第四章 螺旋天線設計與模擬
4.3 螺旋天線參數分析
4.3.2 改變 S 每圈的間距之參數探討
為了探討每圈的間距是否為影響阻抗匹配因素，在其他天線尺寸不改變的情 況下設計四種尺寸分析:每圈間距間隔分別為 9mm、12mm、15mm、18mm。將此 四種尺寸以HFSS 模擬軟體模擬，圖 4.10 為四種尺寸模擬之 S11 圖，可發現 9mm 時，中心頻率落在 2.419GHz，反射損失為-22.9dB；在 12mm 時，中心頻率 落在2.41GHz，反射損失為-17.8dB；在 15mm 時，中心頻率落在 2.398GHz，反 射損失為-13.4dB；在 18mm 時，中心頻率落在 2.371GHz，反射損失為-11.7dB。
由此模擬結果，可發現間距距離增加，中心頻率會略往低頻移動。而頻寬會隨著 每圈間距增加些為減少。簡單歸納出螺旋天線每圈間距增加，代表天線總長度也 會增加，因此中心頻率也會往低頻。
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
m4m2 dB(RealizedGainTotal)Curve Info Setup1 : LastAdaptive
Freq='2.45GHz' liner='0.6mm' Phi='90deg' dB(RealizedGainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='2.45GHz' liner='0.8mm' Phi='90deg' dB(RealizedGainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='2.45GHz' liner='0.2mm' Phi='90deg' dB(RealizedGainTotal)
Setup1 : LastAdaptive
Freq='2.45GHz' liner='0.4mm' Phi='90deg'
Name X Y
m1 0.00 8.08 m2 0.00 7.64 m3 0.00 7.27 m4 0.00 6.57
23
圖 4.10 S 每圈的間距 9mm、12mm、15mm、18mm 之 S11 圖
由反射損失圖可發現天線中心頻率往低頻移動，因此藉由圖4.11 Smith chart 分析 阻抗，發現阻抗偏向電容性負載，而隨著每圈間距越來越大時，越遠離50 歐姆 阻抗。
圖 4.11 S 每圈的間距 9mm、12mm、15mm、18mm 之 Smith Chart
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz] Setup1 : Sweep pitch='9mm'
dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep pitch='12mm'
dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep pitch='15mm'
dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep pitch='18mm'
Name X Y
m1 2.37 -11.75 m2 2.40 -13.47 m3 2.41 -17.86 m4 2.42 -22.92
5.00 Smith Chart 1
m1
Name Freq Ang Mag RX
m1 2.45 2.13 0.19 1.46 + 0.02i Setup1 : Sweep pitch='9mm'
S(1,1) Setup1 : Sweep pitch='12mm'
S(1,1) Setup1 : Sweep pitch='15mm'
S(1,1) Setup1 : Sweep pitch='18mm'
24 4.3.3 改變螺旋天線半徑之參數探討
為了探討螺旋天線半徑是否為影響阻抗匹配因素，在其他天線尺寸不改變情 況下設計四種尺寸分析:半徑為 13mm、14mm、15mm、16mm。將此四種尺寸以 HFSS 模擬軟體模擬，圖 4.12 為四種尺寸模擬之 S11 圖，可發現螺旋天線半徑增 4.13 Smith chart 分析阻抗，可發現在頻率 2.45GHz 時，螺旋天線半徑為 16mm，
阻抗往電容負載偏；半徑為14mm 時，阻抗往電桿負載偏移，並且遠離 50 歐姆 阻抗。
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz] Setup1 : Sweep ar='-2mm'
dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep ar='-1mm'
dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep ar='0mm'
dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep ar='1mm'
Name X Y
m1 2.25 -14.31 m2 2.40 -13.05 m3 2.56 -12.04 m4 2.74 -11.69
25
圖 4.13 改變螺旋天線半徑13mm、14mm、15mm、16mm 之 Smith Chart 4.3.4 改變螺旋天線圈數之參數探討 Smith Chart 5
Radius=16mm
Name Freq Ang Mag RX
m1 2.45 -58.71 0.52 1.00 - 1.22i m2 2.45 -56.82 0.31 1.19 - 0.68i m3 2.45 -111.31 0.58 0.38 - 0.61i m4 2.45 -70.81 0.90 0.16 - 1.40i
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
m1 2.3230 -25.6416 m2 2.3950 -13.1253 m3 2.5450 -8.7711 m4 2.0290 -6.2983
Curve Info
dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep TURNS='2'
dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep TURNS='3'
dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep TURNS='4'
dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep TURNS='5'
26 4.3.5 改變螺旋各參數之結論
由以上4 種螺旋天線參數整理出以下四種結果:
由以上這些模擬結果可以較容易明白改變 d 纏繞的銅線線徑、改變 S 每圈的 間距、改變D 螺旋的直徑、改變螺旋天線圈數等參數對阻抗及頻寬之影響，本章 節將調整及使用HFSS 模擬軟體模擬其較優，設計一螺旋天線，下圖 4.15 及圖 4.16 為其天線結構尺寸圖及天線參數圖。
圖 4.15 天線結構尺寸圖
參數 數值(mm)
D(螺旋直徑) 31.5
S(圈距) 10
d 線徑直徑 1.6
F(FR4 基板長度) 200
圖 4.16 天線參數圖 d
D S
F
27
圖 4.17 螺旋天線之 S11 圖
圖 4.18 Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
上述優化之螺旋天線為半徑為 15.75mm、螺旋圈距為 10mm，經計算可得知 螺旋線全長為464.5mm。圖 4.17 為回波反射圖，可看到中心頻率落在 2.45GHz，
而在1.5GHz 及 3.8GHz 時 S11 大於零，為模擬軟體在以上頻率點未收斂所造成，
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
9.29 dB(RealizedGainTotal)Curve Info
Setup1 : LastAdaptive Freq='2.45GHz' Phi='90deg' UY='10mm'
28
在此篇論文統一說明此狀況。而圖4.18 為 Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度
=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖。
為了探討出是否因為螺旋圈數改變，造成螺旋長度改變，進而影響螺旋天線 中心頻率改變。下一章節中，將一優化之螺旋天線，設計兩種CASE，CASE 1 為 固定其螺旋線全長及螺旋半徑，改變螺旋圈距及圈數；CASE 2 為固定其螺旋線 全長及螺旋圈距，改變螺旋半徑及圈數。並藉兩種CASE 之模擬結果，分析其螺 旋線全長對阻抗之影響。
4.4 螺旋天線總長度對阻抗的探討
4.4.1 CASE 1 分析其螺旋線全長對阻抗之影響
使用優化之螺旋天線當作基礎，固定其螺旋線全長及螺旋半徑，改變螺旋圈 距及圈數，分析其螺旋線全長對阻抗之影響。螺旋線全長為464.5 mm，螺旋半徑 為15.75 mm，螺旋圈距由 10 mm 改變為 5 mm，螺旋圈數由 4.67 圈改變為 4.688 圈，下圖4.19 為其天線結構尺寸圖。
圖 4.19 天線結構尺寸圖
29
下圖 4.20 改變前後 S11 圖，黑色實線為改變前之反射損失圖，在中心頻率 2.45GHz 時，S11 為-19dB，而虛線為改變後之反射損失圖，中心頻率往高頻移動 為2.4715GHz，S11 為-3.5dB。頻寬方面明顯降低許多。
圖 4.20 改變前後 S11 圖
下圖 4.21 為 Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之改變前後 之增益圖，可發現黑色實線改變前，增益達到 9.29dBi；而黑色虛線改變 後，增益下降為 5.97dBi。
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
-30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00
dB(S(1,1))
HFSSDesign1 XY Plot 1
2.4500 -3.5323
-18.4597
Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep dB(S(1,1))_1 Imported
30
圖 4.21 Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之改變前後增益圖
4.4.2 CASE 2 分析其螺旋線全長對阻抗之影響
使用優化之螺旋天線當作基礎，固定其螺旋線全長及螺旋圈距，改變螺旋半 徑及圈數，分析其螺旋線全長對阻抗之影響。螺旋線全長為464.5 mm，螺旋圈距 為10 mm，螺旋半徑由 15.75 mm 改變為 12 mm，螺旋圈數由 4.67 圈改變為 6.108 圈，下圖4.22 為其天線結構尺寸圖。
圖 4.22 天線結構尺寸圖
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
-25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 -0.00 5.00 10.00
dB(RealizedGainTotal)
HFSSDesign1 XY Plot 2
0.0000 9.2947 5.9714
Curve Info dB(RealizedGainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='2.45GHz' Phi='90deg'
dB(RealizedGainTotal)_1 Imported Freq='2.45GHz' Phi='90deg'
31
圖 4.23 改變前後 S11 圖，黑色實線為改變前之反射損失圖，在中心頻率 2.45GHz 時，S11 為-19dB，而虛線為改變後之反射損失圖，中心頻率往高頻移動 為3.04GHz，S11 為-11dB。從此疊圖可發現改變前後，S11 圖已經失去規則性，
並未如圖4.19 還可看出中心頻率些為往高頻移動。
圖 4.23 改變前後 S11 圖
下圖 4.24 為 Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之改變前後之增益圖，
可發現黑色實線改變前，增益達到 9.29dBi；而黑色虛線改變後，增益下降為-0.67dBi。並可發現其高指向性效果消失，其能量較均勻分布各角度。
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
-30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00
dB(S(1,1))
HFSSDesign1 XY Plot 1
2.45 -1.09
-18.46
Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep dB(S(1,1))_1 Imported
32
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup1 : LastAdaptive Freq='2.45GHz' Phi='90deg'
dB(RealizedGainTotal)_1 Imported Freq='2.45GHz' Phi='90deg'
33
距之中心頻率S11 圖及些微增加之半徑中心頻率 S11 圖及增益圖分別探討，最後 再將其各圈距歸納整合。
4.5.1 螺旋天線圈距 9 mm
將螺旋天線總高度固定 49.5 mm，縮小圈距至 9 mm，相對的螺旋圈數會因此 增加至5.189 圈，下圖 4.25 為其經由軟體 HFSS 模擬之 S11 結果，可看到中心頻 率往高頻2.491 GHz 移動，S11 為-19dB。而圖 4.26 為螺旋半徑增加 0.07mm ， 降低頻率至2.45 GHz，S11 為-9.9dB,螺旋全長為 524.07mm，此時增益可由圖 4.27 得知，在 Phi=90 度,theta=-180 度到 180 度,增益由 8.18dBi 提高至 9.4dBi。
圖 4.25 螺旋圈距 9 mm，固定總高度之 S11 圖
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
-30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00
dB(S(1,1))
HFSSDesign1 XY Plot 1
2.4910 -19.0897 -18.6887
Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep
34
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
9.3061 dB(RealizedGainTotal)Curve Info Setup1 : LastAdaptive Freq='2.45GHz' Phi='90deg' qw ='0.05'
35
降低頻率至2.45 GHz，S11 為-5.9dB,螺旋全長為 586.9mm，此時增益可由圖 4.30 得知，在Phi=90 度,theta=-180 度到 180 度,增益由 7.5 dBi 提高至 8.8 dBi。
圖 4.28 螺旋圈距 8 mm，固定總高度之 S11 圖
圖 4.29 螺旋半徑增加 0.2mm ，降低頻率至 2.45GHz
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
36
圖 4.30 Phi=90 度,theta=-180 度到 180 度,增益 8.8 dBi
4.5.3 螺旋天線圈距 7 mm
將螺旋天線總高度固定 49.5 mm，縮小圈距至 7 mm，相對的螺旋圈數會因此 增加至6.671 圈，下圖 4.31 為其經由軟體 HFSS 模擬之 S11 結果，可看到中心頻 率往高頻2.6 GHz 移動，S11 為-19.9dB。而圖 4.32 為螺旋半徑增加 1.06mm ，降 低頻率至2.45 GHz，S11 為-23dB,螺旋全長為 706.1mm，此時增益可由圖 4.33 得 知，在Phi=90 度,theta=-180 度到 180 度,增益提高至 10dBi。
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
-20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00
dB(RealizedGainTotal)
HFSSDesign1 XY Plot 10
0.0000
8.8671 dB(RealizedGainTotal)Curve Info Setup1 : LastAdaptive Freq='2.45GHz' Phi='90deg'
37
圖 4.31 螺旋圈距 7 mm，固定總高度之 S11 圖
圖 4.32 螺旋半徑增加 1.06mm ，降低頻率至 2.45GHz
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
38
圖 4.33 Phi=90 度,theta=-180 度到 180 度,增益 10 dBi
4.5.4 螺旋天線圈距 6 mm
將螺旋天線總高度固定 49.5 mm，縮小圈距至 6 mm，相對的螺旋圈數會因此 增加至7.783 圈，下圖 4.34 為其經由軟體 HFSS 模擬之 S11 結果，可看到中心頻 率往高頻2.58 GHz 移動，S11 為-34dB。而圖 4.35 為螺旋半徑增加 1.14mm ，降 低頻率至2.45 GHz，S11 為-15dB,螺旋全長為 827.27mm，此時增益可由圖 4.36 得知，在Phi=90 度,theta=-180 度到 180 度,增益提高至 10.09dBi。
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
-25.00 -12.50 0.00 12.50
dB(RealizedGainTotal)
HFSSDesign1 XY Plot 2
0.0000 10.0986
Curve Info dB(RealizedGainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq='2.45GHz' Phi='0deg'
39
圖 4.34 螺旋圈距 6 mm，固定總高度之 S11 圖
圖 4.35 螺旋半徑增加 1.14mm ，降低頻率至 2.45GHz
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
40
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup1 : LastAdaptive Freq='2.45GHz' Phi='0deg' qw ='1.14mm'
41
由本章節之模擬結果，可得知固定螺旋高度，增加螺旋圈數，並且減少螺旋 圈距，增益雖有些許增加為好事，但由S11 模擬結果圖可發現，中心頻率之頻寬 略為窄小。在下一章節中將探討若是改變螺旋之外型，將其螺旋半徑每圈增加會 減少，是否因此改變頻寬。
42
第五章 錐形螺旋天線之探討
5.1 漸縮式螺旋天線
螺旋天線能夠是一種變化多變的天線，也可以根據所需求頻率及場型需求調 整螺旋線徑、螺旋圈距、螺旋圈數等。而本章節將改變螺旋天線外型，將其每圈 之螺旋半徑漸縮或是漸增，使其變為一錐形螺旋天線，並且探討其對阻抗、頻寬 及場型的改變，進而歸納整理錐形螺旋天線的規則。
本章節將以第四章之模擬較優螺旋天線為基礎，固定半徑為 15.75 mm、螺旋圈數為 4.67 圈、螺旋圈距為 10 mm，改變其每圈半徑為每圈減少 1 mm 及減少 2 mm，藉以觀察其模擬之 S11 圖、增益及場型。
5.1.1 每圈半徑減少 1 mm 之螺旋天線
下圖5.1 為螺旋天線由原本半徑15.75mm每圈半徑減少1 mm 之螺旋天 線示意圖，由下至上螺旋半徑分別為15.75 mm、14.75 mm、13.75 mm、
12.75 mm、12.08 mm，螺旋線全長為 411 mm，較原來全長 464.5 減少 53.5 mm。
圖 5.1 每圈半徑減少 1 mm 之螺旋天線示意圖
43
下圖 5.2 為每圈半徑減少 1 mm 之螺旋天線 S11 模擬圖，可發現其相較螺旋 天線半徑每圈相同中心頻率落在2.45 GHz，改變為每圈半徑減少 1 mm 之螺旋天 線其較明顯頻率點落在2.491GHz 及 2.812GHz，分別為-7.4 dB 及-11.5 dB。
圖 5.2 每圈半徑減少 1 mm 之螺旋天線 S11 模擬圖
將 2.491 GHz 及 2.812 GHz 此兩個頻率點，個別模擬其增益及方向性，圖 5.3 為Theta 角度=−180°~180°，Phi 角度=90°，頻率在 2.491 GHz 之增益圖，可發現 增益為5.849 dBi，由原來改變前 9.29 dBi，下降約 3.5 dBi，而方向性並無明顯之 改變；而圖5.4 為 Theta 角度=−180°~180°，Phi 角度=90°，頻率在 2.812 GHz 之 增益圖，可發現增益為9.4692 dBi，由原來改變前 9.29 dBi，增加 0.18 dBi。
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
-30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00
dB(S(1,1))
HFSSDesign1 XY Plot 10
m1
m2
Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sw eep
Name X Y
m1 2.4910 -7.4402 m2 2.8120 -11.5282
44
圖 5.3 Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°頻率 2.491GHz 增益圖
圖 5.4 Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°頻率 2.812GHz 增益圖 5.1.2 每圈半徑減少 2 mm 之螺旋天線
下圖 5.5 為螺旋天線由原本半徑 15.75mm 每圈半徑減少 2 mm 之螺旋天線示 意圖，由下至上螺旋半徑分別為15.75 mm、13.75 mm、11.75 mm、9.75 mm、
8.41 mm，螺旋線全長約為 358mm，較原來全長 464.5 減少 106.5 mm。
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup5 : LastAdaptive Freq='2.491GHz' Phi='90deg'
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
9.4692 Curve Info
dB(RealizedGainTotal) Setup4 : LastAdaptive Freq='2.809GHz' Phi='90deg'
45
圖 5.5 每圈半徑減少 2 mm 之螺旋天線示意圖
下圖 5.6 為每圈半徑減少 2 mm 之螺旋天線 S11 模擬圖，可發現其相較螺旋 天線半徑每圈相同中心頻率落在2.45 GHz，改變為每圈半徑減少 2 mm 之螺旋天
下圖 5.6 為每圈半徑減少 2 mm 之螺旋天線 S11 模擬圖，可發現其相較螺旋 天線半徑每圈相同中心頻率落在2.45 GHz，改變為每圈半徑減少 2 mm 之螺旋天