1 引言
机载天线罩(Radome)的作用是保护天线系统免受外界恶劣环境,如风沙、雨雪、冰雹、盐雾、尘土、昆虫及低温和高温天气的损害和气动载荷的直接影响,参与结构传力与承载,保证天线能“全天候一全天时”工作,增加天线系统的可靠性和使用寿命,同时为天线提供电磁窗口,满足电性能要求。对天线罩电性能的研究主要集中在其外形和工作频率(频带)条件下功率传输效率、主瓣宽度变化、波束偏转、零深电平抬高、功率反射等电性能项目,随着航空电子技术的发展,天线系统对天线罩电性能指标提出了更高的要求,这就需要在设计阶段进行更有效地仿真和优化。
文中采用FEKO软件对某天线罩进行了功率传输效率、副瓣电平抬高、波束偏转及零深电平抬高、功率反射等电性能项目的仿真与计算,描述了计算过程和方法。
2 天线罩电性能仿真工具与方法
机载电子战天线罩通常具有复杂曲面外形,并且由于天线的结构形式、罩壁类型和电性能项目种类较多,利用现有的计算机资源,对天线罩电性能的仿真计算是天线罩电性能设计工作重要方面之一。如何对天线罩电性能进行快速准确仿真计算是现阶段天线罩电性能设计中经常遇到的问题,其核心就是工具、方法。EMSS公司的FEKO软件在计算电大尺寸目标上具有一定的优势。FEKO是基于严格的积分方程方法,用户无需对传播空间进行网格划分,FEKO软件可以输入高级CAD软件(如CATIA、Pro/E等)创建的几何模型,再自动剖分网格,满足工程需要。
对于电大尺寸复杂曲面问题的分析,采用全波方法对几何结构进行网格划分时,将会产生巨大的未知量数目,导致现有计算机资源无法进行求解。在天线罩电性能仿真计算中采用多层快速多极子法(MLFMM)可在保持精度的前提下大大提高计算效率。假定N为未知量的数目,采用矩量法所需的内存规模正比于N*N,CPU运行时间正比于N*N*N;而多层快速多极子法内存需求量是正比于N*log(N),CPU运行时间是正比于N*log(N)*log(N)。可知,多层快速多极子法具有矩量法的精度,同时又有少得多的内存需求量,很适合于处理电大尺寸问题。
利用FEKO软件仿真并计算天线罩的电性能,通常按照以下几步进行:(1)几何建模和网格剖分:将天线罩CAD模型导入到FEKO中,按照MLFMM算法的需要进行网格划分,通常采用1/8波长的单元边长在FEKO前处理器中生成网格。同时,在CADFEKO中直接建立天线模型。针对阵列天线,也可对激励源进行相应幅度相位加权处理,构成天线口径。(2)求解参数设置:设置远场求解条件、端口激励源和端口阻抗,对于相控阵天线,设置波束扫描角度并且同时计算和差方向图。(3)求解计算和后处理。分别计算天线及天线带罩时远场功率方向图,和天线带罩前后的电压驻波比变化。通过对比以上天线带罩前后的方向图和驻波变化得到天线罩电性能项目结果。
3 天线罩电性能仿真实例
3.1天线罩几何建模和网格剖分
天线模型在CADFEKO中创建,模型如图1所示。将天线罩CAD模型导入到FEKO软件中,其中,该天线罩为含加强肋的异形介质天线罩,天线及天线罩模型如图2所示。
图1 天线模型
图2 天线与天线罩CAD模型
建立天线罩结构所需材料体系后,在FEKO软件中对天线罩各结构设立材料,根据MLFMM算法的需要,采用1/8波长的单元边长进行网格剖分,在FEKO前处理器中生成网格,生成的网格如图3所示。
图3 FEKO中生成的天线罩网格
在已经生成的网格上,进一步进行网格加密处理,使得计算结果精度更高,对于该天线罩,其尖部的网格需要划分的更致密一些。由于该天线罩内部具有介质加强肋结构,故而还需对加强肋进行局部网格剖分处理,以减少计算量和增加计算精度。
3.2求解设置
天线是4单元偶极子阵列天线,如图1所示。天线端口的馈电方式采用Edge Port馈电方式,Edge Port属于集总端口,在天线端口上可以直接馈电,对于阵列天线,在设置天线波束合成、天线波束扫描和求解和差方向图时,可以通过对天线端口的进行相位和幅度加权实现上述功能。
求解的方法选择MLFMM算法,其它设置采用缺省值,分别求解天线及天线带罩的远场功率方向图和天线带罩前后端口电压驻波比变化,以计算天线罩的各项电性能项目。
3.3求解计算和后处理
求解设置完后,对预仿真的天线及天线罩模型进行预处理,同时可看到处理的网格总数,该天线罩共生成42,000余网格,采用MLFMM算法可以较快完成对该罩的仿真计算。计算完成后,在FEKO软件后处理器中可得到天线带罩前后远场功率方向图和端口电压驻波比变化。
4 天线罩电性能项目仿真结果
4.1天线及天线带罩的方向图仿真
改变四单元相控阵天线端口相位,分别计算在固定波束下天线的远场和差功率方向图,如图4所示:
图4 四单元线阵天线和差方向图
其中,由图4可知,方向图角180°为天线阵列的主瓣方向,在POSTFEKO中也可得到天线阵列的四个端口电压驻波比分别是1.93、1.85、1.47和1.36。利用FEKO软件对天线带罩后的结构进行仿真计算,可以得到天线带罩后天线远场和差功率方向图。其中天线带罩后四个端口的电压驻波比分别是2.25、2.13、1.74和1.48。
通过对比天线和天线带罩的远场和差方向图和各端口电压驻波比变化,就可以得到天线罩的一系列电性能指标项目,其中天线罩的功率传输效率可以通过对比天线带罩前后的和方向图,得到天线罩的插入损耗再经过计算得到,功率反射可以由天线带罩前后的电压驻波比变化计算得到,等等。
将天线及天线带罩远场H面和差方向图经过归一化处理后,得到的曲线如图5所示。
图5 归一化天线及天线带罩和差方向图
4.2天线罩电性能项目的指标提取
在图5(a)中可得到天线罩的插入损耗为0.19dB,其功率传输系数为95.7%。图5中也可以得到副瓣电平抬高、波束偏转、零深电平抬高和主瓣波束宽度变化等电性能项目的计算结果。功率反射可由各端口的电压驻波比变化来确定,其中天线罩的功率反射可由以下公式确立:
公式 天线罩的功率反射
其中,r-天线罩功率反射,%;
S'11-天线带罩后的天线端口回波损耗,无量纲;
S11-天线端口回波损耗,无量纲;
VSWR-电压驻波比,无量纲。
由式1和式2可得,天线带罩后各端口的功率反射分别为5.25%、4.54%、3.81%和1.45%。通过简单的计算,可以得到,对于该4单元线阵,天线罩的功率反射为3.76%。
5 结论
在天线罩的电性能设计中,仿真优化具有重要作用。本文以某异形天线罩为例,介绍了基于FEKO软件进行天线罩电性能仿真与计算的过程,应用表明,该工具方法是高效实用的。
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本文标题:基于FEKO的异形天线罩电性能仿真