电的结构和仿真采用的算法有关。

快速法求解速度快，精度欠佳，离散法求解精度高，但耗时太多。

图7 轴比随频率变化的仿真结果
4.总结
本文先对等角螺旋天线进行了理论分析，得出了其单臂的相应表达式。

接着在仿真软件HFSS中建模并仿真。

经过结构优化，最终得到了在442MHz~929MHz内S参数小于-10dB，轴比小于-5dB的天线。

并给出了3个频点上的方向图。

另外，还针对每个图的结果分析了其存在的问题及可能的原因。

由各结果可以看出，天线具有非频变特性的同时还具有较好的圆极化特性。