1 引言
機(jī)載天線罩(Radome)的作用是保護(hù)天線系統(tǒng)免受外界惡劣環(huán)境，如風(fēng)沙、雨雪、冰雹、鹽霧、塵土、昆蟲(chóng)及低溫和高溫天氣的損害和氣動(dòng)載荷的直接影響，參與結(jié)構(gòu)傳力與承載，保證天線能“全天候一全天時(shí)”工作，增加天線系統(tǒng)的可靠性和使用壽命，同時(shí)為天線提供電磁窗口，滿(mǎn)足電性能要求。對(duì)天線罩電性能的研究主要集中在其外形和工作頻率（頻帶）條件下功率傳輸效率、主瓣寬度變化、波束偏轉(zhuǎn)、零深電平抬高、功率反射等電性能項(xiàng)目，隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，天線系統(tǒng)對(duì)天線罩電性能指標(biāo)提出了更高的要求，這就需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行更有效地仿真和優(yōu)化。
文中采用FEKO軟件對(duì)某天線罩進(jìn)行了功率傳輸效率、副瓣電平抬高、波束偏轉(zhuǎn)及零深電平抬高、功率反射等電性能項(xiàng)目的仿真與計(jì)算，描述了計(jì)算過(guò)程和方法。
2 天線罩電性能仿真工具與方法
機(jī)載電子戰(zhàn)天線罩通常具有復(fù)雜曲面外形，并且由于天線的結(jié)構(gòu)形式、罩壁類(lèi)型和電性能項(xiàng)目種類(lèi)較多，利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)資源，對(duì)天線罩電性能的仿真計(jì)算是天線罩電性能設(shè)計(jì)工作重要方面之一。如何對(duì)天線罩電性能進(jìn)行快速準(zhǔn)確仿真計(jì)算是現(xiàn)階段天線罩電性能設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，其核心就是工具、方法。EMSS公司的FEKO軟件在計(jì)算電大尺寸目標(biāo)上具有一定的優(yōu)勢(shì)。FEKO是基于嚴(yán)格的積分方程方法，用戶(hù)無(wú)需對(duì)傳播空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，F(xiàn)EKO軟件可以輸入高級(jí)CAD軟件（如CATIA、Pro/E等）創(chuàng)建的幾何模型，再自動(dòng)剖分網(wǎng)格，滿(mǎn)足工程需要。
對(duì)于電大尺寸復(fù)雜曲面問(wèn)題的分析，采用全波方法對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生巨大的未知量數(shù)目，導(dǎo)致現(xiàn)有計(jì)算機(jī)資源無(wú)法進(jìn)行求解。在天線罩電性能仿真計(jì)算中采用多層快速多極子法(MLFMM)可在保持精度的前提下大大提高計(jì)算效率。假定N為未知量的數(shù)目，采用矩量法所需的內(nèi)存規(guī)模正比于N*N，CPU運(yùn)行時(shí)間正比于N*N*N；而多層快速多極子法內(nèi)存需求量是正比于N*log(N)，CPU運(yùn)行時(shí)間是正比于N*log(N)*log(N)�？芍鄬涌焖俣鄻O子法具有矩量法的精度，同時(shí)又有少得多的內(nèi)存需求量，很適合于處理電大尺寸問(wèn)題。
利用FEKO軟件仿真并計(jì)算天線罩的電性能，通常按照以下幾步進(jìn)行：(1)幾何建模和網(wǎng)格剖分：將天線罩CAD模型導(dǎo)入到FEKO中，按照MLFMM算法的需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通常采用1/8波長(zhǎng)的單元邊長(zhǎng)在FEKO前處理器中生成網(wǎng)格。同時(shí)，在CADFEKO中直接建立天線模型。針對(duì)陣列天線，也可對(duì)激勵(lì)源進(jìn)行相應(yīng)幅度相位加權(quán)處理，構(gòu)成天線口徑。(2)求解參數(shù)設(shè)置：設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)求解條件、端口激勵(lì)源和端口阻抗，對(duì)于相控陣天線，設(shè)置波束掃描角度并且同時(shí)計(jì)算和差方向圖。(3)求解計(jì)算和后處理。分別計(jì)算天線及天線帶罩時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)功率方向圖，和天線帶罩前后的電壓駐波比變化。通過(guò)對(duì)比以上天線帶罩前后的方向圖和駐波變化得到天線罩電性能項(xiàng)目結(jié)果。
3 天線罩電性能仿真實(shí)例
3.1天線罩幾何建模和網(wǎng)格剖分
天線模型在CADFEKO中創(chuàng)建，模型如圖1所示。將天線罩CAD模型導(dǎo)入到FEKO軟件中，其中，該天線罩為含加強(qiáng)肋的異形介質(zhì)天線罩，天線及天線罩模型如圖2所示。
圖1 天線模型
圖2 天線與天線罩CAD模型
建立天線罩結(jié)構(gòu)所需材料體系后，在FEKO軟件中對(duì)天線罩各結(jié)構(gòu)設(shè)立材料，根據(jù)MLFMM算法的需要，采用1/8波長(zhǎng)的單元邊長(zhǎng)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，在FEKO前處理器中生成網(wǎng)格，生成的網(wǎng)格如圖3所示。
圖3 FEKO中生成的天線罩網(wǎng)格
在已經(jīng)生成的網(wǎng)格上，進(jìn)一步進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，使得計(jì)算結(jié)果精度更高，對(duì)于該天線罩，其尖部的網(wǎng)格需要?jiǎng)澐值母旅芤恍�。由于該天線罩內(nèi)部具有介質(zhì)加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)，故而還需對(duì)加強(qiáng)肋進(jìn)行局部網(wǎng)格剖分處理，以減少計(jì)算量和增加計(jì)算精度。
3.2求解設(shè)置
天線是4單元偶極子陣列天線，如圖1所示。天線端口的饋電方式采用Edge Port饋電方式，Edge Port屬于集總端口，在天線端口上可以直接饋電，對(duì)于陣列天線，在設(shè)置天線波束合成、天線波束掃描和求解和差方向圖時(shí)，可以通過(guò)對(duì)天線端口的進(jìn)行相位和幅度加權(quán)實(shí)現(xiàn)上述功能。
求解的方法選擇MLFMM算法，其它設(shè)置采用缺省值，分別求解天線及天線帶罩的遠(yuǎn)場(chǎng)功率方向圖和天線帶罩前后端口電壓駐波比變化，以計(jì)算天線罩的各項(xiàng)電性能項(xiàng)目。
3.3求解計(jì)算和后處理
求解設(shè)置完后，對(duì)預(yù)仿真的天線及天線罩模型進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)可看到處理的網(wǎng)格總數(shù)，該天線罩共生成42，000余網(wǎng)格，采用MLFMM算法可以較快完成對(duì)該罩的仿真計(jì)算。計(jì)算完成后，在FEKO軟件后處理器中可得到天線帶罩前后遠(yuǎn)場(chǎng)功率方向圖和端口電壓駐波比變化。
4 天線罩電性能項(xiàng)目仿真結(jié)果
4.1天線及天線帶罩的方向圖仿真
改變四單元相控陣天線端口相位，分別計(jì)算在固定波束下天線的遠(yuǎn)場(chǎng)和差功率方向圖，如圖4所示：
圖4 四單元線陣天線和差方向圖
其中，由圖4可知，方向圖角180°為天線陣列的主瓣方向，在POSTFEKO中也可得到天線陣列的四個(gè)端口電壓駐波比分別是1.93、1.85、1.47和1.36。利用FEKO軟件對(duì)天線帶罩后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，可以得到天線帶罩后天線遠(yuǎn)場(chǎng)和差功率方向圖。其中天線帶罩后四個(gè)端口的電壓駐波比分別是2.25、2.13、1.74和1.48。
通過(guò)對(duì)比天線和天線帶罩的遠(yuǎn)場(chǎng)和差方向圖和各端口電壓駐波比變化，就可以得到天線罩的一系列電性能指標(biāo)項(xiàng)目，其中天線罩的功率傳輸效率可以通過(guò)對(duì)比天線帶罩前后的和方向圖，得到天線罩的插入損耗再經(jīng)過(guò)計(jì)算得到，功率反射可以由天線帶罩前后的電壓駐波比變化計(jì)算得到，等等。
將天線及天線帶罩遠(yuǎn)場(chǎng)H面和差方向圖經(jīng)過(guò)歸一化處理后，得到的曲線如圖5所示。
圖5 歸一化天線及天線帶罩和差方向圖
4.2天線罩電性能項(xiàng)目的指標(biāo)提取
在圖5(a)中可得到天線罩的插入損耗為0.19dB，其功率傳輸系數(shù)為95.7%。圖5中也可以得到副瓣電平抬高、波束偏轉(zhuǎn)、零深電平抬高和主瓣波束寬度變化等電性能項(xiàng)目的計(jì)算結(jié)果。功率反射可由各端口的電壓駐波比變化來(lái)確定，其中天線罩的功率反射可由以下公式確立：
公式 天線罩的功率反射
其中，r-天線罩功率反射，%；
S'11-天線帶罩后的天線端口回波損耗，無(wú)量綱；
S11-天線端口回波損耗，無(wú)量綱；
VSWR-電壓駐波比，無(wú)量綱。
由式1和式2可得，天線帶罩后各端口的功率反射分別為5.25%、4.54%、3.81%和1.45%。通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，可以得到，對(duì)于該4單元線陣，天線罩的功率反射為3.76%。
5 結(jié)論
在天線罩的電性能設(shè)計(jì)中，仿真優(yōu)化具有重要作用。本文以某異形天線罩為例，介紹了基于FEKO軟件進(jìn)行天線罩電性能仿真與計(jì)算的過(guò)程，應(yīng)用表明，該工具方法是高效實(shí)用的。
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本文標(biāo)題：基于FEKO的異形天線罩電性能仿真
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