縫隙螺旋天線擁有多功能性和寬帶頻率響應(yīng)特性，因此被廣泛用于無(wú)線通信、傳感、定位、跟蹤及許多不同微波頻段的應(yīng)用。為了優(yōu)化縫隙螺旋天線的設(shè)計(jì)，工程師們可以利用電磁分析來(lái)精確計(jì)算諸如 S 參數(shù)和遠(yuǎn)場(chǎng)模式之類的特性。

縫隙螺旋天線的優(yōu)點(diǎn)

縫隙螺旋天線擁有以下優(yōu)點(diǎn)：

近乎理想的圓偏振輻射

寬帶頻率響應(yīng)

輻射方向圖和阻抗能夠在大帶寬范圍內(nèi)保持不變

此外，縫隙螺旋天線設(shè)計(jì)易共形，可安裝在各種物體上。這對(duì)于國(guó)防等工業(yè)是一個(gè)實(shí)用特征，安裝在軍用車輛和飛機(jī)的縫隙螺旋天線可以發(fā)揮通信和監(jiān)視功能。

螺旋天線實(shí)例。圖片由 Bin im Garten 拍攝，已獲CC BY-SA 3.0授權(quán)，通過(guò)Wikimedia Commons共享。

螺旋天線有很多種，最常見(jiàn)的是阿基米德螺旋天線。在本文，我們將討論利用COMSOL Multiphysics? 軟件及其附加的“RF 模塊”對(duì)此類天線進(jìn)行模擬。

借助 COMSOL Multiphysics? 評(píng)估縫隙螺旋天線的設(shè)計(jì)

作為第一步，我們將討論如何繪制由兩條阿基米德螺旋線狀狹縫構(gòu)成的縫隙螺旋天線的幾何。我們采用參數(shù)化曲線，在單面的金屬基底上制作出一個(gè)螺旋圖案。參數(shù)化曲線使得我們能夠利用數(shù)學(xué)公式繪制任意形狀的曲線?；资且粋€(gè)完美電導(dǎo)體（perfect electric conductor，簡(jiǎn)稱 PEC），具有很高的導(dǎo)電性，表面的損耗可忽略不計(jì)。螺旋狹縫的中心是集總端口，作用是激勵(lì)天線。

縫隙螺旋天線的幾何結(jié)構(gòu)（上圖）和網(wǎng)格（下圖）。

天線和基底被空氣區(qū)域和完美匹配層（perfectly matched layer，簡(jiǎn)稱 PML）包圍，PML 為上圖灰色部分。右圖的物理場(chǎng)控制的網(wǎng)格由軟件默認(rèn)生成。根據(jù)頻域研究步驟定義的最大頻率，最大的網(wǎng)格尺寸被設(shè)為 0.2 波長(zhǎng)。網(wǎng)格還會(huì)通過(guò)一些材料屬性進(jìn)行自動(dòng)縮放，比如介電基底內(nèi)部的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。PML 層采用掃掠網(wǎng)格，沿著徑向包含5個(gè)網(wǎng)格單元。

查看電磁仿真結(jié)果

第一個(gè)繪圖展示了天線頂面的電場(chǎng)模。該圖表明沿縫隙的電場(chǎng)要強(qiáng)于天線表面其余地方的電場(chǎng)，這證實(shí)了電場(chǎng)被有效限制在帶縫隙的基底上。

第二張是 S 參數(shù)的計(jì)算結(jié)果繪圖。結(jié)果明確顯示，在研究的頻率范圍內(nèi)，S11約為 -10 dB。

xy平面上的對(duì)數(shù)電場(chǎng)模（上圖）和 S 參數(shù)繪圖（下圖）。

為了進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)分析，我們首先創(chuàng)建一個(gè)二維極坐標(biāo)繪圖。繪圖方便直觀查看天線在各種頻率下的雙向輻射方向圖。我們發(fā)現(xiàn)，不同頻率對(duì)應(yīng)的輻射方向圖的形狀極其相似。

yz平面的極坐標(biāo)繪圖。

最后是研究特定頻率（此例為 3 GHz）所對(duì)應(yīng)的三維雙向遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。結(jié)果表明，沿z軸為最大輻射方向。此外，我們發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)模式具有對(duì)稱特征。

3 GHz 下的三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖（上）和沿天線方向的輻射方向圖（下）。