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

縫隙螺旋天線的優(yōu)點

縫隙螺旋天線擁有以下優(yōu)點：

· 近乎理想的圓偏振輻射
· 寬帶頻率響應
· 輻射方向圖和阻抗能夠在大帶寬范圍內(nèi)保持不變

此外，縫隙螺旋天線設計易共形，可安裝在各種物體上。這對于國防等工業(yè)是一個實用特征，安裝在軍用車輛和飛機的縫隙螺旋天線可以發(fā)揮通信和監(jiān)視功能。

螺旋天線實例。圖片由Bin im Garten 拍攝，已獲CC BY-SA 3.0 授權，通過Wikimedia Commons共享。

螺旋天線有很多種，最常見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”對此類天線進行模擬。

借助COMSOL Multiphysics® 評估縫隙螺旋天線的設計

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螺旋圖案。參數(shù)化曲線使得我們能夠利用數(shù)學公式繪制任意形狀的曲線。基底是一個完美電導體（perfect electric conductor，簡稱PEC），具有很高的導電性，表面的損耗可忽略不計。螺旋狹縫的中心是集總端口，作用是激勵天線。

縫隙螺旋天線的幾何結構（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，簡稱PML）包圍，PML 為上圖灰色部分。右圖的物理場控制的網(wǎng)格由軟件默認生成。根據(jù)頻域 研究步驟定義的最大頻率，最大的網(wǎng)格尺寸被設為0.2 波長。網(wǎng)格還會通過一些材料屬性進行自動縮放，比如介電基底內(nèi)部的介電常數(shù)和磁導率。PML 層采用掃掠網(wǎng)格，沿著徑向包含5個網(wǎng)格單元。

查看電磁仿真結果

第一個繪圖展示了天線頂面的電場模。該圖表明沿縫隙的電場要強于天線表面其余地方的電場，這證實了電場被有效限制在帶縫隙的基底上。

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

xy 平面上的對數(shù)電場模（上圖）和S 參數(shù)繪圖（下圖）

為了進行遠場分析，我們首先創(chuàng)建一個二維極坐標繪圖。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)，不同頻率對應的輻射方向圖的形狀極其相似。

yz 平面的極坐標繪圖

最后是研究特定頻率（此例為3 GHz）所對應的三維雙向遠場輻射方向圖。結果表明，沿z 軸為最大輻射方向。此外，我們發(fā)現(xiàn)遠場模式具有對稱特征。

3 GHz 下的三維遠場輻射方向圖（上）和沿天線方向的輻射方向圖（下）