基于HFSS中FEBI技術(shù)進(jìn)行彈上縫隙陣天線數(shù)值仿真

   【摘 要】本文基于HFSS 13.0 的 FEBI 技術(shù)對一彈上縫隙線陣天線的H 面、E 面和干涉區(qū)域方向圖進(jìn)行數(shù)值仿真，通過與實測數(shù)據(jù)以及常規(guī)仿真的分析比較，驗證該新型邊界的計算有效性以及準(zhǔn)確性。

    1 前言

    引信天線是彈上無線電引信設(shè)備的重要部件，而波導(dǎo)縫隙線陣天線由于具有E面方向圖寬，H面方向圖波束的寬度及指向可以由調(diào)節(jié)陣列的參數(shù)而實現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，同時其方向圖較容易實現(xiàn)彈引信天線所要求的方向圖，所以被廣泛的應(yīng)用于各類戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上。

    常見的形式是一對發(fā)射天線與一對接收天線同時安裝于同一艙體上，且沿艙體周向每隔90°安裝一個，示意圖見圖1，通常天線 1、3 作為發(fā)射，天線 2、4 作為接收。當(dāng)天線1、3 如圖安裝在艙體上，通常會在天線2 區(qū)域發(fā)生電磁波的干涉現(xiàn)象。

    縫隙線陣的設(shè)計分析通常是采用經(jīng)典理論數(shù)值計算的方法，缺乏對天線性能直觀的了解和分析，通過引入商業(yè)化的數(shù)值仿真軟件對縫隙線陣天線的性能進(jìn)行準(zhǔn)確與深入的設(shè)計與分析， 是比較便捷、適用的新的設(shè)計手段。但是在類似圖1 模型的這種較大計算規(guī)模的計算上，一些常規(guī)的計算軟件還是無法勝任。

圖1 收發(fā)天線艙體安裝示意圖

    HFSS 作為美國ANSYS 公司采用有限元算法開發(fā)的一款高頻電磁場仿真軟件，具有計算精度高，仿真速度快的特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于天線設(shè)計領(lǐng)域。但是因HFSS 采用 FEM 算法，在計算模型時需要在外周定義一個 1/4 λ0 大小的空氣輻射邊界，如果針對電大模型，該邊界也就越大，計算量相當(dāng)大。在HFSS 13.0 的版本中，全新推出了一種FEBI 邊界，僅需要（1/6~1/8）λ0 邊界大小，能夠有效解決以上問題。

    2 彈上縫隙線陣天線基礎(chǔ)理論

    彈上縫隙線陣天線的設(shè)計首先考慮總體對引信天線的電氣要求，通常包括方向圖主波瓣寬度、波瓣指向、旁瓣電平、電壓駐波比等，另外彈體可能容許的安裝尺寸、安裝部位和相對位置，也實際上限定了天線的最大尺寸和天線的形狀，有時因安裝方式的限制，在有些性能指標(biāo) 要進(jìn)行妥協(xié)，以滿足導(dǎo)彈氣動性能和對天線安裝方式的要求。一個完整的縫隙線陣天線的指標(biāo)通常包括以下幾個： 1) 工作頻帶，2) 主波束傾角，3) 主波束寬度，4) 天線增益，5) 天線H 面副瓣電平，6) E 面方向圖要求，7) 駐波系數(shù)。

     2.1 彈上縫隙線陣天線基本設(shè)計思路

    縫隙線陣通常采用天線綜合的方法，根據(jù)特定要求，求得相應(yīng)得方向圖函數(shù)或陣因子表達(dá)式，利用它可以得到方向圖的各個參數(shù)，通過數(shù)學(xué)變化也可導(dǎo)出天線的口徑場分布。縫隙線陣的口徑場通常采用Taylor、Chebyshev、Gauss 等分布，彈上縫隙線陣天線往往在H 面要求較低的副瓣電平，Taylor 分布比較容易實現(xiàn)這種需求。以一個Taylor 分布的 Ku 波段的縫隙線陣天 線設(shè)計為例： 
    1. 根據(jù)天線技術(shù)指標(biāo)要求選擇 Taylor 陣列相關(guān)參數(shù)，包括旁瓣電平η 等； 
    2. 根據(jù)波瓣傾角確定波導(dǎo)尺寸； 
    3. 由波瓣寬度及增益確定天線輻射口徑尺寸； 
    4. 用 Taylor 函數(shù)確定天線口徑幅度分布； 
    5. 確定輻射槽的位置（即偏離寬邊中心線的距離）。

    2.2 Ku 波段縫隙線陣天線的設(shè)計

    采用的天線為36個縫隙的單邊開縫的縫隙陣列，口徑場分布采用設(shè)計副瓣電平-35dB、N 為6 的Taylor 分布。根據(jù)式（1）、（2）可以求解出36 元陣的電流分布見表1。同時Taylor 線陣具有中心對稱特性，處理電流分布可以僅計算原線陣的一半。

    根據(jù)電流分布可以進(jìn)一步計算得出天線的方向圖，得出波束寬度、副瓣電平等信息。從圖1可以得出該天線主波束傾角58°，3dB 波束寬度4°，前后副瓣電平均在-35dB 以下。在具體設(shè)計中考慮到加工等工程實現(xiàn)性因素，天線縫隙直接采用圓頭等長縫隙，尺寸為9mm × 1mm ，在這種情況下，縫隙間耦合等影響天線性能的因素均沒有考慮，是一種工程與性能兼顧折中的做法。

圖2 H 面方向圖（設(shè)計值）

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