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（解放军装备学院，北京102206）
摘 要在分析电晕放电原理的基础上，结合本实验室关于电晕放电探测系统的设计要求，选用CST微波工作室对螺旋天线进行了设计、优化与仿真，所得的仿真计算结果与测试结果有较好的一致性。设计出的螺旋天线具有高增益，提高了整个电晕放电探测系统的灵敏度。
关键词电晕放电；螺旋天线；CST；仿真；测试
中图分类号TN82文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)092-0219-01
螺旋天线是一种行波天线，具有宽频带特性和圆极化特性，已广泛应用于米波和分米波波段。可以构成螺旋天线阵使用，也可作为其它面天线的初级馈源。按照电晕放电探测系统的设计要求，首先设计单个的螺旋天线，提供较高的增益，在此基础上后续进行设计多个阵列进行拼接组合实现高增益阵列天线阵。螺旋天线不仅在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗，而且在同样的频带上螺旋天线的波瓣图显示其增益很大。它的性能对导线尺寸和螺旋节距不敏感；它的互阻抗几乎可以忽略，因此很容易用来组阵。
1螺旋天线结构参数及设计方法
将金属带或金属导线绕制成一定尺寸的圆柱或者圆锥螺旋线，一端用同轴线内导体馈电，另一端处于自由状态或与同轴线外导体联接。螺旋天线的几何结构参数为：
D=螺旋直径
S=螺距
n=圈数
d=螺旋导体（线）的直径
1=轴向长度=nS
为了消除同轴线外皮上电流，通常在螺旋线末端接一个直径为Z0=同轴线的特性阻抗的金属圆盘，这样就组成了一个螺旋天线。
螺旋天线的辐射特性主要取决于天线直径与波长比D/λ。
当D/λ=（0.25~0.46），螺旋的周长L在一个波长左右，最大的辐射方向在轴线方向，称之为轴向模螺旋天线，实际工程中也多采用这样的
天线。
轴向模螺旋天线对导线尺寸和螺旋节距不敏感，在工程中比较好建造使用，其优化的重要参数有波束宽度，增益，阻抗以及轴比。
（1）
本螺旋天线阵馈电时采取轴向馈电，适用于0.8≤Cλ≤1.2，12°≤α≤14°时，在20%的误差范围内为R=140Cλ。借助适当的匹配段，在螺旋最底部的1/4圈制成平行于接地面的锥削过渡段，将140Ω~150Ω的螺旋阻抗变换为50Ω的同轴线阻抗。在安装螺旋天线时，需要计算介质垫片与接地面的间距h，如式（2）所示：
（2）
式中：ω是馈点处导体的宽度，h=导体离地面的高度，εr是介质垫片的相对介电常数，Ｚ0是同轴线的特性阻抗。
1.1建立螺旋天线模型
本文所设计的螺旋天线要求工作频段在125MHz～500MHz 内，该阵列的增益在中心频率250MHz时约为15dBi，驻波比小于2。建模过程中，考虑到工作频率在超短波及微波波段，电流主要集中在导体表面，模型中螺旋线可用实心金属代替。
1.2仿真和优化
螺旋天线的辐射特性主要取决于天线直径波长比D/λ，根据实际工程所应用的轴向模螺旋天线，在当D/λ=（0.25~0.46）这个限制条件下，为方便后续设计与优化，我们将螺旋天线的主要参数C和α均设为变量，由于设计指标要求增益大于15dBi。根据计算，可将α取值区间选为[12，14]，对应C取值区间为[3/4，4/3]。我们可以在参数扫描设置中对α和C同时进行扫描，比较结果选取最佳值；或者分别进行参扫，然后根据参数对考察的电特性曲线（比如：VSWR）的影响趋势向最佳值逼近。经过升角扫参和螺旋节距的变化引起C的变化优化过程，最终选取
[α，C]=[12.4°，0.98]，螺旋圈数为10圈。
1.3仿真及实验结果
对端口基模的电场进行仿真，模式类型为TEM波，在相位为0度时，传播常数是18.1504，线阻抗为41Ω满足天线设计要求。
对设计出的螺旋天线的三维远场图进行仿真，设置频率观察点为中心频率250HMz，显示全空间的方向系数图。得到辐射的最大功率在正z方向上，天线的增益满足要求，增益大于15dBi。
对比仿真天线和实测天线的VSWR图可以看出仿真结果与测试结果一致性比较好。驻波比变化趋势在全频带内基本一致，在某些频率点上的驻波比计算结果与测试结果存在差别，其原因主要是由于加工精度误差及地面的影响造成的。
2结论
经过测试，应用CST的仿真结果与实验测试的结果具有比较好的一致性，按此设计制作的天线达到了设计要求，为后续工作中可以此天线为单元进行螺旋天线阵设计提供了可靠的设计依据，具有一定的参考价值。最终设计出一个高增益的螺旋天线阵，为电晕放电探测系统天线部分研制提供了良好支持。
参考文献
[1]王红丽.超宽带(UWB)四臂平面螺旋天线仿真设计[D].同济大学,2008.
[2]Nakano H, Takeda H, Honma T, et al. Extremely low profile helix radiating a circularly polarized wave[J].IEEE Trans on Antennas and Propagation,1991.
[3]Nakano H,Takeda H, Kitamura Y, et al. Low profile helical array antenna fed from a radial waveguide [J].IEEE Trans on Antennas and Propagation,1992.
[4]刘尚合,等.静电理论与防护[M].北京:兵器工业出版社.
[5]Fred P.Venditti, Hervert Reno. Electromagnetic Radiation from Corona Discharges[R].Final Report, Contract: N00019-74-0334,25 January 1977.
[6]魏文元,等.天线原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1985.
[7]刘庆想,李相强,袁成卫,等.高功率双层径向线螺旋阵列天线理论分析与数值模拟[J].电子学报,2005.
[8]John D.Kraus.天线[M].北京:电子工业出版社.
[9]李相强,刘庆想,赵柳,等.36单元高功率双层径向线螺旋阵列天线功率容量研究[J].强激光与粒子束,2007.
[10]李相强,刘庆想,赵柳.高功率单层径向线螺旋阵列天线的设计和模拟[M].强激光与粒子束,2005.
摘 要在分析电晕放电原理的基础上，结合本实验室关于电晕放电探测系统的设计要求，选用CST微波工作室对螺旋天线进行了设计、优化与仿真，所得的仿真计算结果与测试结果有较好的一致性。设计出的螺旋天线具有高增益，提高了整个电晕放电探测系统的灵敏度。
关键词电晕放电；螺旋天线；CST；仿真；测试
中图分类号TN82文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)092-0219-01
螺旋天线是一种行波天线，具有宽频带特性和圆极化特性，已广泛应用于米波和分米波波段。可以构成螺旋天线阵使用，也可作为其它面天线的初级馈源。按照电晕放电探测系统的设计要求，首先设计单个的螺旋天线，提供较高的增益，在此基础上后续进行设计多个阵列进行拼接组合实现高增益阵列天线阵。螺旋天线不仅在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗，而且在同样的频带上螺旋天线的波瓣图显示其增益很大。它的性能对导线尺寸和螺旋节距不敏感；它的互阻抗几乎可以忽略，因此很容易用来组阵。
1螺旋天线结构参数及设计方法
将金属带或金属导线绕制成一定尺寸的圆柱或者圆锥螺旋线，一端用同轴线内导体馈电，另一端处于自由状态或与同轴线外导体联接。螺旋天线的几何结构参数为：
D=螺旋直径
S=螺距
n=圈数
d=螺旋导体（线）的直径
1=轴向长度=nS
为了消除同轴线外皮上电流，通常在螺旋线末端接一个直径为Z0=同轴线的特性阻抗的金属圆盘，这样就组成了一个螺旋天线。
螺旋天线的辐射特性主要取决于天线直径与波长比D/λ。
当D/λ=（0.25~0.46），螺旋的周长L在一个波长左右，最大的辐射方向在轴线方向，称之为轴向模螺旋天线，实际工程中也多采用这样的
天线。
轴向模螺旋天线对导线尺寸和螺旋节距不敏感，在工程中比较好建造使用，其优化的重要参数有波束宽度，增益，阻抗以及轴比。
（1）
本螺旋天线阵馈电时采取轴向馈电，适用于0.8≤Cλ≤1.2，12°≤α≤14°时，在20%的误差范围内为R=140Cλ。借助适当的匹配段，在螺旋最底部的1/4圈制成平行于接地面的锥削过渡段，将140Ω~150Ω的螺旋阻抗变换为50Ω的同轴线阻抗。在安装螺旋天线时，需要计算介质垫片与接地面的间距h，如式（2）所示：
（2）
式中：ω是馈点处导体的宽度，h=导体离地面的高度，εr是介质垫片的相对介电常数，Ｚ0是同轴线的特性阻抗。
1.1建立螺旋天线模型
本文所设计的螺旋天线要求工作频段在125MHz～500MHz 内，该阵列的增益在中心频率250MHz时约为15dBi，驻波比小于2。建模过程中，考虑到工作频率在超短波及微波波段，电流主要集中在导体表面，模型中螺旋线可用实心金属代替。
1.2仿真和优化
螺旋天线的辐射特性主要取决于天线直径波长比D/λ，根据实际工程所应用的轴向模螺旋天线，在当D/λ=（0.25~0.46）这个限制条件下，为方便后续设计与优化，我们将螺旋天线的主要参数C和α均设为变量，由于设计指标要求增益大于15dBi。根据计算，可将α取值区间选为[12，14]，对应C取值区间为[3/4，4/3]。我们可以在参数扫描设置中对α和C同时进行扫描，比较结果选取最佳值；或者分别进行参扫，然后根据参数对考察的电特性曲线（比如：VSWR）的影响趋势向最佳值逼近。经过升角扫参和螺旋节距的变化引起C的变化优化过程，最终选取
[α，C]=[12.4°，0.98]，螺旋圈数为10圈。
1.3仿真及实验结果
对端口基模的电场进行仿真，模式类型为TEM波，在相位为0度时，传播常数是18.1504，线阻抗为41Ω满足天线设计要求。
对设计出的螺旋天线的三维远场图进行仿真，设置频率观察点为中心频率250HMz，显示全空间的方向系数图。得到辐射的最大功率在正z方向上，天线的增益满足要求，增益大于15dBi。
对比仿真天线和实测天线的VSWR图可以看出仿真结果与测试结果一致性比较好。驻波比变化趋势在全频带内基本一致，在某些频率点上的驻波比计算结果与测试结果存在差别，其原因主要是由于加工精度误差及地面的影响造成的。
2结论
经过测试，应用CST的仿真结果与实验测试的结果具有比较好的一致性，按此设计制作的天线达到了设计要求，为后续工作中可以此天线为单元进行螺旋天线阵设计提供了可靠的设计依据，具有一定的参考价值。最终设计出一个高增益的螺旋天线阵，为电晕放电探测系统天线部分研制提供了良好支持。
参考文献
[1]王红丽.超宽带(UWB)四臂平面螺旋天线仿真设计[D].同济大学,2008.
[2]Nakano H, Takeda H, Honma T, et al. Extremely low profile helix radiating a circularly polarized wave[J].IEEE Trans on Antennas and Propagation,1991.
[3]Nakano H,Takeda H, Kitamura Y, et al. Low profile helical array antenna fed from a radial waveguide [J].IEEE Trans on Antennas and Propagation,1992.
[4]刘尚合,等.静电理论与防护[M].北京:兵器工业出版社.
[5]Fred P.Venditti, Hervert Reno. Electromagnetic Radiation from Corona Discharges[R].Final Report, Contract: N00019-74-0334,25 January 1977.
[6]魏文元,等.天线原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1985.
[7]刘庆想,李相强,袁成卫,等.高功率双层径向线螺旋阵列天线理论分析与数值模拟[J].电子学报,2005.
[8]John D.Kraus.天线[M].北京:电子工业出版社.
[9]李相强,刘庆想,赵柳,等.36单元高功率双层径向线螺旋阵列天线功率容量研究[J].强激光与粒子束,2007.
[10]李相强,刘庆想,赵柳.高功率单层径向线螺旋阵列天线的设计和模拟[M].强激光与粒子束,2005.