螺旋卫星通信天线设计与有限元分析matlab仿真

1.课题概述

         卫星搭载用于通讯的螺旋型天线，卫星尺寸： 10cm10cm30cm；天线类型：螺旋；天线UHF（约1GHz – 3GHz）。

 

2.系统仿真结果

 

3.核心程序与模型

版本：MATLAB2022a

`S2    = [0.015:0.005:0.1];

SD    = [0.015:0.005:0.1,0.1*ones(1,10),0.1:-0.005:0.015];

times = length(SD);

for kk = 1:times

    kk   

    h     = 0.005;   

    D     = 0.2;

    N     = 10;    %螺旋数量  

    S     = SD(kk); %课题中S  

    C     = pi*D;

    Alpha = atan(S/(C));

    L     = N*S;     

 

    idx   = 1;

 

    Haxyz=[];

    for n=1:Steps*N

        angle        = 2pi(n-1)/Steps;

        x            = D/2*cos(angle);

        y            = D/2*sin(angle);

        zM           = nL/(StepsN)-L/2+h/2;

        X(idx:idx+1) = [x,x]';

        Y(idx:idx+1) = [y,y]';

        Z(idx:idx+1) = [zM,zM-h]';

        if n >= 2

           Haxyz=[Haxyz,[idx-2,idx-1,idx+1]',[idx-2,idx,idx+1]'];

        end

        idx=idx+2;

    end

    %Nodes

    %Z = Z-min(Z);

    Z = Z+NS2(end)-NS2(1)-max(Z);

    for jk=1:idx-1;

       Hap(1:3,jk) = [X(jk); Y(jk); Z(jk)];

    end

    Haxyz(4,:)=1;

    figure(1);

    HelixAntenna3D(Hap,Haxyz,h);

    axis equal

    axis([-D,D,-D,D,-2NS2(1),N*S2(end)]);

    title('FEM of Helix Antenna');

    pause(0.0001);

 

end

02_062m`  

4.系统原理简介

        螺旋天线是一种常见的圆极化天线，适用于卫星通信系统，因其具有轴比低、带宽较宽和结构紧凑的特点而备受青睐。典型的螺旋天线由一个或多圈等间距的金属螺旋线构成，其辐射特性主要取决于螺旋线的几何参数，如螺距、直径、线宽以及螺旋圈数等。

 

       单臂螺旋天线的设计可基于Balanis提出的经典模型，辐射场分布可用以下表达式描述：

 

       有限元法（Finite Element Method, FEM）常被用来对螺旋天线的电磁性能进行精确分析。该方法将天线的几何形状离散化为一系列小的有限元素，通过对每个元素内部的场分布进行局部求解，再借助边界条件和连续性条件拼接全局场解。

 

      考虑电磁场的麦克斯韦方程组，通过弱形式将其转化为有限元方程组：

 

 

        C通过选取合适的基函数和插值多项式，将场变量离散化后，可以形成一个线性代数方程组，通过求解这个方程组可以得到螺旋天线在工作频段内的S参数、增益、轴比等关键性能指标。

 

      天线的增益计算公式为:

 

螺旋天线的半功率波束宽度

 

 

输入阻抗为: