基于FEKO的天線罩瞄準(zhǔn)線誤差分析

吳秉橫， 顧 昊， 馮紅全， 余 興

（上海無線電設(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裝置，其引入會影響天線的方向圖等電磁特性，其中最主要的是其將會使天線的波束指向發(fā)生偏移，產(chǎn)生瞄準(zhǔn)誤差。由于天線罩仿真計算規(guī)模較大，計算機的硬件配置難以滿足要求，長期以來對天線罩瞄準(zhǔn)線誤差的分析一直局限在光學(xué)范疇內(nèi)，計算精度難以保證，成為天線罩設(shè)計的重要瓶頸之一。隨著計算機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嶄新的領(lǐng)域，借助電磁仿真軟件的天線罩電性能設(shè)計成為研究熱點之一。

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算效率［4］，在計算電大問題時展現(xiàn)出獨有的速度優(yōu)勢［5－7］。除此之外，利用 FEKO 軟件可以首先計算得到天線的口徑場［8］，將此口徑場作為激勵代入天線罩模型進行瞄準(zhǔn)線誤差的分析，在減小計算模型、加快計算速度的同時保證了天線輻射的一致性。

本文應(yīng)用FEKO軟件對天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差進行了仿真分析，分別給出了天線罩的建模和仿真流程，并與實測結(jié)果進行了對比分析。

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表示目標(biāo)視在方向和真實方向之間的角間隔，即在無限遠處由天線－天線罩綜合體確定的目標(biāo)角位置與單獨由天線確定的目標(biāo)角位置之間的差值。因此，天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差一般是通過對天線遠場差方向圖進行處理后獲得。

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

電磁波穿過天線罩的罩壁會造成幅度和相位的變化，而對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)出的平面波穿過天線罩時，天線罩的介電常數(shù)高于空氣，會導(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、電磁波入射點對應(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應(yīng)的入射角不同，也就造成了不同的插入相位延遲，進而導(dǎo)致原來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。

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

2 電磁仿真模型的建立

2．1 天線口徑場計算

在分析天線罩對天線輻射方向圖的影響時，需要將天線的口徑場分布作為激勵進行計算，因此需要首先獲得天線的口徑場分布?？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其的影響情況，因此在計算天線口徑場時選擇計算天線的球面近場分布，即計算一個完全包圍天線模型的球面上的電場和磁場。圖2所示為天線口徑場的計算模型，圖中所示的球面即為求解天線近場分布的區(qū)域。

2．2 三維幾何模型建立和導(dǎo)入

圖2 天線口徑場的計算模型

為了實現(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，需要對天線罩進行建模。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，同時導(dǎo)入天線口徑場分布作為激勵，并且確定模型中各個部分的材料以及介電常數(shù)。

為了分析遠場輻射特性，在確定了天線和天線罩的具體位置之后，還需對遠場方向圖的求解間隔進行設(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)劃分足夠多的計算點，一般選擇求解間隔為0．001°。如圖4為遠場方向圖的求解設(shè)置。

圖4 遠場方向圖的求解設(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，因此需要對天線的口徑激勵按照仿真的要求進行旋轉(zhuǎn)，在CADFEKO中，可以通過將口徑激勵旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)這一功能，如圖5所示為天線口徑激勵的旋轉(zhuǎn)示意圖。除此之外，為了實現(xiàn)天線多種轉(zhuǎn)角情況下天線方向圖的自動仿真，借助EDITFEKO中的參數(shù)選項卡可以將天線的轉(zhuǎn)角設(shè)為參量，通過設(shè)置這一參量的參數(shù)掃描仿真便可實現(xiàn)天線罩瞄準(zhǔn)線誤差的自動仿真。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，進行處理后便可得到天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差。

圖5 天線口徑激勵的旋轉(zhuǎn)

3 應(yīng)用案例分析

對于單脈沖天線而言，瞄準(zhǔn)線誤差是通過衡量在天線罩影響下天線差方向圖零深位置的偏移來計算的，如圖6所示為單脈沖天線的歸一化差方向圖。在計算天線罩瞄準(zhǔn)線誤差時，首先需要對未加天線罩情況下天線口徑激勵產(chǎn)生的差方向圖進行仿真，獲得此時遠場差方向圖零深位置，然后計算帶罩情況下天線口徑激勵旋轉(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

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

4 結(jié)論

本文以FEKO軟件的口徑激勵技術(shù)和多層快速多極子算法為基礎(chǔ)，對天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差進行了仿真分析。仿真結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好，說明采用該方法分析天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差結(jié)果真實可靠，可以有效提高天線罩電性能設(shè)計的精度。

圖8 天線罩歸一化瞄準(zhǔn)線誤差測試和仿真結(jié)果

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