螺旋衛星通訊天線設計與有限元分析matlab模擬

可编程芯片开发發表於2024-10-19
Matlab

1.課題概述

衛星搭載用於通訊的螺旋型天線，衛星尺寸： 10cm*10cm*30cm；天線型別：螺旋；天線UHF（約1GHz – 3GHz）。

2.系統模擬結果

3.核心程式與模型

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;    %螺旋數量   
    S     = SD(kk); %課題中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.系統原理簡介

螺旋天線是一種常見的圓極化天線，適用於衛星通訊系統，因其具有軸比低、頻寬較寬和結構緊湊的特點而備受青睞。典型的螺旋天線由一個或多圈等間距的金屬螺旋線構成，其輻射特性主要取決於螺旋線的幾何引數，如螺距、直徑、線寬以及螺旋圈數等。

單臂螺旋天線的設計可基於Balanis提出的經典模型，輻射場分佈可用以下表示式描述：

有限元法（Finite Element Method, FEM）常被用來對螺旋天線的電磁效能進行精確分析。該方法將天線的幾何形狀離散化為一系列小的有限元素，透過對每個元素內部的場分佈進行區域性求解，再借助邊界條件和連續性條件拼接全域性場解。

考慮電磁場的麥克斯韋方程組，透過弱形式將其轉化為有限元方程組：

C透過選取合適的基函式和插值多項式，將場變數離散化後，可以形成一個線性代數方程組，透過求解這個方程組可以得到螺旋天線在工作頻段內的S引數、增益、軸比等關鍵效能指標。

天線的增益計算公式為:

螺旋天線的半功率波束寬度

輸入阻抗為:

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