第五章 錐形螺旋天線之探討
5.2 漸增式螺旋天線
5.2.1 每圈半徑增加 1 mm 之螺旋天線
下圖 5.9 為螺旋天線由原本半徑 15.75mm 每圈半徑增加 1 mm 之螺旋天線示 意圖，由下至上螺旋半徑分別為15.75 mm、16.75 mm、17.75 mm、18.75 mm、
19.42mm，螺旋線全長約為 512 mm，較原來全長 464.5 增加 47.5 mm。
圖 5.9 每圈半徑增加 1 mm 之螺旋天線示意圖
下圖 5.10 為每圈半徑增加 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，改變為每圈半徑增加 1 mm 之螺旋
48
天線其S11 小於-10 dB 頻率點落在 2.191GHz、2.734GHz、3.214GHz、
3.529GHz、3.829GHz。
圖 5.10 每圈半徑增加 1 mm 之螺旋天線 S11 模擬圖
將 2.191GHz、2.734GHz、3.214GHz、3.529GHz、3.829GHz 這些頻率點，個 別模擬其增益及方向性，圖5.11-圖 5.15 為 Theta 角度=−180°~180°，Phi 角度
=90°之增益圖，可發現其除了 3.529GHz 增益為 5 dBi，其餘頻率增益都高達 9 dBi，甚至達到 11 dBi。
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
m1 2.1910 -22.7327 m2 2.7340 -11.8332 m3 3.2140 -20.8028 m4 3.5290 -33.5526 m5 3.8290 -15.4433
49
圖 5.11 2.191GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
圖 5.12 2.734GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
9.0461 dB(RealizedGainTotal)Curve Info Setup2 : LastAdaptive Freq='2.191GHz' Phi='0deg'
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
9.6083 Curve Info
dB(RealizedGainTotal) Setup3 : LastAdaptive Freq='2.734GHz' Phi='0deg'
50
圖 5.13 3.214GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
圖 5.14 3.529GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup4 : LastAdaptive Freq='3.214GHz' Phi='0deg'
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup5 : LastAdaptive Freq='3.529GHz' Phi='0deg'
51
圖 5.15 3.829GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖 5.2.2 每圈半徑增加 2 mm 之螺旋天線
下圖 5.16 為螺旋天線由原本半徑 15.75mm 每圈半徑增加 2mm 之螺旋天線示 意圖，由下至上螺旋半徑分別為15.75 mm、17.75 mm、19.75 mm、21.75 mm、
23.09mm，螺旋線全長約為 572 mm，較原來全長 464.5 增加 107.5 mm。
圖 5.16 每圈半徑增加 2 mm 之螺旋天線示意圖
-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 6
0.0000
9.2571 dB(RealizedGainTotal)Curve Info Setup6 : LastAdaptive Freq='3.829GHz' Phi='0deg'
52
下圖 5.17 為每圈半徑增加 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，改變為每圈半徑增加 1 mm 之螺旋 天線其S11 小於-10 dB 頻率點落在 1.69GHz、2.011GHz、2.494GHz、2.857GHz、
3.127GHz、3.403GHz、3.67GHz。
圖 5.17 每圈半徑增加 2 mm 之螺旋天線 S11 模擬圖
將 1.69GHz、2.011GHz、2.494GHz、2.857GHz、3.127GHz、3.403GHz、
3.67GHz 這些頻率點，個別模擬其增益及方向性，圖 5.18-圖 5.24 為 Theta 角度
=−180°~180°，Phi 角度=90°之增益圖，可發現其小於 3 GHz 增益皆可達 8 dBi 以上，大於3 GHz 方向性降低增益也下降許多。
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
m1 1.69 -20.17 m2 2.01 -25.42 m3 2.49 -24.16 m4 2.85 -10.24 m5 3.13 -23.66 m6 3.41 -18.73 m7 3.67 -16.66 m8 3.95 -11.91
53
圖 5.18 1.69GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
圖 5.19 2.011GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
9.0500 dB(RealizedGainTotal)Curve Info Setup2 : LastAdaptive Freq='1.69GHz' Phi='0deg'
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
9.6522 Curve Info
dB(RealizedGainTotal) Setup3 : LastAdaptive Freq='2.011GHz' Phi='0deg'
54
圖 5.20 2.494GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
圖 5.21 2.857GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
9.6639 dB(RealizedGainTotal)Curve Info Setup4 : LastAdaptive Freq='2.494GHz' Phi='0deg'
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup5 : LastAdaptive Freq='2.857GHz' Phi='0deg'
55
圖 5.22 3.127GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
圖 5.23 3.403GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup6 : LastAdaptive Freq='3.127GHz' Phi='0deg'
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup7 : LastAdaptive Freq='3.403GHz' Phi='0deg'
56
圖 5.24 3.67GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖 5.2.3 每圈半徑增加 3mm 之螺旋天線
下圖 5.25 為螺旋天線由原本半徑 15.75mm 每圈半徑增加 3mm 之螺旋天線示 意圖，由下至上螺旋半徑分別為15.75 mm、18.75 mm、21.75 mm、24.75 mm、
26.76mm，螺旋線全長約為 625.5 mm，較原來全長 464.5 增加 161 mm。
圖 5.25 每圈半徑增加 3 mm 之螺旋天線示意圖
-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 8
0.0000 2.5071
Curve Info
dB(RealizedGainTotal) Setup8 : LastAdaptive Freq='3.67GHz' Phi='0deg'
57
下圖 5.26 為每圈半徑增加 3 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，改變為每圈半徑增加 1 mm 之螺旋 天線其S11 小於-10 dB 頻率點落在 1.528GHz、1.879GHz、2.281GHz、
2.563GHz、2.812GHz、3.073GHz、3.334GHz、3.61GHz、3.907GHz。
圖 5.26 每圈半徑增加 3mm 之螺旋天線 S11 模擬圖
將 1.528GHz、1.879GHz、2.281GHz、2.563GHz、2.812GHz、3.073GHz、
3.334GHz、3.61GHz、3.907GHz 這些頻率點，個別模擬其增益及方向性，圖 5.27-圖 5.35 為 Theta 角度=−180°~180°，Phi 角度=90°之增益圖，可發現其頻率 點越高頻，輻射方向會有所改變，增益也會下降。
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
m1 1.53 -19.77 m2 1.88 -19.11 m3 2.28 -13.23 m4 2.56 -14.19 m5 2.81 -20.86 m6 3.07 -33.83 m7 3.33 -11.57 m8 3.61 -12.78 m9 3.91 -11.09
58
圖 5.27 1.528GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
圖 5.28 1.879GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
8.9440 dB(RealizedGainTotal)Curve Info Setup2 : LastAdaptive Freq='1.528GHz' Phi='90deg'
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
9.8179 Curve Info
dB(RealizedGainTotal) Setup3 : LastAdaptive Freq='1.879GHz' Phi='90deg'
59
圖 5.29 2.281GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
圖 5.30 2.563GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg]
9.2048 dB(RealizedGainTotal)Curve Info Setup4 : LastAdaptive Freq='2.281GHz' Phi='90deg'
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup5 : LastAdaptive Freq='2.563GHz' Phi='90deg'
60
圖 5.31 2.812GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
圖 5.32 3.073GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup6 : LastAdaptive Freq='2.812GHz' Phi='90deg'
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup7 : LastAdaptive Freq='3.073GHz' Phi='90deg'
61
圖 5.33 3.34GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
圖 5.34 3.61GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup8 : LastAdaptive Freq='3.334GHz' Phi='90deg'
-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00
Theta [deg] Setup9 : LastAdaptive Freq='3.61GHz' Phi='90deg'
62
圖 5.35 3.907GHz，Theta 角度=−𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°~𝐒𝐒𝟏𝟏𝟗𝟗°，Phi 角度=𝟗𝟗𝟗𝟗°之增益圖 5.2.4 漸縮漸增螺旋天線歸納與整理
由前幾章節之模擬結果，可得知螺旋天線的漸減與漸增影響天線 S11 的表現 甚大，較明顯之影響為由單一中心頻率變為多頻率。
圖 5.36 為螺旋半徑由原本半徑 15.75mm 每圈減少 1mm、2mm 之 S11 疊圖，
可發現漸減式螺旋天線隨著半徑每圈減少越多，頻率點位置會往高頻移動。雖然 只從單一頻率改變為雙頻，但漸縮式螺旋天線優點為可以天線大小。
-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 19
0.0000 -1.6736
Curve Info
dB(RealizedGainTotal) Setup10 : LastAdaptive Freq='3.907GHz' Phi='90deg'
63
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz]
m1 2.4910 -7.4402 m2 2.8120 -11.5282 m3 2.5510 -4.9931 m4 2.9930 -11.9392
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz] Setup1 : Sweep
dB(S(1,1))_1 Imported
dB(S(1,1))_2 Imported
Name X Y
m1 2.19 -22.73 m2 2.01 -25.33 m3 1.87 -18.94
64
由圖 5.38 螺旋半徑由原本半徑 15.75mm 每圈增加 1mm、2mm、3mm 之 S11 疊圖並未能明顯的看出漸增式螺旋天線每圈半徑增加對回波反射圖的規律性，因 此將模擬螺旋半徑由1mm、2mm、3mm，幅度縮小為 1.8mm、2mm、2.2mm，由 圖5.37 可發現螺旋天線半徑由原本半徑 15.75mm 每圈增加 2mm、2.2mm、1.8mm，
隨著增加的半徑越少，中心頻率會越往高頻移動。頻率1.5GHz 到 2.5GHz，在每圈
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Freq [GHz] Setup1 : Sweep rc='1.8mm'
dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep rc='2mm'
dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep rc='2.2mm'
Name X Y
m1 1.65 -24.16 m2 1.97 -21.76 m3 2.45 -39.81 m4 1.69 -20.17 m5 2.01 -25.42 m6 2.49 -24.16 m7 1.73 -16.31 m8 2.04 -28.42 m9 2.53 -18.76
65
第六章 結論
本文探討各參數改變對螺旋天線軸向模態所造成的影響，發現改變螺旋天線 線徑大小，發現線徑增加，中心頻率會往高頻移動，也能夠有效增加頻寬。而當 改變每圈的間距時，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。當改變螺旋天線半徑，無法影響天線頻寬，隨著半 徑增加，中心頻率會往低頻移動。螺旋天線圈距改變，造成中心頻率不規則改 變，並非因螺旋天線總長度改變所影響，是因為螺旋天線總高度改變所導致。
在第五章改變了螺旋天線架構，設計漸縮式螺旋天線及漸增式螺旋天線。文 獻探討的錐形螺旋天線論文[6]為單一頻率，而本篇論文發現可藉由模擬漸縮式螺 旋天線，發現螺旋天線每圈半徑若是逐漸縮小，將影響其中心頻率位置，也會因 此變為多頻。而模擬漸增式螺旋天線，可發現其隨著每圈增加的半徑越多，小於 -10dB 的頻率點也會增加，各個頻率點位置也會越往低頻移動。每圈半徑的改 變，各頻率點位置也會等比移動。
綜合本論文對螺旋天線的分析研究，得知若是想提高螺旋天線中心頻率，可 將螺旋天線線徑加大或著將螺旋間距縮小，亦或是將螺旋半徑減小，使其達到效 果。而在有限的天線高度下，想提高增益，可以藉由固定總高度，增加螺旋圈 數，而達到期望目的。若是想將螺旋天線由單一頻率，轉變為多頻螺旋天線，可 以將天線每圈半徑逐漸增加或逐漸縮小。雖然本論文所設計之錐形螺旋天線，確 實符合因應5G 時代來臨，智慧型手機天線所需要的多頻率及高增益，天線尺寸 雖然長寬只有3 公分、高度約 4 公分已經小於傳統螺旋天線非常多，然而人不易 加入手機中。這些將會是未來螺旋天線想應用於手機天線上必須努力的目標。
66
參考文獻
[1] Abhinay Kuchikull ,多天線小空間成定局孔徑調諧解手機射頻設計難題,May
,2019,檢自新通訊元件雜誌(https://www.2cm.com.tw/2cm/zhtw/tech/4B47B3F2
E11746B782F5D8D7BCA6990A5)
[2] Shunze,《分享》無線網路 802.11 演進歷史,November,2014,檢自 Shunze 學園 (http://www.shunze.info/forum/thread.php?threadid=1850&boardid=4&sid=2cae9
0bce960207918ab41c24f133467&page=1)
[3] 陳士元,漫談電磁學發展與天線科技,April,2011,檢自台大電機系科普系列 (https://www.ee.ntu.edu.tw/hischool/doc/2011.04.pdf)
[4] H. E. King and J. L. Wong , “Characteristics of 1 to 8 wavelength uniform helical antennas ,” IEEE Trans , Antennas Propagat , vol. AP-28 , pp.291-296 , March 1980.
[5] K. F. Lee and P. F. Wong , “Technical momorandum. Directivities of helical antennas radiating in the axial mode ,” IEE Proceedings H - Microwaves, Optics and Antennas ,Volume: 131 , Issue: 2 , 1984.
[6] H. Mimaki and H. Nakano, “A small-pitch helical antenna radiating a circularly polarized conical beam ,”Communications Society Conference of IEICE , Nagoya , Japan , Sept,2000
67
[7] 陳德瑋, “434MHz 之小型化螺旋天線結構優化設計,” 景文科技大學 , 電磁相 容及射頻電路設計產業碩士專班碩士學位論文 , 2012.
[8] Thomas Forrister ,分析螺旋天線的兩種工作模式,May,2018,檢自 COMSOL 博 客(https://cn.comsol.com/blogs/analyzing-operating-mode-options-for-helical-antennas/)
[9] 天線第三版，上冊（美）克勞斯（Kraus,J.Ｄ）,(美)馬赫夫克
(MarhefkaR.J)著;張文勛譯
[10] J. D. Kraus , “Antennas (second edition) ,” chapter 7, McGraw-Hill , 1988.
[11] H. Nakano , “The integral equations for a system composed of many 0arbitrarily bent 0wires ,”Trans . IEICE Japan , pp.303-309 , 1982.
[12] D.J. Angelakos and D. Kajfez , “Modifications on the axial-mode helical antenna ,”Proceedings of the IEEE ,Volume: 55 , Issue: 4 , 1967.
[13] J. S. Chatterjee, “Experimental investigation on a method of lowering the silhouette of conical log-helix antenna ,”Journal of Applied Physics vol:26 , p.331, 1955.
[14] L. B. Yang and K. lizuka , “Experimental investigation on a method of 0lowering the silhouette of conical log-helix antenna ,” IEEE Transactions on0Antennas and Propagation. Volume: 31 , Issue: 2 , 1983.
68
[15] 葉璟霈 , “共平面波導饋入式圓極化環形單極天線之研製,”國立中央大學碩士 學位論文 , 2010.