1 引言

    隨著武器裝備的發(fā)展，對(duì)天線罩的電性能設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求，傳統(tǒng)的幾何光學(xué)、物理光學(xué)等近似算法由于精度偏低、誤差偏大等缺點(diǎn)，已難以滿足天線罩的設(shè)計(jì)分析要求，成為天線罩設(shè)計(jì)的重要瓶頸之一。在計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)之上，隨著計(jì)算機(jī)的硬件配置不斷更新以及仿真軟件的普及，天線罩的電性能設(shè)計(jì)步入了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，借助電磁仿真軟件的天線罩電性能設(shè)計(jì)成為研究熱點(diǎn)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、基于時(shí)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，其中Ansys HFSS軟件具有結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好、適合求解介質(zhì)、精度高、速度快等特點(diǎn)，同時(shí)廣泛應(yīng)用于單脈沖天線的仿真設(shè)計(jì)，因此在天線罩的仿真設(shè)計(jì)領(lǐng)域，HFSS軟件具有良好的應(yīng)用前景。

    本文對(duì)應(yīng)用電磁仿真軟件分析天線罩電氣性能的方法進(jìn)行了研究，分別給出了天線罩的建模和仿真流程，并對(duì)HFSS軟件的仿真設(shè)置進(jìn)行了深入地探討。

2 天線罩的幾何建模和仿真分析

    2.1 天線罩的壁厚設(shè)計(jì)

    天線罩的初始法向壁厚基于幾何光學(xué)-二維射線追蹤理論，具體的壁厚設(shè)計(jì)公式：

    式中，λ為波長(zhǎng)，ε_r為罩體材料的介電常數(shù)，θ為入射角。令m=1即確定了天線罩的半波壁厚設(shè)計(jì)公式。由此可知，在已知天線的工作頻率以及罩體材料的介電常數(shù)的前提下，只要確定了入射角θ，便可確定天線罩的初始壁厚。

    由于安裝于天線罩腔內(nèi)的天線工作時(shí)在一定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)掃面，因此對(duì)于天線罩表面的每一點(diǎn)，入射角都有一個(gè)變化范圍，這些入射角分別是天線孔徑面上各條射線產(chǎn)生。對(duì)于天線罩表面上某一個(gè)需要求解壁厚的點(diǎn)，根據(jù)總體給出的外形線方程，求出天線在旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)天線口面垂直射出且通過該點(diǎn)的射線，便可求出該點(diǎn)在各種轉(zhuǎn)角下的入射角，然后根據(jù)這些射線所含能量的輕重關(guān)系進(jìn)行邏輯分析，從而可以求出平均入射角作為該點(diǎn)的入射角θ代入公式（1），從而求出該點(diǎn)的初始法向壁厚。

    依據(jù)上述壁厚設(shè)計(jì)的天線罩可以保證電磁波以最小的能量損耗穿過天線罩，然而天線罩的各項(xiàng)電氣性能參數(shù)中，除了表征電磁波穿透特性的功率傳輸系數(shù)以外，還有瞄準(zhǔn)線誤差以及瞄準(zhǔn)線誤差斜率等更為關(guān)鍵的參數(shù)。因此在確定了天線罩的初始壁厚之后，需要對(duì)此天線罩的電氣性能進(jìn)行分析，通過仿真結(jié)果改進(jìn)天線罩的設(shè)計(jì)參數(shù)，即對(duì)天線罩的法向壁厚進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得滿意的天線罩法向壁厚設(shè)計(jì)結(jié)果。

    2.2 天線罩三維幾何模型的建立

    為了實(shí)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(duì)天線罩進(jìn)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(jì)算出天線罩的內(nèi)形曲線坐標(biāo)。為了精確的構(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1所示。將該模型導(dǎo)出為.sat文件，便可導(dǎo)入電磁仿真軟件，分析天線罩的電氣性能。

    圖1 天線罩的罩體結(jié)構(gòu)

    2.3 天線罩電氣性能的仿真分析

    天線罩的電氣性能參數(shù)主要包括功率傳輸系數(shù)、瞄準(zhǔn)線誤差和瞄準(zhǔn)線誤差斜率等指標(biāo)，目前仿真分析天線罩電氣性能的方法可分為高頻方法和低頻方法兩種。其中高頻近似法主要以幾何光學(xué)和物理光學(xué)理論為基礎(chǔ)，而低頻數(shù)值方法則是以麥克斯韋電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)。

    在眾多高頻近似法之中，射線追蹤法因其物理概念簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單易行等特點(diǎn)，成為天線罩工程中重要的分析手段。該方法利用射線追蹤技術(shù)計(jì)算天線口面垂直發(fā)出的若干條射線穿透天線罩時(shí)的幅度和相位變化，通過一系列推導(dǎo)計(jì)算得出天線罩的功率傳輸系數(shù)和瞄準(zhǔn)線誤差等參數(shù)。然而，高頻方法由于將電磁波等效為平面波，同時(shí)忽視了電磁波在天線罩與天線之間的多次反射，因此存在一定的誤差，尤其對(duì)于罩體的曲率半徑較小的情況，計(jì)算精度明顯不足。隨著高速大容量計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，一些低頻的電磁仿真方法相繼引入到天線罩的電氣性能分析中。借助成熟的商用軟件，工程師們可以方便地運(yùn)用這些電磁仿真方法完成仿真。在眾多電磁仿真軟件之中，基于有限元方法的Ansys HFSS軟件以其良好的用戶界面和精確的計(jì)算精度在天線和天線罩仿真領(lǐng)域具有重要的地位和廣闊的應(yīng)用前景。

    應(yīng)用HFSS進(jìn)行天線罩仿真，首先將在Solidedge中建立的天線罩.sat文件導(dǎo)入到HFSS軟件中，同時(shí)導(dǎo)入天線模型文件，通過總體給出的天線罩和天線以及轉(zhuǎn)動(dòng)中心的相對(duì)關(guān)系，借助平移、旋轉(zhuǎn)等指令將天線和天線罩移動(dòng)到其實(shí)際工作狀態(tài)所在的位置，并且確定模型中各個(gè)部分的材料以及介電常數(shù)。

    為了分析遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，在確定了天線和天線罩的具體位置之后，還需畫出一個(gè)距輻射源足夠遠(yuǎn)的透明輻射表面，設(shè)置為輻射邊界。本文以一個(gè)矩形盒子作為輻射邊界，并放在離天線罩大約四分之一波長(zhǎng)的位置，軟件將通過在此虛擬盒子上進(jìn)行積分來(lái)求解遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，以得到遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖等指標(biāo)，如圖2為天線罩仿真輻射邊界的設(shè)置。

    圖2 天線罩仿真輻射邊界的設(shè)置

    為了分析天線罩的功率傳輸系數(shù)、瞄準(zhǔn)線誤差等電氣性能參數(shù)，需要將天線或罩體旋轉(zhuǎn)不同的角度，獲取該狀態(tài)下的天線輻射方向圖。在仿真過程中，采用天線靜止、天線罩相對(duì)天線旋轉(zhuǎn)的方法，通過計(jì)算天線罩旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)天線的輻射方向圖得出天線罩的功率傳輸系數(shù)和瞄準(zhǔn)線誤差曲線。在HFSS軟件中，可以設(shè)置天線罩的旋轉(zhuǎn)角度為一個(gè)變量，通過對(duì)該變量進(jìn)行掃參計(jì)算，可以自動(dòng)計(jì)算并存儲(chǔ)天線罩旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)的天線輻射方向圖。如圖3所示，圖中給出了天線罩旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)天線口面法線方向附近的差方向圖。從圖中可以看出，由于天線罩的影響，單脈沖天線差方向圖的零深位置以及零深值都發(fā)生了變化，通過讀取零深位置，便可得出帶罩天線的零深位置曲線，將這些值與在此之前已經(jīng)仿真得出的不帶罩時(shí)天線的零深位置相減，便可得出天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差。

    圖3 帶罩天線的差方向圖

3 Ansys HFSS軟件的仿真設(shè)置探討

    3.1 Ansys HFSS軟件的計(jì)算精度

    對(duì)于頻域問題的求解，有限元法是各種數(shù)值算法中最為成熟可靠的算法。使用有限元法，一旦確定了控制方程及計(jì)算求解區(qū)域，就需要進(jìn)行網(wǎng)格剖分。在有限元分析步驟中，網(wǎng)格剖分是非常重要的一步，其直接影響到計(jì)算機(jī)內(nèi)存需求、計(jì)算時(shí)間和數(shù)值結(jié)果的精確度。

    借助Ansys HFSS軟件自帶的自適應(yīng)剖分網(wǎng)格工具，逐步細(xì)化剖分天線和天線罩模型，可以高精度地仿真計(jì)算天線和天線罩的電氣性能，消除了射線追蹤法帶來(lái)的遠(yuǎn)場(chǎng)近似問題，提高了設(shè)計(jì)精度，大大提高了試驗(yàn)成功率，降低了研制周期。圖4為天線罩的網(wǎng)格剖分模型，圖中的天線罩被分解成一個(gè)個(gè)微小的四面體，通過求解各個(gè)四面體的邊值問題，便可實(shí)現(xiàn)天線罩的仿真。

    圖4 天線罩的網(wǎng)格剖分模型

    3.2 模型和計(jì)算空間的精簡(jiǎn)

    應(yīng)用HFSS進(jìn)行仿真，其計(jì)算區(qū)域直接影響著計(jì)算速度和計(jì)算精度。計(jì)算空間太大，導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量增多，消耗大量的內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間卻并不能提高計(jì)算精度；計(jì)算空間太小，無(wú)法完成預(yù)定區(qū)域的仿真，影響了系統(tǒng)的計(jì)算精度。因此在仿真天線罩的時(shí)候，需要根據(jù)具體需要對(duì)天線和天線罩的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以期待在不影響計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算速度。對(duì)于單脈沖體制的天線，可以將天線中諸如和差器等組件刪除，只需保留輻射波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)，通過對(duì)耦合波導(dǎo)激勵(lì)實(shí)現(xiàn)和差波束的控制。除此之外，對(duì)于天線基本輻射不到的天線罩根部區(qū)域，根據(jù)具體要求也可以進(jìn)行裁剪，這將極大地節(jié)約計(jì)算量，提高計(jì)算速度。

    3.3 輻射邊界的設(shè)置

    Ansys HFSS軟件中輻射邊界的設(shè)置直接影響了遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的結(jié)果。由于仿真過程中，天線罩沿轉(zhuǎn)動(dòng)中心旋轉(zhuǎn)，而距離罩體四分之一波長(zhǎng)的矩形輻射邊界同樣在旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了罩體旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)輻射邊界相對(duì)天線是變化的，這帶來(lái)了遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的計(jì)算誤差，應(yīng)將輻射邊界保持相對(duì)天線位置不變，同時(shí)保證天線罩始終在輻射邊界之內(nèi)，這就需要擴(kuò)大輻射邊界，勢(shì)必導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間大幅度提高，因此這種設(shè)置需要在計(jì)算機(jī)硬件配置很高的前提下應(yīng)用。

4 結(jié)論

    本文借助Ansys HFSS軟件，研究了電磁仿真軟件在天線罩電氣性能分析中的應(yīng)用。通過介紹天線罩壁厚的設(shè)計(jì)、幾何模型建立方法和HFSS軟件的仿真設(shè)置，給出了應(yīng)用電磁仿真軟件進(jìn)行天線罩電氣性能分析的具體方案，驗(yàn)證了該方法的可行性，并且對(duì)HFSS軟件的仿真設(shè)置進(jìn)行了研究和探討。

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本文標(biāo)題：Ansys HFSS在天線罩電性能分析中的應(yīng)用研究

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