HFSS結(jié)合UTD計(jì)算機(jī)載天線方向圖

　　1 引言

　　機(jī)載相控陣天線方向圖的預(yù)測(cè)是電磁計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)帶有挑戰(zhàn)性的課題。由于機(jī)載平臺(tái)在很多工作頻段是電大尺寸的平臺(tái)，并且考慮到相控陣天線單元眾多，因此無法直接用商業(yè)軟件仿真模擬天線的受擾方向圖。而且，限于計(jì)算資源，單純采用有限元法(FEM)、矩量法(MOM)、時(shí)域有限差分法(FDTD)等數(shù)值計(jì)算方法難以實(shí)現(xiàn)。因此，比較務(wù)實(shí)的研究線路是以一致性幾何繞射理論(UTD)為主，計(jì)算機(jī)載平臺(tái)對(duì)天線方向圖畸變的影響。

　　本文結(jié)合實(shí)際工程，采用ANSOFT HFSS對(duì)天線單元進(jìn)行仿真，然后按照天線陣列理論，采用方向圖乘積定理計(jì)算出天線陣列的未受擾方向圖。將此未受擾方向圖的矢量場(chǎng)分布取代天線陣列，作為“源”代入U(xiǎn)TD算法，分析計(jì)算了載機(jī)對(duì)相控陣天線方向圖的影響，為機(jī)載天線位置優(yōu)化配置以及電磁兼容預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

　　2 計(jì)算模型和計(jì)算公式

　　UTD的繞射系數(shù)是通過平面波在理想導(dǎo)電劈上的繞射和在理想導(dǎo)電圓柱上的繞射兩個(gè)典型問題的解推廣得到的。在利用UTD分析機(jī)載天線輻射方向特性時(shí)，首先應(yīng)將載機(jī)進(jìn)行分解，分解成許多能利用UTD求解的典型部件的組合，如圖1所示。

　　圖1 某飛機(jī)模型

　　模型由平板、圓柱和圓錐組合而成。由于UTD計(jì)算的目標(biāo)要求是電大目標(biāo)，因此一些細(xì)節(jié)部分做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化?？紤]到天線的安裝位置在飛機(jī)頂部，以及高頻算法的局部性原理，這樣的簡(jiǎn)化在工程實(shí)踐中是可以接受的。因此，計(jì)算飛機(jī)體對(duì)天線輻射方向圖的影響就歸結(jié)為計(jì)算下列場(chǎng)分量：1)直射場(chǎng);2)反射場(chǎng);3)曲面繞射場(chǎng);4)邊緣繞射場(chǎng);5)二次及二次以上繞射場(chǎng)。其總散射場(chǎng)為各部分散射場(chǎng)之和：

(1)

　　其中，

為各類射線場(chǎng)(如直射、反射、繞射、高次繞射等)，

為飛機(jī)組件的總個(gè)數(shù)，

為該射線的遮擋因子(

=1，無遮擋;

=0，有遮擋)。

　　在利用UTD方法進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，往往需要入射場(chǎng)。對(duì)于形式簡(jiǎn)單的天線，比如單極子天線，反射點(diǎn)或者繞射點(diǎn)處入射場(chǎng)的求解是比較簡(jiǎn)單的。然而對(duì)于相控陣天線這樣的復(fù)雜天線，要準(zhǔn)確計(jì)算反射點(diǎn)或者繞射點(diǎn)處的入射場(chǎng)就變成一件非常困難的事情。為了解決這個(gè)問題，先對(duì)相控陣天線利用ANSOFT HFSS進(jìn)行分析，得出天線的近區(qū)矢量場(chǎng)分量，以此作為起點(diǎn)，用UTD程序計(jì)算該近區(qū)場(chǎng)在通過機(jī)身的遮擋、反射、繞射以后的遠(yuǎn)區(qū)效應(yīng)。因此矢量場(chǎng)就成為UTD方法與HFSS的一個(gè)接口。

　　3 相控陣天線未受擾方向圖的估算

　　由于相控陣天線單元眾多，因此無法對(duì)整個(gè)天線陣列采用HFSS進(jìn)行仿真。然而，天線陣列的未受擾近區(qū)矢量場(chǎng)分布又是下一步計(jì)算所必需的，因此只能采用方向圖乘積定理進(jìn)行估算，將每一個(gè)單元的矢量場(chǎng)乘以陣因子，計(jì)算出整體天線陣列的矢量場(chǎng)分布。

　　本文研究的機(jī)載相控陣天線為80×8的平面陣列，天線工作頻率3.0GHz。天線單元如圖2所示，采用HFSS計(jì)算出的單元因子立體方向圖如圖3所示。

　　圖2 天線單元

　　圖3 天線單元方向圖

　　根據(jù)方向圖乘積定理，將單元因子與陣因子相乘得到陣列天線的立體方向圖，其中和波束方向圖如圖4所示，差波束方向圖如圖5所示。此時(shí)的方向圖都是未受擾方向圖，也就是飛機(jī)不存在時(shí)的立體方向圖。

　　(a)yoz面

　　(b)xoz面

　　圖4 未受擾陣列天線和波束立體方向圖[!--empirenews.page--]

　　(a)yoz面

　　(b)xoz面

　　圖5 未受擾陣列天線差波束立體方向圖

　　4 計(jì)算結(jié)果

　　將HFSS計(jì)算得出的天線近區(qū)矢量場(chǎng)分量作為起點(diǎn)，用UTD程序計(jì)算該近區(qū)場(chǎng)在通過機(jī)身的遮擋、反射、繞射以后的遠(yuǎn)區(qū)效應(yīng)。

　　此時(shí)，只要尋出平板、圓柱和圓錐間的反射、繞射射線，就可以計(jì)算出天線經(jīng)過飛機(jī)機(jī)身的反射、繞射后的方向圖。然而，由于遮擋等其他因素，有些區(qū)域在經(jīng)過以上幾個(gè)模塊的計(jì)算以后仍然沒有場(chǎng)值，此時(shí)應(yīng)該再加入像平板-圓柱、圓柱-平板以及圓柱-圓柱等二階的反射、繞射以及直射場(chǎng)。經(jīng)過這樣一些運(yùn)算，就會(huì)得到經(jīng)過整架飛機(jī)的反射、繞射、遮擋以后的場(chǎng)值，最終得到天線安裝在飛機(jī)上時(shí)的受擾方向圖。立體方向圖如圖6所示。

　　(a) 和波束

　　(b) 差波束

　　圖6 受擾后陣列天線立體方向圖

　　圖7～9為二維方向圖，圖中直線是陣列天線未受擾的方向圖，點(diǎn)劃線是受擾后的方向圖。圖7是和波束俯仰面方向圖，相控陣天線位于飛機(jī)機(jī)身上方，由于機(jī)身的遮擋，在機(jī)身下方的場(chǎng)值明顯變小。而由于天線安裝位置，載機(jī)平臺(tái)對(duì)天線方位面方向圖的影響較小，如圖8所示。圖9是差波束方位面方向圖，零深達(dá)到了40dB，仍然能夠正常工作。

　　圖7 和波束俯仰面方向圖

　　圖8 和波束方位面方向圖

　　圖9 差波束方位面方向圖

　　5 結(jié)論

　　在分析像相控陣天線這樣比較復(fù)雜的天線的過程中，用ANSOFT HFSS軟件是比較方便的。然而由于有限元方法計(jì)算的局限性，ANSOFT HFSS又無法完全將機(jī)載天線與整架飛機(jī)在一起仿真計(jì)算其方向圖。對(duì)于計(jì)算飛機(jī)這樣的電大尺寸的問題，UTD方法概念清晰，簡(jiǎn)單易算，是一種比較好的選擇，因此，可以將兩種方法結(jié)合使用，以計(jì)算機(jī)載相控陣天線的方向圖。從上面的例子可以看出，計(jì)算結(jié)果比較令人滿意，同時(shí)也證明了該方法的有效性，為工程應(yīng)用提供了極有價(jià)值的參考依據(jù)。