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: