基于有限元的螺旋天線(xiàn)設計方法

目前，在無(wú)線(xiàn)通信和軍事通信中，如：山區公路通信、鐵路隧道通信，常常需要一種體積小、重量輕、方向性強的圓極化天線(xiàn)，螺旋天線(xiàn)因能滿(mǎn)足這些要求而受到重視，并在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。

本文設計基于有限元方法，利用此方法對所設計的螺旋天線(xiàn)進(jìn)行了仿真、優(yōu)化設計，得出了一系列有用的數據，并依據設計結果制作天線(xiàn)。通過(guò)對天線(xiàn)進(jìn)行適當的調試和測試，結果表明，在相同條件下，螺旋天線(xiàn)性能優(yōu)于現有天線(xiàn)，是一種具有廣泛應用前景的UHF天線(xiàn)。

2 基本理論

2.1 有限元法

有限元法是隨著(zhù)電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現代計算方法。他是20世紀50年代首先在連續體力學(xué)領(lǐng)域——飛機結構靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應用的一種有效的數值分析方法，隨后很快廣泛應用于求解熱傳導、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續性問(wèn)題。

有限元是以變分原理和剖分插值為基礎的一種數值方法，他是將考察的連續場(chǎng)分割為有限個(gè)單元，再用比較簡(jiǎn)單的函數表示每個(gè)單元的解，但并不要求每個(gè)單元的試探解都滿(mǎn)足邊界條件，邊界條件并不進(jìn)入有限元的關(guān)系式中，所以對內部和邊界都可以采用同樣的函數，邊界條件只在集合體的方程中引入，其過(guò)程比較簡(jiǎn)單，只需要考慮強迫邊界條件。有限元的優(yōu)點(diǎn)可以總結為：最終求解的線(xiàn)性代數方程組一般為正定的稀疏系數矩陣;特別適合處理具有復雜幾何形狀物體和邊界的問(wèn)題;便于處理有多種介質(zhì)和非均勻連續媒質(zhì)問(wèn)題;便于計算機上實(shí)現，可以做成標準化的軟件包。

2.2 螺旋天線(xiàn)特性

2.2.1 一般螺旋天線(xiàn)

螺旋是一種基本的三維幾何形式，結合了直線(xiàn)、圓以及柱體等幾何形式。將金屬導線(xiàn)繞制成一定尺寸的圓柱形螺旋線(xiàn)，其一端處于自由狀態(tài)，另一端用同軸線(xiàn)內導體饋電，饋電端的金屬接地板與同軸線(xiàn)的外導體相連，構成一個(gè)圓柱螺旋天線(xiàn)，其結構如圖1所示。

圖中，D為螺旋直徑，a為螺距角，S為螺距，N為圈數，L為螺旋軸向長(cháng)度，l為螺旋一匝的長(cháng)度。顯然，s=πDtan a，L=NS。根據螺旋線(xiàn)上不同的電流分布，圓柱螺旋天線(xiàn)的輻射狀態(tài)又可以分為法向、軸向和圓錐形3種輻射狀態(tài)。其中，軸向輻射狀態(tài)是指在螺旋天線(xiàn)的軸向有最強的輻射，他具有以下的特點(diǎn)：沿天線(xiàn)軸線(xiàn)方向有最強的輻射，即當D=(0.25～0.46)λ時(shí)，即螺旋的圈長(cháng)在一個(gè)波長(cháng)左右的時(shí)候，軸線(xiàn)方向的輻射最大;輻射場(chǎng)是圓極化場(chǎng);沿螺旋導線(xiàn)傳播的電流波是行波，輸入阻抗近似地等于純電阻;頻帶較寬。基于這些特點(diǎn)，其在寬頻帶的定向天線(xiàn)中得到了廣泛的應用。在這里，根據設計要求(f：800～900 MHz;增益：13 dB;前后比：14 dB;VSWR：不大于1.5)，我們采用軸向模螺旋天線(xiàn)，下面著(zhù)重討論此種天線(xiàn)。

2.2.2 軸向螺旋天線(xiàn)

螺旋天線(xiàn)工作在軸向模式時(shí)，其輻射的情形如端射天線(xiàn)，沿著(zhù)螺旋天線(xiàn)本身的軸輻射出去。此模式發(fā)生在天線(xiàn)的圓周長(cháng)大約為一個(gè)波長(cháng)的時(shí)候。如圖2所示。

軸向模螺旋天線(xiàn)可以提供到15 dB左右的穩定增益和圓極化，所以普遍應用在超高頻上(UHF)。

當螺旋天線(xiàn)的圈數很少時(shí)，天線(xiàn)在3λ/4≤C≤4λ/3的頻率范圍內表現很好，可提供的帶寬比由下式為1.78，且在較長(cháng)的螺旋天線(xiàn)時(shí)，工作頻率，f要低于4λ/3。

軸向模螺旋天線(xiàn)的周長(cháng)約為差1波長(cháng)，所以任意兩相對的端點(diǎn)約為1/2波長(cháng)，當一個(gè)線(xiàn)圈的電流在螺旋天線(xiàn)(如圖3所示)，原來(lái)右端的電流應該向上，因為距離差1/2波長(cháng)，使得電流相位偏移了180°，在右端的電流因而與左端的電流同相，一起向下，加上任意兩個(gè)對端的電流相位相同并且電流大小相等又在同一圓軸上，所以產(chǎn)生圓極化。