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)
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。
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。
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。
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。
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)
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)
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。
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
[1] M.V.K.Chari,P.P.Silvester(著),史乃,唐任遠(yuǎn)等(譯).電磁場(chǎng)問(wèn)題的有限元解法[M].北京:科學(xué)出版社,1985.
[2] T.Weiland.A Discretization Method for the Solution of Maxwell's Equations for Six-component Fields[J].Electronics and Communication AEU,1977,31(7):116-120.
[3] R.F.哈林登(著),王爾杰等(譯).計(jì)算電磁場(chǎng)的矩量法[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1981.
[4] 胡俊,聶在平,王軍,等.三維電大目標(biāo)散射求解的多層快速多極子方法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2004,5(1):18-20.
[5] 肖運(yùn)輝.FEKO在汽車電磁問(wèn)題仿真中的應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,24(12):102-105.
[6] 孟雪松,陳愛新,王亞洲,等.利用FEKO仿真分析復(fù)雜載體對(duì)線天線陣輻射特性的影響[J].中國(guó)制造業(yè)信息化,2008,(12):60-62.
[7] 肖運(yùn)輝,李奕.FEKO在航空航天天線仿真中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真技術(shù),2008,4(3):203-207.
[8] 李鵬,鄭飛,季祥.大型寬帶反射面天線的機(jī)電耦合分析[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,36(3):473-479.
[9] 張謨杰.主被動(dòng)復(fù)合天線罩瞄準(zhǔn)線誤差分析[J].制導(dǎo)與引信,2003,24(3):33-37.