基于FEKO的天线罩瞄准线误差分析

吴秉横， 顾 昊， 冯红全， 余 兴

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

天线罩是航空器中广泛采用的天线保护装置，其引入会影响天线的方向图等电磁特性，其中最主要的是其将会使天线的波束指向发生偏移，产生瞄准误差。由于天线罩仿真计算规模较大，计算机的硬件配置难以满足要求，长期以来对天线罩瞄准线误差的分析一直局限在光学范畴内，计算精度难以保证，成为天线罩设计的重要瓶颈之一。随着计算机的硬件配置不断更新以及仿真软件的普及，天线罩的电性能分析步入了一个崭新的领域，借助电磁仿真软件的天线罩电性能设计成为研究热点之一。

目前，微波领域中几种常用的仿真软件主要有基于有限元算法（Finite Element Method，FEM）的 ANSYS HFSS软件［1］、基于时域有限积分方法（Finite Integration Method in Time Domain，FIMTD）的CST Microwave Studio和基于矩量法（Method of Moment，MOM）的FEKO软件等［2－3］。在这些软件中，FEKO 软件以经典的矩量法（MOM）为基础，采用了多层快速多极子（MLFMM）算法在保持精度的前提下大大提高了计算效率［4］，在计算电大问题时展现出独有的速度优势［5－7］。除此之外，利用 FEKO 软件可以首先计算得到天线的口径场［8］，将此口径场作为激励代入天线罩模型进行瞄准线误差的分析，在减小计算模型、加快计算速度的同时保证了天线辐射的一致性。

本文应用FEKO软件对天线罩的瞄准线误差进行了仿真分析，分别给出了天线罩的建模和仿真流程，并与实测结果进行了对比分析。

1 天线罩瞄准线误差的概念及形成原理

1．1 天线罩瞄准线误差

天线罩引起的单脉冲天线的差波束零值位置的偏移量称为瞄准线误差［9］。

天线罩的瞄准线误差通常是用分来表示目标视在方向和真实方向之间的角间隔，即在无限远处由天线－天线罩综合体确定的目标角位置与单独由天线确定的目标角位置之间的差值。因此，天线罩的瞄准线误差一般是通过对天线远场差方向图进行处理后获得。

天线罩的瞄准线误差与天线罩的材料特性、结构外形、罩内天线类型、尺寸和相对位置、罩壁厚度等因素有关，并随着天线扫描角的变化而变化。

1．2 天线罩瞄准线误差形成原理

电磁波穿过天线罩的罩壁会造成幅度和相位的变化，而对于不同的入射角和罩壁的法向厚度，幅度和相位的变化是不同的。由于天线罩引起的相位变化导致通过天线罩后电磁波的波前不再是距离天线口面等距离的平面，波前发生倾斜，波束指向发生偏移，形成瞄准线误差。

图1 天线罩瞄准线误差的形成原理

图1为天线罩瞄准线误差的形成原理图。从图中可以看出，当从天线口面发出的平面波穿过天线罩时，天线罩的介电常数高于空气，会导致电磁波产生相位延迟，即插入相位延迟。而插入相位延迟量与入射角、电磁波入射点对应的法向壁厚以及天线罩的材料有关。

由于天线口面垂直发出的电磁波在天线罩壁对应的入射角不同，也就造成了不同的插入相位延迟，进而导致原来的波前不在平行于天线口面，波前发生倾斜，垂直于波前的天线波束指向同样发生偏移，形成指向误差。

对于天线罩的电性能设计，往往通过改变天线罩不同位置的厚度以弥补插入相位的不同，降低天线罩的瞄准线误差。

2 电磁仿真模型的建立

2．1 天线口径场计算

在分析天线罩对天线辐射方向图的影响时，需要将天线的口径场分布作为激励进行计算，因此需要首先获得天线的口径场分布。考虑到分析天线罩的瞄准线误差需要获得天线在不同转角情况下的天线罩对其的影响情况，因此在计算天线口径场时选择计算天线的球面近场分布，即计算一个完全包围天线模型的球面上的电场和磁场。图2所示为天线口径场的计算模型，图中所示的球面即为求解天线近场分布的区域。

2．2 三维几何模型建立和导入

图2 天线口径场的计算模型

为了实现天线罩的电气性能分析，在确定了天线罩的法向壁厚之后，需要对天线罩进行建模。根据总体给出的外形母线方程以及法向壁厚，借助MATLAB软件，计算出天线罩的内形曲线坐标。为了精确地构造天线罩模型，借助Solidedge结构软件，选择“按表创建曲线”，将存在Excel表格中的外形线和内形线坐标导入，根据样条函数拟合曲线，构造天线罩罩体，罩体的结构如图3所示。将该模型导出为sat格式文件，便可导入电磁仿真软件，分析天线罩对天线辐射方向图的影响。

图3 天线罩的罩体结构

2．3 瞄准线误差仿真模型

应用FEKO进行天线罩仿真，首先将在Solidedge中建立的天线罩sat格式文件导入到FEKO软件中，同时导入天线口径场分布作为激励，并且确定模型中各个部分的材料以及介电常数。

为了分析远场辐射特性，在确定了天线和天线罩的具体位置之后，还需对远场方向图的求解间隔进行设置。由于天线罩造成的天线波束偏移一般在几分左右，因此为了精确定位该偏移，需要在天线的波束指向附近很小的角度内划分足够多的计算点，一般选择求解间隔为0．001°。如图4为远场方向图的求解设置。

图4 远场方向图的求解设置

由于分析天线罩的瞄准线误差需要分析天线在不同转角情况下天线罩所造成的波束偏移情况，因此需要对天线的口径激励按照仿真的要求进行旋转，在CADFEKO中，可以通过将口径激励旋转实现这一功能，如图5所示为天线口径激励的旋转示意图。除此之外，为了实现天线多种转角情况下天线方向图的自动仿真，借助EDITFEKO中的参数选项卡可以将天线的转角设为参量，通过设置这一参量的参数扫描仿真便可实现天线罩瞄准线误差的自动仿真。将不同天线转角情况下的天线方向图的波束指向位置提取出来，进行处理后便可得到天线罩的瞄准线误差。

图5 天线口径激励的旋转

3 应用案例分析

对于单脉冲天线而言，瞄准线误差是通过衡量在天线罩影响下天线差方向图零深位置的偏移来计算的，如图6所示为单脉冲天线的归一化差方向图。在计算天线罩瞄准线误差时，首先需要对未加天线罩情况下天线口径激励产生的差方向图进行仿真，获得此时远场差方向图零深位置，然后计算带罩情况下天线口径激励旋转不同角度情况下的零深位置，得出该转角情况下的瞄准线误差，将该数值与技术指标做除法，得到归一化瞄准线误差。将不同天线口径激励转角情况下的归一化瞄准线误差以天线转角为横坐标、瞄准线误差为纵坐标绘制在一张图中，得到天线罩的归一化瞄准线误差曲线，如图7所示。

图6 单脉冲天线的归一化差方向图

图7 天线罩的归一化瞄准线误差曲线

将采用此方法计算的天线罩瞄准线误差曲线与实测结果对比，如图8所示的归一化瞄准线误差测试与仿真结果。从图中可以看出采用FEKO软件计算的天线罩瞄准线误差与实测结果吻合较好，具有较高的精度。

4 结论

本文以FEKO软件的口径激励技术和多层快速多极子算法为基础，对天线罩的瞄准线误差进行了仿真分析。仿真结果与实测结果吻合较好，说明采用该方法分析天线罩的瞄准线误差结果真实可靠，可以有效提高天线罩电性能设计的精度。

图8 天线罩归一化瞄准线误差测试和仿真结果

［1］ M．V．K．Chari，P．P．Silvester（著），史乃，唐任远等（译）．电磁场问题的有限元解法［M］．北京：科学出版社，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），王尔杰等（译）．计算电磁场的矩量法［M］．北京：国防工业出版社，1981．

［4］ 胡俊，聂在平，王军，等．三维电大目标散射求解的多层快速多极子方法［J］．电波科学学报，2004，5（1）：18－20．

［5］ 肖运辉．FEKO在汽车电磁问题仿真中的应用［J］．重庆理工大学学报（自然科学版），2010，24（12）：102－105．

［6］ 孟雪松，陈爱新，王亚洲，等．利用FEKO仿真分析复杂载体对线天线阵辐射特性的影响［J］．中国制造业信息化，2008，（12）：60－62．

［7］ 肖运辉，李奕．FEKO在航空航天天线仿真中的应用［J］．系统仿真技术，2008，4（3）：203－207．

［8］ 李鹏，郑飞，季祥．大型宽带反射面天线的机电耦合分析［J］．西安电子科技大学学报（自然科学版），2009，36（3）：473－479．

［9］ 张谟杰．主被动复合天线罩瞄准线误差分析［J］．制导与引信，2003，24（3）：33－37．