艦船天線輻射仿真計算研究＊

郭 霄 熊 勇 陳德喜 王 立

（中國艦船研究設計中心 武漢 430064）

1 引言

天線輻射環境是關系到電子電氣設備以及人員安全、正常工作的一種重要環境條件。準確預測天線輻射環境數據對于總體電磁兼容設計至關重要［1～4］。隨著高性能計算機和計算電磁學的發展，開發出了許多成熟的電磁場仿真軟件，運用軟件仿真已經成為預測電磁場環境數據的重要手段。目前國外已經有比較成熟的電磁場仿真軟件，例如FEKO、HFSS和CST等等，其中FEKO軟件是常用軟件之一。利用FEKO軟件，國內外已經進行了很多涉及眾多領域的仿真研究，包括航空、電子儀器等等［5～12］。

論文以FEKO軟件為基礎，針對特殊的艦船天線產生的電磁場環境，開展了基于FEKO軟件的天線輻射環境仿真方法研究，解決了仿真過程中模型的建立，以及電磁解算方法和網格剖分尺寸等參數的合理設置問題，形成了可供工程應用的天線輻射環境的仿真預測方法。

2 仿真計算基本理論

2.1 電磁場基本理論

麥克斯韋（Maxwell）方程是任何電磁計算的基礎。從麥克斯韋方程式出發，對于正弦電磁場和線性、各向同性的均勻媒質的情況，求解非齊次赫姆霍茲（Helmho1tz）方程，帶入天線輻射條件，即可求出其電（磁）矢量位，再由電（磁）矢量位求出輻射電磁場。

對于電偶極子天線來說，其近區場強可表示為

式中，Er、Eθ、Eφ、Hr、Hθ、Hφ為電場、磁場分量在球坐標系下的三個分量。r、θ、φ為球坐標系的三個坐標，I為電偶極子中電流，l為偶極子長度。

對于小電流環構成的磁偶極子天線來說，其近區場可表示為

式中，S為小環面積，I為小環電流，其余參量如上。

在實際應用中，通常可以采用上述電偶極子天線、磁偶極子天線去等效計算長、中、短及超短波發射天線的電磁輻射場。

上述模型主要用于描述理想邊界條件下的天線輻射問題。當天線近場區內有金屬物體的存在，這些金屬物體會使天線的近場分布發生改變。為了解決具有金屬物體的天線輻射問題，常常采用數值方法。

2.2 天線的輻射特性參數表征

天線的方向性，直接反映天線輻射場的幅值或輻射功率的空間分布，無疑這是天線最重要的特征參數。

方向函數是天線方向性的數學表示，就是天線的輻射強度于空間坐標之間的函數關系。

天線的功率方向函數P（θ，φ）可由r方向（輻射波傳播方向）坡印廷矢量與方向的關系求得，對于天線的輻射場我們只考慮橫向場分量，因此它們才構成r方向的坡印廷矢量，對與正弦時變場，有

因此

即天線的功率方向函數正比于場強方向函數的平方，有

3 組合天線模型建立

3.1 組合天線基本模型分析

本研究中組合天線集中布置在艦船平臺上，在天線工作時，其周圍的部分裝置也會同時工作，導致天線部分方向被遮擋，致使通信效果大打折扣，因此獲取各種工況下天線輻射方向圖、天線近場等特性參數對于天線總體布置設計來說是十分重要的。同時空間內布置的裝置和金屬表面本身也會對天線的電磁輻射產生一定的影響，不僅會使得表面區域的電磁環境非常復雜，甚至可能會使天線的方向圖發生畸變從而影響天線的空間覆蓋性能。

本研究主要關心天線在垂直上半平面的波束覆蓋范圍，即其在垂直方向上的輻射方向圖（通常考慮θ＝－90°～90°，φ＝0°，180°）。該組合天線分為兩部分，一部分為折倒狀天線，外形為圓柱體，也可以看成是鞭天線，體內層為玻璃鋼桿（僅用作導電層的支撐），桿外包導電層，天線體通過根部的絕緣子固定在平臺上；另一部分為四臂螺旋線天線，作為天線輻射體四條螺旋線纏繞在超短波天線的天線體外，天線體外為保護層，如圖1所示。

在電磁仿真軟件FEKO中天線建模包括建立三維空間模型和電激勵模型。三維空間模型是指根據短波折倒天線的空間尺寸建立的優化仿真模型。電激勵模型即天線的饋電方式的建模。

由于組合天線在超短波頻段的輻射體均為桿狀，其電磁輻射主體實質等效為鞭天線。因此其電磁仿真模型通常用柱狀或線狀模型來代替。本研究首先在無限大導體地平面上的半空間中分別建立柱狀模型和線狀模型，仿真計算兩種天線模型的方向圖，選擇計算結果較準確且容易實現的模型為該組合天線的最優化仿真模型。天線電磁模型即天線的饋電，在FEKO軟件中通過設置激勵源來實現。本課題根據所用的物理模型并比較可用的激勵源方式來選擇激勵源，確定電磁模型。

3.2 鞭天線三維空間建模

令天線底部位于原點，在無障礙物的無限大導體地平面上的半空間中分別建立柱狀模型和線狀模型，見表1。

圖1 組合天線模型

表1 無限大導體地平面上半空間中的天線模型

無限大導體地平面上半空間中采用柱狀模型和線狀模型的遠場方向圖。通過比較仿真得出的線狀模型和柱狀模型的方向圖圖形可以看出，在無限大導電地平面上，柱狀模型和線狀模型的計算結果具有很好的一致性。由此可知，線狀模型和柱狀模型都可以代替鞭天線，但是建立線狀模型更加簡單方便且易于實現，所以本課題選用線狀模型代替型天線和折倒天線。

3.3 鞭天線電激勵建模

在FEKO軟件中天線的電磁模型即天線的饋電是通過設置激勵源來實現的。FEKO軟件中有多種激勵源可以選擇，如電壓源、電流源、波導口激勵、平面波激勵等，應根據實際模型情況并對各種可用激勵源進行比較來選擇激勵源。

對于天線輻射模型來說可用電壓源和電流源進行激勵。本研究對同一天線分別采用電壓源激勵和電流源激勵，觀察比較不同激勵源對天線遠場方向圖計算的影響。

分別采用電壓源激勵和電流源激勵的仿真模型示意圖，以及采用兩種激勵方式時，仿真計算得到的遠場方向圖。通過仿真研究比較發現，電壓源激勵和電流源激勵得到的天線遠場方向圖一致性很高，分別改變天線長度和頻率，結論不變。

而FEKO軟件中電壓源激勵具有設置簡單、模型修改方便的優點。故本設計采用電壓源激勵模擬射頻天線的饋電。

由以上的仿真算例，本設計用線狀模型代替原天線，根據天線物理尺寸建立模型，并在天線底部用電壓源激勵模擬天線的饋電。本模型具有建模簡單方便，易于實現的優點，同時模型誤差也較小，不失準確性。

3.4 螺旋天線建模

螺旋天線工作在UHF頻段，工作方式為右旋圓極化，為一種四臂螺旋天線。在CADFEKO中，可以建立標準的螺旋線模型，四臂螺旋線可由單螺旋線旋轉得到，于是就建立了四壁螺旋天線的線狀模型，同樣的，根據四臂螺旋天線的天線體物理尺寸，在CADFEKO中通過改變建模工作平面和沿指定路徑拉伸等命令，可以在FEKO中建立四臂螺旋天線的柱狀模型，如圖2所示。

圖2 四壁螺旋天線線狀、柱狀模型

根據四臂螺旋天線的電磁特性，其饋電方式在FEKO中簡化為在四臂螺旋天線的四個臂的輸入端口分別施加電壓源激勵，四個端口的相位差逆時針方向依次為90°。其中port1的相位設置為0，port2的相位設置為90°，port3的相位設置為180°，port4的相位設置為270°。據此分別計算線狀模型的四臂螺旋天線和柱狀模型的四臂螺旋天線的鉛垂面方向圖。

通過比較仿真得出的線狀模型和柱狀模型的方向圖圖形可以看出，在無限大導電地平面上，柱狀模型和線狀模型的計算結果具有很好的一致性。

由此可知，線狀模型和柱狀模型都可以代替四臂螺旋天線，但是建立線狀模型更加簡單方便且易于實現，所以本研究用線狀的四臂螺旋線模型代替螺旋天線。根據天線的物理尺寸建立模型，并在天線底部用四個相差為90°的電壓源激勵模擬天線的饋電。本模型具有建模簡單方便，易于實現的優點，同時模型誤差也較小，不失準確性。

4 射頻天線輻射仿真計算

確定了仿真計算的電磁模型后，需要設置求解的工作頻率、功率等激勵參數，設定計算區域，選擇電磁解算方法，進行網格剖分，最后才能進行計算得到相關電磁輻射數據。

FEKO軟件中有多種電磁解算方法，電磁解算方法對仿真時間和計算內存需求有一定影響，不同的電磁解算方法也有各自的適用范圍。對于網格剖分尺寸，一般來說，FEKO軟件中網格剖分尺寸越疏，計算時間越短，計算結果精度越低；網格剖分尺寸越密，計算時間越長，相應的計算結果精度也越高。根據已有的計算資源和計算精度要求，本課題研究的艦船平臺相對于天線工作頻段尺寸相比，均選擇MoM解算方法，網格的剖分也按設定好進行，不做干預。

狀況一和狀況二是該艦船平臺的兩種典型工作狀態，分別模擬兩種工作狀態的環境模型。兩種狀態下，周圍環境都會發生變化，其中狀態一會在天線側方周圍環境中產生障礙，狀態二會在天線前方環境中產生障礙。

4.1 工作狀態一仿真計算

根據工程實際需求，建立狀況一啟動、停止時的仿真模型。分別考察天線在超短波低頻段水平方向圖變化情況和超短波高頻段時垂直方向圖的變化情況。

超短波低頻段時，狀況一啟動、停止狀態下，天線水平方向圖（θ＝90°、φ＝0～360°）變化如圖3所示。

圖3 超短波低頻段狀況—啟動、停止狀態下天線平面方向圖的比較

超短波高頻段時，狀況一啟動、停止狀態下，天線的鉛垂面方向圖（θ＝－90°～90°、φ＝0°，180°）的變化如圖4所示。

圖4 超短波高頻時工況—啟動、停止狀態下天線Ⅱ垂直方向圖（φ＝0°）

4.2 工作狀態二仿真計算

根據工程實際需求，建立狀況二啟動、停止時的仿真模型。考察天線在UHF頻段垂直方向圖的變化情況。

頻率為UHF時，工況二啟動、停止狀態下，天線垂直方向圖（θ＝－90°～90°、φ＝0°，180°）變化，如圖5所示。

圖5 UHF頻段時狀況二啟動、停止狀態下天線垂直面方向圖

5 結語

通過仿真計算，本研究得出以下結論：

1）仿真計算中，天線安裝到艦船環境中，天線的水平方向圖發生了一定的改變，形狀變得不規則，畸變得波瓣增多。組合天線鉛垂面的方向圖受到工作狀態產生障礙的影響，上半平面的波束角有所減小。

2）超短波頻帶工作時，由于電磁波波長相對于該障礙可比，障礙的遮擋效應顯現出來，造成了天線在障礙方向約3～5dB的輻射效能下降。

3）UHF頻帶工作時，工作狀態一的啟動、停止對天線垂直方向圖有一定的影響。啟動時，天線上半平面波束范圍有所減小，但基本不影響上半平面的覆蓋。因此天線進行UHF通信時，應結合艦船和衛星的相對位置來判定是否需要開啟工作狀態。

4）工作狀況二開啟狀態時，天線垂直方向圖有一定的影響，天線上半平面波束范圍有所減小，但不影響上半平面的覆蓋。

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