Ansys HFSS 在天線罩電性能分析中的應(yīng)用研究

    【摘要】為實(shí)現(xiàn)天線罩電氣性能參數(shù)的精確仿真，利用基于有限元方法的 Ansys HFSS 軟件對天線罩進(jìn)行仿真分析。該仿真方法建模方便、便于更改，完全模擬天線罩的實(shí)際工作狀態(tài)，具有計(jì)算精度高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)的高頻近似算法分析天線罩電性能自身具有的精度偏低等問題。

1 引言

    隨著武器裝備的發(fā)展，對天線罩的電性能設(shè)計(jì)提出了越來越高的要求，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, FEM）的 Ansys HFSS 軟件、基于時(shí)域有限積分方法（Finite Integration Method in Time Domain, FIMTD）的 CST Microwave Studio 和基于矩量法（Method of Moment, MOM）的FEKO 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 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，εr 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單，操作簡單易行等特點(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的位置，軟件將通過在此虛擬盒子上進(jìn)行積分來求解遠(yuǎn)場輻射特性，以得到遠(yuǎn)場方向圖等指標(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

圖3 帶罩天線的差方向圖

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