摘要：介绍了一种用于宽脉冲电磁辐射的宽频带天线——圆锥对数螺旋天线。在通过近似解析计算进行天线结构粗略设计的基础上，利用仿真软件对其进行了较准确和全面的仿真计算，得到了天线的方向图、输入阻抗、电压驻波比和天线上的电流颁等各项参数，从而论证了原解析的误差范围和适用范围。

关键词：宽肪冲电磁辐射 圆锥对数螺旋天线 数值计算

宽脉冲大功率电磁辐射技术日趋成熟，该技术可广泛应用于民用、军事、天文等社会生活各个方面。此类电磁脉冲所包含的频谱很宽，对电子系统的干扰和威胁较大。在宽脉冲电磁辐射研究中，发射天线设计是关键所在。天线将脉冲电流转化为空间电磁波，决定电磁波的发射方向、覆盖面积等，并且影响到调制电路中脉冲激励的波形，在电磁辐射系统中起着非常重要的作用。圆锥对数螺旋天线是一类较理想的宽频带天线，适合宽脉冲电磁辐射系统对天线的要求。本文对圆锥对数螺旋天线的性能进行了仿真与分析。

圆锥对数螺旋天线的基本结构如图1所示[1]，其基本参数为：圆锥半张角θ0、螺旋线包角α、天线臂角宽度δ。在球坐标系下，圆锥对数螺旋天线螺旋臂的两条边线ρ1、ρ2的曲线方程为：

可以看出，ρ1和ρ2为螺旋旋上一点与原点（锥顶）的距离，ρo为螺旋臂顶端端点与原点的距离。

实际应用中，圆锥对数螺旋天线是两个天线臂对绕形成的，其中一个天线臂由另一个臂绕圆锥轴线旋转180°而产生（如图2所示）。该天线沿锥尖方向有最强的辐射， 而其反方向辐射则相对微弱。当天线臂角度宽δ=90°时称为自补结构，能产生最好的方向图。由于结构是螺旋对称的，故方向图接近两近旋转对称，辐射场的极化几乎在所有方向都非常接近圆极化，但随着离开轴线角度的增加，椭圆率会增加，椭圆极化旋转方向取决于天线螺旋的方向[2]。

1 圆锥对数螺旋天线性能参数解析算法与设计

圆锥对数螺旋天线（简称cls天线）结构较复杂，利用解析分析只能粗略地计算其性能参数，要想得到较准确的参数及方向图必须利用数值计算方进行仿真。

cls天线有五个结构参数：顶端半径r、底端半径r、锥角θ、螺旋线包角α、天线臂角宽度δ。其中天线方向性主要由于锥角θ以及螺旋线包角α决定，而天线频宽带度度主要由天线上下半径r和r决定。这是因为对于频带内的各个频率，圆锥对数螺旋天线上可以找到与该频率对应波长相似的圆环，称为该频率下天线的工作区。所以上下底面半径决定了上下截止频率对应的波长，从而确定了频带宽度。文献[1]和[2]给出了cls天线性能参数的经验计算，可用其精略设计天线的结构尺寸。

笔者的研究工作要求天线的工作频率为60mhz~100mhz。由于对频带特性要求较高，首先要考虑其辐射方向图具有非频变性，即不 随频率有明显改变；其次是输入阻抗变化范围要小，以利用调制电路与天线的匹配。为此，先取天线足够长，以确保天线的带宽特性；然后通过改变圆锥角和螺旋包角控制辐射场的波瓣宽度，使其满足要求。一般情况下，增加包角（天线缠绕更紧凑）或减小锥角，天线的方向性会增加，同时后瓣会减小；反之，方向性减弱，后瓣会增大。设计时可根据波瓣宽度等要求先确定包角α和锥角θ，然后尝试缩短天线臂，并考查此时的辐射特性，最后使天线臂长在满足要求的前提下最短，从而实现尺寸大小的变化。根据文献[2]给出的经验公式及已有的试验数据可以设计得：

（a） 由查表可以确定三个角度：θ0=10°，α=71.6°,δ=90°;

(b)根据上下截止频率，可确定圆锥上下底层半径r和r。根据工作频率下截止频率及波长?1=60mhz、λ1=5m，上截止频率及波长?2=100mhz、λ2=3m。查表可得[2]：

r λ1=0.15804 rλ2=0.06288

即：r=0.15804