Spiral antenna design with MATLAB

Abstract

This paper presents a quantitative analysis of spiral antennas based on designs and simulations performed in the MATLAB software suite. First, a thorough review of previous scientific literature used as a conceptual basis for the realization of this work is presented. Based on this review, the parameters of interest to be analyzed with this type of antennas are discussed and visualized in other types of spiral antennas to justify the choice of this type of spiral. Subsequently, the simulation process used to analyze various equiangular spiral antennas in MATLAB is described in detail. The first simulation is performed by adjusting the antenna dimensions based on a previously fixed operating frequency range and keeping the rest of the characteristics at their default value, from which several plots of relevant parameters are obtained, to be then analyzed. Subsequently, the effect of varying the number of turns of the equiangular spiral on the performance of the antenna in its operating frequency band is analyzed. Once the influence of this parameter has been verified, an optimization of the number of turns that maximizes the gain in the center of the operating frequency band is performed. Finally, the effects on the antenna radiation are evaluated by including an infinite reflector plane before it, generating an increase in the gain and a unidirectional radiation, but sacrificing stability in some of its parameters.

Este documento presenta un análisis cuantitativo de las antenas de espiral a partir de diseños y simulaciones realizadas en la suite informática MATLAB. En primer lugar, se presenta una revisión profunda de bibliografía científica previa utilizada como base conceptual para la realización de este trabajo. En base a esta, se discuten los parámetros de interés que se desean analizar con este tipo de antenas y se visualizan en otro tipo de antenas de espiral para justificar la elección de este tipo de espiral en particular. Posteriormente, se describe en detalle el proceso de simulación empleado para analizar diversas antenas de espiral equiangular en MATLAB. La primera simulación es realizada ajustando las dimensiones de la antena en base a un rango de frecuencias de operación previamente fijado y manteniendo el resto de las características en su valor por defecto, a partir de lo que se obtienen diversas gráficas de parámetros relevantes, para ser seguidamente analizados. Posteriormente, se analiza el efecto en el comportamiento de la antena en su banda frecuencial de operación al variar el número de vueltas que posee la espiral equiangular. Una vez comprobado la influencia de este parámetro, se realiza una optimización en el número de vueltas que maximiza la ganancia en el centro de la banda de frecuencias de operación. Finalmente, se evalúan los efectos en la radiación de la antena al incluir un plano reflector infinito anterior a esta, generando un incremento en la ganancia y una radiación unidireccional, pero sacrificando estabilidad en sus parámetros.

Aquest article presenta una anàlisi quantitativa d'antenes espirals basada en dissenys i simulacions realitzades a la suite de programari MATLAB. En primer lloc, es presenta una revisió exhaustiva de la literatura científica anterior utilitzada com a base conceptual per a la realització d'aquest treball. A partir d'aquesta revisió, es comenten i visualitzen els paràmetres d'interès a analitzar amb aquest tipus d'antenes en altres tipus d'antenes espirals per justificar l'elecció d'aquest tipus d'espirals. Posteriorment, es descriu amb detall el procés de simulació utilitzat per analitzar diverses antenes espirals equiangulars a MATLAB. La primera simulació es realitza ajustant les dimensions de l'antena en funció d'un rang de freqüències de funcionament prèviament fixat i mantenint la resta de característiques en el seu valor per defecte, a partir del qual s'obtenen diversos gràfics de paràmetres rellevants, per després analitzar-los. Posteriorment, s'analitza l'efecte de variar el nombre de voltes de l'espiral equiangular sobre el rendiment de l'antena en la seva banda de freqüències de funcionament. Un cop verificada la influència d'aquest paràmetre, es realitza una optimització del nombre de voltes que maximitza el guany al centre de la banda de freqüències de funcionament. Finalment, s'avaluen els efectes sobre la radiació de l'antena incloent un pla reflector infinit davant d'ella, generant un augment del guany i una radiació unidireccional, però sacrificant l'estabilitat en alguns dels seus paràmetres.