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平面等角螺旋天线的理论分析与数值仿真

西安理工大学JournalofXi'anUniversityofTechnology(2007)V o1.23No.4385

文章编号:1006-4710(2007)04—038505

平面等角螺旋天线的理论分析与数值仿真

华军，刘江凡.，席晓莉.，王骞.

(1.通信系统信息控制技术国家重点实验室，浙江嘉兴314001;

2.西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048)

摘要：在对平面等角螺旋天线进行理论分析的基础上，采用基于矩量法的电磁场数值仿真软件，研

究了平面等角螺旋天线的结构参数对天线辐射场分布的影响以及辐射场分布与解析结果间的差

异，给出了一定带宽及工作模式条件下的等角螺旋天线的参数选择方法.

关键词：平面等角螺旋天线；矩量法；方向图；数值仿真

中图分类号:TN823'..33文献标识码:A TheoreticalAnalysisandNumericalSimulationoftheEquangularSpiralAntennas HUAJun.LIUJiang—fan.,XIXiao—li.,WANGQian.

(1.NationalLaboratoryofInformationControlTechnologyforCommunicationSystem,Jia xing314001,China;

2.FacultyofAutomationandInformationEngineering,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'a n710048,China)

Abstract:Basedonthetheoreticalanalysisofequangularspiralantenna,theelectromagneticf ield numericalsimulationsoftwarebasedonthemethodofmomentsisusedtostudytheimpactsof structureparametersofequangularsprialantennaupontheantennaradiationfielddistributio nas wellasthedifferencesbetweentheradiationfielddistributionandtheanalysisresults.Also,th is

papersuggeststheparameterselectionmethodoftheequangularspiralantennainacertainban d—

widthandundertheconditionsofworkingmodes.

Keywords:equangularspiralantenna;methodofmoments;radiationpattern;numericalsim ula—

tion

平面等角螺旋天线是上世纪五十年代中期出现

的一类频率无关天线.在假设该天线半径无限大,

螺旋线缠绕紧密及螺旋臂无限多等条件下，可得到

天线辐射场及天线接收端模式电压的解析表达

式口]，进而得到平面等角螺旋天线的宽频带特性及

测向特性，为该天线的设计及应用提供了理论依据.孝心献给父母

目前平面等角螺旋天线已成功应用于反辐射导弹的

导引与被动测向【.]，并被日益广泛地应用于宽带,

超宽带及多频段通信].

但实际平面等角螺旋天线不可能满足解析近似

条件，其频带宽度及测向特性均会与解析结果存在

误差.该误差可从实际天线的辐射场与解析场分布

的差异表现出来；实际天线的辐射场分布与解析结

果越接近，其频带宽度及测向性能越接近理想.因

此本文将从改善实际天线辐射场分布以减小其与解

析结果的差异出发，研究该天线的设计方法.文中

首先介绍了等角螺旋天线的场的解析表达形式及其

分布特点，然后采用数值计算方法对4种不同结构

参数天线的辐射特性进行仿真，通过比较实际天线

的辐射方向图与理论结果间的差异，分析了天线半

径，螺旋率及螺旋臂数对天线辐射特性的影响，给出

设计满足一定带宽的等角螺旋天线的参数选择

电商仓储系统设计

方法.

1等角螺旋天线理论分析

1.1等角螺旋天线的数学模型

等角螺旋天线的臂是由两条螺旋线构成，它们

在极坐标系中的方程为:

季诺维也夫收稿日期:2007—06—27

基金项目：通信系统信息控制技术国家重点实验室项目.

作者简介：华军(1966一)，男，甘肃兰州人，博士，高级工程师.研究方向为天线分析与设计，无线电测向技术等.

E-mail:***********.

386西安理工大学(2007)第23卷第4期

一

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P2Poea({L∞(1)\1/

一

式中，分别为臂的外边缘及内边缘螺旋线矢

径，为臂宽角，为起始极径，声为极角,a为螺旋

率.当相邻两臂之间的空隙与臂的形状完全相同

时，天线为自互补结构.图1为一个四臂等角螺旋

天线的仿真模型.

图1四臂等角螺旋天线不意图

Fig.1Four-armequiangularplanespiralantenna

1.2等角螺旋天线的辐射场解

设平面等角螺旋天线的半径无限大，臂无穷多,

水平放在一0的平面，馈电模式为时，天线在柱

坐标系中的远区辐射电场可近似表达为¨3]:

售誊二>or<o(2)

cosOtan"(昙)e詈t

A()一———_兰二二==(3)

sinOJ1上a.COS.0

()一aInI1+n.COS.0I+tan(acosO)(4)

厶7/

陈颖异

式中为方位角,0为俯仰角，卢一27/,l，是为与天线

辐射强度相关的系数.

从式(3)可以看出，天线螺旋率及模式固定时,

平面等角螺旋天线的辐射场幅度只与0有关而与无关，螺旋率a一0.172时不同模式电场幅度随0角的变化曲线如图2所示.

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用阶模减去1阶模辐射场相位，得到阶模

的相对相位表达式如下:

(,)一nI1+a2cos20I一

(一1)(5)

式(5)右侧两项分别表示了0角和角对相对相位

的影响，图3a和b分别为它们对相对相位的影响曲线.从图3可以看出,0角对相对相位的影响很小,

且模式越高，影响越小，最大影响不超过1.3×10 度；角与相对相位成线性关系，模式越大，曲线斜

率越大，分辨率越高.因此辐射场相对相位的影响

主要与方位角有关，俯仰角0的影响可忽略不计. 40

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3.0

2.5

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0.5

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图2不同模式电场幅度随的变化Fig.2Magnitudeofelectricfieldvariation with0fordifferentmodes

1.2

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