1946年，科学家Krauss发现了螺旋天线，它被广泛应用于空间设备和雷达系统中。通常，螺旋天线是由绕在介电圆柱体上的导线制成的。螺旋天线在设计方面非常复杂，它能产生圆极化的电磁波。此外，其工作模式还依赖于所使用的频率。

撰写这篇案例说明的目的在于比较三种螺旋天线的仿真时间、未知数数量和方向图。此外，还将展示3D方向图和2D近场分布。这些结果是使用WIPL-D Pro 软件工具获得的。WIPL-DPro是一款基于矩量法的全3D电磁仿真器。

WIPL-D 模型

螺旋天线的模拟模型如图1-3所示。所有模拟的螺旋天线都由辐射元件和反射器组成。此外，有一个天线模型包含介电材料。在WIPL-D软件中，可以使用强大的内置功能Helix成功设计各种螺旋天线。通过将Helix功能与WIPL-D的参数机制结合，用户可以非常高效参数化地建模螺旋结构。这种建模方式使得结构尺寸、圈数、段数等参数的修改变得快速且简单。

使用WIPL-D中的导线实体建模的螺旋天线辐射单元如图1所示(以下简称导线螺旋天线)。WIPL-D的导线实体非常适合模拟真实导线。WIPL-D导线实体中仅存在电流的轴向分量。使用无限薄板建模的螺旋天线辐射单元如图2所示(以下简称面螺旋天线)。最后，使用安装在介电支撑圆柱上的无限薄板建模的螺旋天线辐射单元如图3所示(以下简称带介电板螺旋天线)。介质电参数如下:e,=2+j0和u,=1+j·0

这三种天线的反射器和辐射元件的尺寸是相同的，但采用了一些近似处理。例如，认为馈电区域不会影响结果(这三种天线的馈电区域各不相同)。此外，面螺旋天线中无限薄板的宽度等于导线螺旋天线中用于建模辐射元件的导线直径。

结果与仿真

所有模型都在9GHz频率下进行了模拟。感兴趣的结果是θ截面的方向图。此外，对于导线模型，还计算了三维方向图和二维近场分布。

图4 展示了导线螺旋天线在三维空间中的方向图，这个图是通过91x91=8281个点计算得出的。图5展示了三种螺旋天线模型(导线螺旋天线、面螺旋天线以及带介电支撑的面螺旋天线)在主波束方向上的方向图，这些方向图是通过721x1=721个点计算得出的。最后，图6展示了导线螺旋天线的二维近场分布，这个二维近场分布是通过251x201x1=50451个点计算得出的。

用于这些模拟的计算机是IntelCoreTM i7-7700 CPU@3.60 GHz。表1中给出了未知数的数量、所需的计算机内存和模拟时间。模拟时间主要包括填充矩阵所需的计算时间、解矩阵所需的计算时间以及计算输出结果所花费的计算时间。

结论

根据仿真结果我们得出了几个结论。

首先，所有的模拟时间都相对较短。此外，由于问题在电气上是小规模的，计算机内存需求也非常小。这意味着这样短的模拟时间允许通过优化或设计变量的扫描来完成设计过程，这可以通过WIPL-D软件套件中的相应模块实现。

其次，面状螺旋和线状螺旋之间得到了相似的结果。这意味着在这种情况下，使用WIPL-D的线实体对板进行适当的近似是有效的。除了结果之间的一致性良好之外，如果使用线模型，未知数的数量和模拟时间也会减少。这种简单的近似方法可以帮助我们解决非常复杂的问题。换句话说，如果模拟模型复杂，我们可以通过应用适当的近似方法显著减少模拟时间和内存需求。

最后一点是介质的影响显而易见。带有介质支撑圆柱的螺旋天线模型，其方向图与其他两个模型相比有显著差异，这在实际应用中由于天线的坚固性而经常使用。这是预料之中的，因为介质的存在会影响天线的特性。为克服这种情况，在设计过程中应考虑介质的存在。