中心論題：

• 圓錐對數螺旋天線性能參數解析算法與設計
• 圓錐對數螺旋天線的仿真

解決方案：

• 根據經驗公式及已有的試驗數據解析分析
• 使用了Ansoft公司的HFSS軟件進行仿真計算

寬脈衝大功率電磁輻射技術日趨成熟
，該技術可廣泛應用於民用、軍事、tianwendengshehuishenghuogegefangmian。cileidiancimaichongsuobaohandepinpuhenkuan，duidianzixitongdeganraoheweixiejiaoda。zaikuanmaichongdiancifusheyanjiuzhong
，fashetianxianshejishiguanjiansuozai。tianxianjiangmaichongdianliuzhuanhuaweikongjiandiancibo
，juedingdiancibodefashefangxiang、覆(fu)蓋(gai)麵(mian)積(ji)等(deng)
，並(bing)且(qie)影(ying)響(xiang)到(dao)調(tiao)製(zhi)電(dian)路(lu)中(zhong)脈(mai)衝(chong)激(ji)勵(li)的(de)波(bo)形(xing)，在(zai)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)係(xi)統(tong)中(zhong)起(qi)著(zhe)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)。圓(yuan)錐(zhui)對(dui)數(shu)螺(luo)旋(xuan)天(tian)線(xian)是(shi)一(yi)類(lei)較(jiao)理(li)想(xiang)的(de)寬(kuan)頻(pin)帶(dai)天(tian)線(xian)


，適(shi)合(he)寬(kuan)脈(mai)衝(chong)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)係(xi)統(tong)對(dui)天(tian)線(xian)的(de)要(yao)求(qiu)。本(ben)文(wen)對(dui)圓(yuan)錐(zhui)對(dui)數(shu)螺(luo)旋(xuan)天(tian)線(xian)的(de)性(xing)能(neng)進(jin)行(xing)了(le)仿(fang)真(zhen)與(yu)分(fen)析(xi)。

圓錐對數螺旋天線的基本結構如圖1所示
，其基本參數為：圓錐半張角θ0
、螺旋線包角α、天線臂角寬度δ。在球坐標係下，圓錐對數螺旋天線螺旋臂的兩條邊線ρ1、ρ2的曲線方程為：

可以看出，ρ1和ρ2為螺旋臂上一點與原點(錐頂)的距離, ρ0為螺旋臂頂端端點與原點的距離。
　　
實際應用中
，圓錐對數螺旋天線是兩個天線臂對繞形成的，其中一個天線臂由另一臂繞圓錐軸線旋轉180°而產生(如圖2所示)。該天線沿錐尖方向有最強的輻射，而其反方向輻射則相對微弱。當天線臂角寬度δ＝90°時(shi)稱(cheng)為(wei)自(zi)補(bu)結(jie)構(gou)
，能(neng)產(chan)生(sheng)最(zui)好(hao)的(de)方(fang)向(xiang)圖(tu)。由(you)於(yu)結(jie)構(gou)是(shi)螺(luo)旋(xuan)對(dui)稱(cheng)的(de)，故(gu)方(fang)向(xiang)圖(tu)接(jie)近(jin)旋(xuan)轉(zhuan)對(dui)稱(cheng)，輻(fu)射(she)場(chang)的(de)極(ji)化(hua)幾(ji)乎(hu)在(zai)所(suo)有(you)方(fang)向(xiang)都(dou)非(fei)常(chang)接(jie)近(jin)圓(yuan)極(ji)化(hua)
，但(dan)隨(sui)著(zhe)離(li)開(kai)軸(zhou)線(xian)角(jiao)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)
，橢(tuo)圓(yuan)率(lv)會(hui)增(zeng)加(jia)，橢(tuo)圓(yuan)極(ji)化(hua)旋(xuan)轉(zhuan)方(fang)向(xiang)取(qu)決(jue)於(yu)天(tian)線(xian)螺(luo)旋(xuan)的(de)方(fang)向(xiang)。

圓錐對數螺旋天線性能參數解析算法與設計
圓錐對數螺旋天線(簡稱CLS天線)結構較複雜
，利用解析分析隻能粗略地計算其性能參數，要想得到較準確的參數及方向圖必須利用數值計算方法進行仿真。
　　
CLS天線有五個結構參數：頂端半徑r、底端半徑R、錐角θ、螺旋線包角α、天線臂角寬度δ。其中
，天線方向性主要由錐角θ以及螺旋線包角α決定，而天線頻帶寬度主要由天線上下半徑r和Rjueding。zheshiyinweiduiyupindaineidegegepinlv，yuanzhuiduishuluoxuantianxianshangkeyizhaodaoyugaipinlvduiyingbochangxiangsideyuanhuan，chengweigaipinlvxiatianxiandegongzuoqu。suoyishangxiadimianbanjingjuedingleshangxiajiezhipinlvduiyingdebochang，congerquedinglepindaikuandu。wenxianhegeichuleCLS天線性能參數的經驗計算公式，可用其粗略設計天線的結構尺寸。
　　
筆者的研究工作要求天線的工作頻率為60MHz～100MHz。由於對頻帶特性要求較高
，首先要考慮其輻射方向圖具有非頻變性
，即不隨頻率有明顯改變；其次是輸入阻抗變化範圍要小，以利於調製電路與天線的匹配。為此，先取天線足夠長，以確保天線的寬帶特性；然後通過改變圓錐角和螺旋包角控製輻射場的波瓣寬度
，使其滿足要求。一般情況下
，增加包角(天線纏繞更緊湊)或減小錐角，天線的方向性會增加，同時後瓣會減小

；反之，方向性減弱，後瓣會增大。設計時可根據波瓣寬度等要求先確定包角α和錐角θ,ranhouchangshisuoduantianxianbi，bingkaozhacishidefushetexing，zuihoushitianxianbichangzaimanzuyaoqiudeqiantixiazuiduan，congershixianchicundaxiaodeyouhua。genjuwenxiangeichudejingyangongshijiyiyoudeshiyanshujukeyishejide：

a.由查表可以確定三個角度：θ0=10°，α=71.6°,δ=90°;

b.根據上下截止頻率，可確定圓錐上下底麵半徑r和R。根據工作頻帶下截止頻率及波長f1=60MHz
、λ1=5m，上截止頻率及波長f2=100MHz、λ2=3m。查表可得：

即：R=0.15804×5m=0.79m , r=0.06288×3m=0.19m
　　
c.由查表可得方向性係數為6.5dB。

圓錐對數螺旋天線的仿真
在上麵粗略設計的基礎上
，要想得到較精確的性能參數，有必要利用現代數值計算技術和軟件對天線進行仿真。筆者使用了Ansoft公司的HFSS軟件進行仿真計算。該軟件是一種基於有限元法的高頻電磁場仿真程序，它采用切向矢量有限元法求解三維結構的電磁場[3]，可以計算出天線的輸入阻抗、增益、方向圖、效率以及電流分布等特性。HFSS軟件求解天線問題分為建模、施加邊界條件、施加激勵、設置頻率範圍、求解、後處理五個步驟。
　　
HFSS自帶的三維建模功能比較簡單

，建立複雜模型比較困難，但它提供了與AUTOCAD、Pro－E等專業三維建模軟件的接口。先在Pro－E中建立圓錐對數螺旋天線模型
，再導入AutoCAD，然後導入HFSS中，最後得到的模型與計算場域如圖2所示。在場域最外圍加輻射邊界條件，天線臂設為銅材料。在天線雙臂的頂端(即半徑小的一端)，加電壓激勵，然後開始仿真運算。在P4/2.8GHz計算機上，整個仿真計算過程約需6小時。

a.天線方向圖
圖3為f＝70MHz時天線的二維方向圖
，從中可以看出，天線方向性係數達到7dB左右，而利用文獻中的圖表所查到方向性係數為6.5dB。圖4給出了幾個頻率下天線的二維方向圖，可以看出，各個頻率下方向圖形狀大致相同
，但隨著頻率越靠近頻率範圍的上下限
、方向圖背瓣越大。 

為了更形象地描述天線的方向性，軟件可以給出三維方向圖。頻率為60MHz和90MHz時天線的三維方向圖如圖5所示。表1給出天線的方向性係數 。

從以上結果可以看出

，圓錐對數螺旋天線是一類方向性較強的天線
，其主瓣的半功率波束寬度約為90°。在60MHz～100MHz頻帶內方向性係數變化不大，且與利用文獻估算值6.5相差不大，從而證明了此類天線的非頻變特性，這是仿真計算工作的價值之一。

b.電壓駐波比和輸入阻抗
從文獻中可以查到本文所仿真的天線輸入電阻值約為150Ω，從文獻可以查到輸入電抗約為20Ω左右。實際上
，不僅天線的輸入電抗與頻率有關，而且不同頻率下輸入電阻也不同，利用仿真軟件可以比較準確地得到這些參數。表2給出了幾種頻率下天線的輸入電阻與電抗值。從表2可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)在(zai)工(gong)作(zuo)頻(pin)帶(dai)內(nei)與(yu)理(li)論(lun)值(zhi)有(you)一(yi)定(ding)差(cha)別(bie)
，隨(sui)著(zhe)頻(pin)率(lv)接(jie)近(jin)天(tian)線(xian)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)的(de)上(shang)下(xia)限(xian)

，仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)與(yu)理(li)論(lun)值(zhi)相(xiang)差(cha)越(yue)大(da)。通(tong)過(guo)仿(fang)真(zhen)計(ji)算(suan)所(suo)得(de)到(dao)比(bi)較(jiao)準(zhun)確(que)的(de)天(tian)線(xian)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)

，對(dui)於(yu)研(yan)究(jiu)調(tiao)製(zhi)電(dian)路(lu)與(yu)天(tian)線(xian)的(de)匹(pi)配(pei)問(wen)題(ti)有(you)著(zhe)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)。
 

 
c.天線上傳導電流分布
圖6表示頻率f=80MHz時電流在天線臂上的分布，可以看出傳導電流從天線饋電點(即圓錐頂部一端)流入，先經過傳輸區(約下麵的2圈)，再向上是輻射區(約第3圈)
，最後為衰減區(後麵幾圈)。zaichuanshuqunei
，dianliudaxiaobianhuabumingxian，daodafushequhou，suizhedaliangnengliangyidiancibodexingshichuanbo，dianliuxunsujianxiao
，zuihoujingguoshuaijianqu

，dianliuzhujianjianxiaozhiling，zhefuhetianxianyibanguilv。qizhong，fushequdeweizhiyupinlvyouguan，jiweiyubochangjinsiyuyuanzhuijiemianzhouchangdedifang。keyixiangxiang，butongpinlvhuiduiyingbutongdefushequweizhi，zheshiCLS天線的工作特性，也是CLS天線具有寬帶特性的原因。

　　
利用仿真計算可以較準確
、較全麵地得到天線的各項參數。仿真結果表明，圓錐對數螺旋天線有著很好的方向性以及頻帶寬度，且結構簡單
、緊湊，這非常適合於寬脈衝電磁輻射係統。其輸入阻抗隨頻率變化較小，有利於在調製電路中實現阻抗匹配。