基于FEKO的天線罩瞄準(zhǔn)誤差分析*

劉 誼, 楊麗娜, 侯 瑞

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院, 河南洛陽(yáng) 471009)

基于FEKO的天線罩瞄準(zhǔn)誤差分析*

劉 誼, 楊麗娜, 侯 瑞

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院, 河南洛陽(yáng) 471009)

文中采用FEKO軟件對(duì)天線罩的瞄準(zhǔn)誤差進(jìn)行了仿真分析。直接對(duì)真實(shí)帶罩天線進(jìn)行仿真,計(jì)算量過(guò)于巨大,通常工作站難以支持,因此采用等效源方法進(jìn)行仿真。仿真步驟如下:首先仿真天線口面附近的等效近場(chǎng);然后將等效近場(chǎng)作為激勵(lì)源放入天線罩模型中,計(jì)算帶罩天線遠(yuǎn)場(chǎng)差方向圖;對(duì)比帶罩與無(wú)罩遠(yuǎn)場(chǎng)差方向圖零點(diǎn)位置的變化得出天線罩的瞄準(zhǔn)誤差。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合很好,驗(yàn)證了仿真方法的準(zhǔn)確性。

天線罩;瞄準(zhǔn)誤差;分析;FEKO

0 引言

導(dǎo)彈天線罩是導(dǎo)引頭天線的保護(hù)裝置,它的引入,無(wú)可避免的對(duì)天線的輻射特性產(chǎn)生畸變,尤其是會(huì)改變天線差方向圖零點(diǎn)位置,即產(chǎn)生了瞄準(zhǔn)誤差[1-2]。瞄準(zhǔn)誤差的存在嚴(yán)重影響導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度,需對(duì)其進(jìn)行精確分析。

天線罩屬于電大尺寸結(jié)構(gòu),若采用全波方法,如有限元法(FEM)、矩量法(MOM)仿真計(jì)算天線罩瞄準(zhǔn)誤差,運(yùn)算量過(guò)于巨大,受限于算法復(fù)雜度和計(jì)算機(jī)硬件水平,難以廣泛應(yīng)用[3-4]。長(zhǎng)期以來(lái),天線罩瞄準(zhǔn)誤差仿真計(jì)算主要依賴于幾何光學(xué)法(GO)、物理光學(xué)法(PO)以及物理光學(xué)法和矩量法的混合算法[5-10],其仿真精度有限,難以對(duì)天線罩設(shè)計(jì)起到很好的指導(dǎo)作用。隨著電磁仿真軟件和計(jì)算機(jī)硬件的更新發(fā)展,采用商用電磁仿真軟件對(duì)天線罩瞄準(zhǔn)誤差精確計(jì)算逐漸變得實(shí)用[11]。

FEKO軟件是Altair公司旗下的一款三維全波電

磁仿真軟件。該軟件在分析電大尺寸問(wèn)題時(shí)采用多層快速多極子方法(MLFMM),與傳統(tǒng)矩量法(MOM)相比,在保持較高計(jì)算精度的同時(shí),大大的提高了計(jì)算效率,因而比較適合分析天線罩電氣性能。

文中采用FEKO軟件對(duì)導(dǎo)彈天線罩的瞄準(zhǔn)誤差進(jìn)行了仿真計(jì)算,給出了天線與天線罩建模仿真的流程,并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)。

1 瞄準(zhǔn)誤差定義

天線罩引起的天線電軸位置量偏轉(zhuǎn)稱為瞄準(zhǔn)誤差。

瞄準(zhǔn)誤差為無(wú)罩天線電軸與帶罩天線電軸的空間夾角,通常將其分解投影到兩個(gè)正交平面(主平面和交叉平面)上進(jìn)行表征。過(guò)天線軸線與天線罩軸線的平面稱為主平面,過(guò)天線軸線且與主平面垂直的平面稱為交叉平面。瞄準(zhǔn)誤差在上述兩平面的投影分別稱為主平面瞄準(zhǔn)誤差(MBSE)和交叉平面瞄準(zhǔn)誤差(CBSE)[12-13]。

2 天線天線罩建模

2.1 概述

如果將天線和天線罩模型放在一個(gè)仿真文件下進(jìn)行仿真,由于二者之間的互耦,計(jì)算量極大,普通工作站硬件配置難以滿足仿真要求。

FEKO軟件支持近場(chǎng)等效源技術(shù),對(duì)于復(fù)雜的陣列天線,能夠計(jì)算得到其口面輻射近場(chǎng),然后利用口面輻射近場(chǎng)作為激勵(lì)源分析天線罩的透波特性,以降低計(jì)算的復(fù)雜度。天線罩電氣性能仿真步驟如下:

a)天線近場(chǎng)仿真:建立真實(shí)的陣列天線模型,仿真其球冠面近場(chǎng)方向圖和遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。天線球冠面近場(chǎng)必須覆蓋整個(gè)天線輻射口徑,以保證絕大部分電磁波從近場(chǎng)面穿過(guò);同時(shí)近場(chǎng)面必須足夠小,以保證天線與天線罩相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),天線近場(chǎng)不與天線罩壁相交。對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖,判斷天線仿真的準(zhǔn)確性。

b)帶罩天線遠(yuǎn)場(chǎng)仿真:將天線的差近場(chǎng)分布放入天線罩模型中,保證二者之間相對(duì)位置關(guān)系與真實(shí)產(chǎn)品相符;將天線罩模型依次轉(zhuǎn)動(dòng)多個(gè)角度,仿真帶罩天線遠(yuǎn)場(chǎng)差方向圖。

c)瞄準(zhǔn)誤差處理生成:對(duì)比帶罩與無(wú)罩天線遠(yuǎn)場(chǎng)差方向圖零點(diǎn)的偏移,可得天線罩在該差通道方向上的瞄準(zhǔn)誤差;將兩個(gè)差通道的瞄準(zhǔn)誤差在主平面上分解合成,可得天線罩MBSE和CBSE。

2.2 天線建模仿真

防空導(dǎo)彈常用波導(dǎo)縫隙陣天線作為導(dǎo)引頭天線,其具有一個(gè)和通道和兩個(gè)方向正交的差通道(差Y通道和差Z通道)。

建立波導(dǎo)縫隙陣天線模型,分別對(duì)天線兩個(gè)差通道端口激勵(lì),采用MLFMM方法仿真得出天線的差通道遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)方向圖,如圖1、圖2所示。

2.3 天線罩建模仿真

建立天線罩模型。為減少仿真工作量,模型只涵蓋天線陣面之前區(qū)域以及陣面后小范圍的區(qū)域,包括金屬雨蝕頭、陶瓷頭錐。

對(duì)天線罩頭部曲率變化較大區(qū)域劃分精細(xì)網(wǎng)格,對(duì)天線罩其他區(qū)域劃分粗網(wǎng)格,整個(gè)天線罩模型共約22萬(wàn)個(gè)面網(wǎng)格。

將天線的等效近場(chǎng)置入天線罩模型中,保證二者相對(duì)位置及運(yùn)動(dòng)關(guān)系與真實(shí)產(chǎn)品相符,如圖3所示。在每一個(gè)轉(zhuǎn)角上,采用MLFMM法計(jì)算差通道的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖,部分結(jié)果如圖4所示,可見(jiàn)帶罩后,差方向圖零點(diǎn)有偏移,零深有抬升。

2.4 瞄準(zhǔn)誤差處理

通常測(cè)試和仿真天線罩在0°極化、45°極化、90°極化下的電氣性能,用于表征天線罩所有極化下的電性能極值。極化角度的定義為天線電場(chǎng)極化方向與主平面的夾角。

天線罩瞄準(zhǔn)誤差測(cè)試和仿真時(shí),首先得到差Y通道和差Z通道上的瞄準(zhǔn)誤差分量,將其分解合成到主平面和交叉平面上,見(jiàn)式(1)、式(2)。

MBSE=BSEY·cos(φΔY-φ)+BSEZ·cos(φΔZ-φ)

(1)

CBSE=BSEY·sin(φΔY-φ)+BSEZ·sin(φΔZ-φ)

(2)

式中:BSEY、BSEZ分別為差Y通道、差Z通道瞄準(zhǔn)誤差;φΔY、φΔZ分別為差Y通道、差Z通道方向在天線陣面上的方位角;φ為電場(chǎng)極化方向與主平面的夾角,即天線罩電性能測(cè)試的極化角度。

2.5 仿真資源及運(yùn)算量

天線罩仿真軟件為FEKO 7.0.1版軟件;硬件為DELL公司的Precision R7610刀片機(jī),其處理器為Intel(R)Xeon(R) CPU E5-2680,共16核,內(nèi)存128 GB。

使用30個(gè)線程(對(duì)應(yīng)15個(gè)核)進(jìn)行天線罩仿真,過(guò)程中調(diào)用計(jì)算機(jī)內(nèi)存約70～80 GB。單通道、單極化角度、單個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)角位置仿真耗時(shí)約1 h,所有曲線仿真總耗時(shí)約100 h。

3 案例分析

3.1 天線理論與實(shí)測(cè)方向圖

波導(dǎo)裂縫陣天線兩個(gè)差通道歸一化遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖可見(jiàn):

a)由等效近場(chǎng)得出的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖(圖5、圖6中圖例為“仿真2”的曲線)與天線模型直接仿真的方向圖(圖5、圖6中圖例為“仿真1”的曲線)吻合非常好,故等效近場(chǎng)選取方式合理。

b)天線方向圖仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線吻合很好,差方向圖零深、波束分離角、和差矛盾等信息仿真結(jié)果很精確,故用于天線罩電性能仿真的天線模型及近場(chǎng)數(shù)據(jù)足夠精確。

3.2 天線罩理論與實(shí)測(cè)瞄準(zhǔn)誤差

天線罩在0°極化、45°極化、90°極化下的MBSE仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比如圖7、圖8、圖9所示,CBSE通常很小,在此不予論述。由圖可見(jiàn),仿真與實(shí)測(cè)曲線的吻合較好,仿真方法和模型較為準(zhǔn)確可信。

圖9 天線罩90°極化MBSE仿真與實(shí)測(cè)曲線幾何光學(xué)法計(jì)算量很小,但精度比較差,文獻(xiàn)[6]中的算例與文中相似,計(jì)算時(shí)間只有數(shù)秒,但瞄準(zhǔn)誤差計(jì)算誤差約6′～8′。MLFMM法內(nèi)存需求O(N·logN),CPU時(shí)間為O(N·log2N),N為未知量。MOM法原理更為精確,其內(nèi)存需求為O(N2),CPU時(shí)間為O(N3),2.5節(jié)中硬件配置工作站無(wú)法支持。綜合計(jì)算精度和時(shí)間,MLFMM是一種較為適宜的天線罩仿真算法。

4 結(jié)論

文中給出了一種基于FEKO軟件仿真天線罩瞄準(zhǔn)誤差的方法。采用近場(chǎng)等效源技術(shù)避免了仿真天線與天線罩之間互耦,極大的降低了計(jì)算量,同時(shí)具有較好的精度。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合很好,證明本方法足夠準(zhǔn)確,可作為天線罩電性能設(shè)計(jì)的重要手段。

[1] 彭望澤. 防空導(dǎo)彈天線罩 [M]. 北京: 宇航出版社, 1993: 2-3.

[2] 杜耀惟. 天線罩電信設(shè)計(jì)方法 [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1993: 1-8.

[3] 朱淑梅. 基于電大尺寸物體的有限元/物理光學(xué)法比較 [J]. 電子測(cè)試, 2007(10): 35-36.

[4] 吳秉橫, 劉元云, 顧昊, 等. 電磁仿真軟件在天線罩電氣性能分析中的應(yīng)用 [J]. 制導(dǎo)與引信, 2011, 32(2): 39-42.

[5] 宋銀鎖. 天線-天線罩系統(tǒng)的方向性圖計(jì)算 [J]. 航空兵器, 2002(5): 8-11.

[6] 侯瑞. 用三維射線追蹤法計(jì)算天線罩的電性能 [C]∥第二屆中國(guó)航空學(xué)會(huì)青年科技論壇文集, 2006: 255-262.

[7] 張強(qiáng). 天線罩理論與設(shè)計(jì)方法 [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2014: 51-78.

[8] 張強(qiáng), 曹偉. 基于曲面口徑積分/幾何光學(xué)的天線罩混合分析 [J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 18(4): 418-422.

[9] 萬(wàn)國(guó)賓. 帶罩天線與有限陣列結(jié)構(gòu)分析 [D]. 西安：西安交通大學(xué). 2000: 22-37.

[10] KOZAKOFF D J. Analysis of radome-enclosed antenna [M]. 2nd ed. London: Artech House, 2009: 104-120.

[11] 吳秉橫, 顧昊, 馮紅全, 等. 基于FEKO的天線罩瞄準(zhǔn)線誤差分析 [J]. 制導(dǎo)與引信, 2012, 33(3): 33-36.

[12] 陳奇波, 賈文元, 楊可忠, 等. 天線術(shù)語(yǔ): GJB2436—1995 [S]. 北京: 國(guó)際科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì), 1995.

[13] 侯瑞, 劉弘民. 空空導(dǎo)彈天線罩規(guī)范: Q/AVIC 60023—2016 [S]. 北京: 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司, 2016.

AnalysisofRadomeBoresightErrorBasedonFEKO

LIU Yi, YANG Lina, HOU Rui

(China Airborne Missile Acamedy, Henan Luoyang 471009, China)

Radome boresight error(BSE) was simulated based on FEKO in this paper. Computing of radome-enclosed antenna directly was too complex to be supported by common work station, so equivalent source method was applied customary. Simulation steps are as follows:firstly, equivalent near field around antenna aperture was calculated; secondly, equivalent near field was placed in radome model as an encouraging source, thus differential far field pattern of antenna enclosed in radome was computed; lastly, radome BSE can be concluded by comparing the far field patterns of antenna with in radome and without radome. The simulation results of radome BSE were close to that by measuring, which proved the validity of the simulation method.

radome; boresight error(BSE); analysis; FEKO

TN820.81

A

2016-06-25

劉誼(1979-),男,河北正定人,碩士,研究方向:天線罩設(shè)計(jì)。