吳秉橫， 顧 昊， 馮紅全， 余 興

（上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

天線罩是航空器中廣泛采用的天線保護(hù)裝置，其引入會(huì)影響天線的方向圖等電磁特性，其中最主要的是其將會(huì)使天線的波束指向發(fā)生偏移，產(chǎn)生瞄準(zhǔn)誤差。由于天線罩仿真計(jì)算規(guī)模較大，計(jì)算機(jī)的硬件配置難以滿足要求，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)天線罩瞄準(zhǔn)線誤差的分析一直局限在光學(xué)范疇內(nèi)，計(jì)算精度難以保證，成為天線罩設(shè)計(jì)的重要瓶頸之一。隨著計(jì)算機(jī)的硬件配置不斷更新以及仿真軟件的普及，天線罩的電性能分析步入了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，借助電磁仿真軟件的天線罩電性能設(shè)計(jì)成為研究熱點(diǎn)之一。

目前，微波領(lǐng)域中幾種常用的仿真軟件主要有基于有限元算法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）的 ANSYS HFSS軟件［1］、基于時(shí)域有限積分方法（Finite Integration Method in Time Domain，F(xiàn)IMTD）的CST Microwave Studio和基于矩量法（Method of Moment，MOM）的FEKO軟件等［2－3］。在這些軟件中，F(xiàn)EKO 軟件以經(jīng)典的矩量法（MOM）為基礎(chǔ)，采用了多層快速多極子（MLFMM）算法在保持精度的前提下大大提高了計(jì)算效率［4］，在計(jì)算電大問(wèn)題時(shí)展現(xiàn)出獨(dú)有的速度優(yōu)勢(shì)［5－7］。除此之外，利用 FEKO 軟件可以首先計(jì)算得到天線的口徑場(chǎng)［8］，將此口徑場(chǎng)作為激勵(lì)代入天線罩模型進(jìn)行瞄準(zhǔn)線誤差的分析，在減小計(jì)算模型、加快計(jì)算速度的同時(shí)保證了天線輻射的一致性。

本文應(yīng)用FEKO軟件對(duì)天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差進(jìn)行了仿真分析，分別給出了天線罩的建模和仿真流程，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 天線罩瞄準(zhǔn)線誤差的概念及形成原理

1．1 天線罩瞄準(zhǔn)線誤差

天線罩引起的單脈沖天線的差波束零值位置的偏移量稱為瞄準(zhǔn)線誤差［9］。

天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差通常是用分來(lái)表示目標(biāo)視在方向和真實(shí)方向之間的角間隔，即在無(wú)限遠(yuǎn)處由天線－天線罩綜合體確定的目標(biāo)角位置與單獨(dú)由天線確定的目標(biāo)角位置之間的差值。因此，天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差一般是通過(guò)對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)差方向圖進(jìn)行處理后獲得。

天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差與天線罩的材料特性、結(jié)構(gòu)外形、罩內(nèi)天線類型、尺寸和相對(duì)位置、罩壁厚度等因素有關(guān)，并隨著天線掃描角的變化而變化。

1．2 天線罩瞄準(zhǔn)線誤差形成原理

電磁波穿過(guò)天線罩的罩壁會(huì)造成幅度和相位的變化，而對(duì)于不同的入射角和罩壁的法向厚度，幅度和相位的變化是不同的。由于天線罩引起的相位變化導(dǎo)致通過(guò)天線罩后電磁波的波前不再是距離天線口面等距離的平面，波前發(fā)生傾斜，波束指向發(fā)生偏移，形成瞄準(zhǔn)線誤差。

圖1 天線罩瞄準(zhǔn)線誤差的形成原理

圖1為天線罩瞄準(zhǔn)線誤差的形成原理圖。從圖中可以看出，當(dāng)從天線口面發(fā)出的平面波穿過(guò)天線罩時(shí)，天線罩的介電常數(shù)高于空氣，會(huì)導(dǎo)致電磁波產(chǎn)生相位延遲，即插入相位延遲。而插入相位延遲量與入射角、電磁波入射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的法向壁厚以及天線罩的材料有關(guān)。

由于天線口面垂直發(fā)出的電磁波在天線罩壁對(duì)應(yīng)的入射角不同，也就造成了不同的插入相位延遲，進(jìn)而導(dǎo)致原來(lái)的波前不在平行于天線口面，波前發(fā)生傾斜，垂直于波前的天線波束指向同樣發(fā)生偏移，形成指向誤差。

對(duì)于天線罩的電性能設(shè)計(jì)，往往通過(guò)改變天線罩不同位置的厚度以彌補(bǔ)插入相位的不同，降低天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差。

2 電磁仿真模型的建立

2．1 天線口徑場(chǎng)計(jì)算

在分析天線罩對(duì)天線輻射方向圖的影響時(shí)，需要將天線的口徑場(chǎng)分布作為激勵(lì)進(jìn)行計(jì)算，因此需要首先獲得天線的口徑場(chǎng)分布?？紤]到分析天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差需要獲得天線在不同轉(zhuǎn)角情況下的天線罩對(duì)其的影響情況，因此在計(jì)算天線口徑場(chǎng)時(shí)選擇計(jì)算天線的球面近場(chǎng)分布，即計(jì)算一個(gè)完全包圍天線模型的球面上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。圖2所示為天線口徑場(chǎng)的計(jì)算模型，圖中所示的球面即為求解天線近場(chǎng)分布的區(qū)域。

2．2 三維幾何模型建立和導(dǎo)入

圖2 天線口徑場(chǎng)的計(jì)算模型

為了實(shí)現(xiàn)天線罩的電氣性能分析，在確定了天線罩的法向壁厚之后，需要對(duì)天線罩進(jìn)行建模。根據(jù)總體給出的外形母線方程以及法向壁厚，借助MATLAB軟件，計(jì)算出天線罩的內(nèi)形曲線坐標(biāo)。為了精確地構(gòu)造天線罩模型，借助Solidedge結(jié)構(gòu)軟件，選擇“按表創(chuàng)建曲線”，將存在Excel表格中的外形線和內(nèi)形線坐標(biāo)導(dǎo)入，根據(jù)樣條函數(shù)擬合曲線，構(gòu)造天線罩罩體，罩體的結(jié)構(gòu)如圖3所示。將該模型導(dǎo)出為sat格式文件，便可導(dǎo)入電磁仿真軟件，分析天線罩對(duì)天線輻射方向圖的影響。

圖3 天線罩的罩體結(jié)構(gòu)

2．3 瞄準(zhǔn)線誤差仿真模型

應(yīng)用FEKO進(jìn)行天線罩仿真，首先將在Solidedge中建立的天線罩sat格式文件導(dǎo)入到FEKO軟件中，同時(shí)導(dǎo)入天線口徑場(chǎng)分布作為激勵(lì)，并且確定模型中各個(gè)部分的材料以及介電常數(shù)。

為了分析遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，在確定了天線和天線罩的具體位置之后，還需對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的求解間隔進(jìn)行設(shè)置。由于天線罩造成的天線波束偏移一般在幾分左右，因此為了精確定位該偏移，需要在天線的波束指向附近很小的角度內(nèi)劃分足夠多的計(jì)算點(diǎn)，一般選擇求解間隔為0．001°。如圖4為遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的求解設(shè)置。

圖4 遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的求解設(shè)置

由于分析天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差需要分析天線在不同轉(zhuǎn)角情況下天線罩所造成的波束偏移情況，因此需要對(duì)天線的口徑激勵(lì)按照仿真的要求進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在CADFEKO中，可以通過(guò)將口徑激勵(lì)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)這一功能，如圖5所示為天線口徑激勵(lì)的旋轉(zhuǎn)示意圖。除此之外，為了實(shí)現(xiàn)天線多種轉(zhuǎn)角情況下天線方向圖的自動(dòng)仿真，借助EDITFEKO中的參數(shù)選項(xiàng)卡可以將天線的轉(zhuǎn)角設(shè)為參量，通過(guò)設(shè)置這一參量的參數(shù)掃描仿真便可實(shí)現(xiàn)天線罩瞄準(zhǔn)線誤差的自動(dòng)仿真。將不同天線轉(zhuǎn)角情況下的天線方向圖的波束指向位置提取出來(lái)，進(jìn)行處理后便可得到天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差。

圖5 天線口徑激勵(lì)的旋轉(zhuǎn)

3 應(yīng)用案例分析

對(duì)于單脈沖天線而言，瞄準(zhǔn)線誤差是通過(guò)衡量在天線罩影響下天線差方向圖零深位置的偏移來(lái)計(jì)算的，如圖6所示為單脈沖天線的歸一化差方向圖。在計(jì)算天線罩瞄準(zhǔn)線誤差時(shí)，首先需要對(duì)未加天線罩情況下天線口徑激勵(lì)產(chǎn)生的差方向圖進(jìn)行仿真，獲得此時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)差方向圖零深位置，然后計(jì)算帶罩情況下天線口徑激勵(lì)旋轉(zhuǎn)不同角度情況下的零深位置，得出該轉(zhuǎn)角情況下的瞄準(zhǔn)線誤差，將該數(shù)值與技術(shù)指標(biāo)做除法，得到歸一化瞄準(zhǔn)線誤差。將不同天線口徑激勵(lì)轉(zhuǎn)角情況下的歸一化瞄準(zhǔn)線誤差以天線轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)、瞄準(zhǔn)線誤差為縱坐標(biāo)繪制在一張圖中，得到天線罩的歸一化瞄準(zhǔn)線誤差曲線，如圖7所示。

圖6 單脈沖天線的歸一化差方向圖

圖7 天線罩的歸一化瞄準(zhǔn)線誤差曲線

將采用此方法計(jì)算的天線罩瞄準(zhǔn)線誤差曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，如圖8所示的歸一化瞄準(zhǔn)線誤差測(cè)試與仿真結(jié)果。從圖中可以看出采用FEKO軟件計(jì)算的天線罩瞄準(zhǔn)線誤差與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，具有較高的精度。

4 結(jié)論

本文以FEKO軟件的口徑激勵(lì)技術(shù)和多層快速多極子算法為基礎(chǔ)，對(duì)天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明采用該方法分析天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差結(jié)果真實(shí)可靠，可以有效提高天線罩電性能設(shè)計(jì)的精度。

圖8 天線罩歸一化瞄準(zhǔn)線誤差測(cè)試和仿真結(jié)果

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