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： 10cm*10cm*30cm；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        = 2*pi*(n-1)/Steps;

       x            = D/2*cos(angle);

       y            = D/2*sin(angle);

       zM           =n*L/(Steps*N)-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+N*S2(end)-N*S2(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,-2*N*S2(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: