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利用HFSS设计平面等角螺旋天线

杜起飞

北京理工大学电子工程系100081

摘要：本文介绍了一种双臂平面等角螺旋天线的设计过程，利用ANSOFTHFSS

对其结构进行了建模和仿真，工作频率为0.4GHz～3GHz，电压驻波比

VSWR2.0，增益Gain5.0dB。

关键词：HFSS、等角螺旋天线、宽带匹配

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1.引言

天线的增益、输入阻抗、方向图等电特性参数在一个较宽的频段内保持不变或变

化较小的天线称为宽频带天线。一般情况下，天线性能参数是随频率变化的。有

一类天线，它们的方向图和阻抗在相当宽的频带范围内与频率无关，这就是所谓

的非频变天线。

本文所研究的是平面等角螺旋天线，它有很宽的工作频带，具有很好的应用前

景，同时也是其它等角螺旋天线研究的基础。

2.利用HFSS设计平面等角螺旋天线

平面等角螺旋天线在ANSOFTHFSS中的模型如图1所示。它主要由平面螺旋辐

射器、馈电电路板、普通反射腔和异形反射腔四部分组成。

2.1平面等角螺旋天线

图1平面等角螺旋天线在HFSS中的模型图2自补形平面等角螺旋天线

平面等角螺旋天线如图2所示，金属臂的四条边缘均为平面等角螺旋线。边缘1

的方程为

边缘1旋转角δρ1=ρ0ea，边缘φ2相对于a(φ−δ)ρ=，ρ故e20其方程为。天线另一

臂的边缘应使结构对称，即一臂旋转半圈将于另一臂重合，因而有ρ3=ρ0ea(φ−π)

和ρ4=ρ0ea(φ−δ−π)

。图中的结构是自补形，因而δ=π。/2

自补形平面等角螺旋天线两臂的四条边缘曲线为：

⎧ρ1=ρ0eaφ

⎪π⎪ρ=ρea(φ−⎪2(1)02⎨a(φ−π⎪ρ)3=ρ0e

⎪πa(φ−π−⎪⎩)2ρ4=ρ0e

-74-Ansoft2004

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对于自补形结构，方向图的对称性最好。由于平面等角螺旋天线的表面边缘仅由

角度描述，因而满足非频变天线对形状的所有要求。

2.2馈电电路板

由于平面等角螺旋天线是平衡对称结构，其馈电系统也应采用平衡馈电方式。同

轴线是传统的超宽带馈电线，具有良好的宽频带特性，但其馈电方式为非平衡馈

电，所以需要增加相应的非平衡馈电到平衡馈电转换电路即巴伦的设计。

最常用的匹配方法为指数渐变线匹配。与双曲线渐变线、抛物渐变线、贝塞尔渐

变线及切比雪夫渐变线相比较，当1/λ0.5时，指数线的反射系数是最小的，而

且频带极宽[1]。因此，本文选用指数渐变的微带线到平行双线作为平面等角螺旋

天线的馈电电路。如图3所示，巴伦由不平衡的微带结构逐渐过渡到平衡馈电的

平行双线结构，其中接地板和微带线均采用指数渐变方式，在工作频带内由输入

端的50Ω变为输出端的140Ω

指数线阻抗变换器是指传输方向按指数规律变化

的传输线，即[2][3]。

Z0(z)=Z0(0)eaz

(2)

假定渐变线长为L，变阻比为R，即

图3指数渐变的微带线-双线结构示意图Z0(L)=RZ0(0)(3)

则a=1lnRL(4)

当L选定后，随频率增高，波长愈短，反射系数总的趋势是越来越小。反射系数

模的最大值为

Γ(0)=λlnR

4πL(5)