基于FEKO的機(jī)載導(dǎo)航天線方向圖分析

1 引言

機(jī)載天線輻射方向圖特性的研究是導(dǎo)航天線與載體綜合性能分析的重要方面。采用實(shí)測(cè)的方法，不僅獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)較少，而且造成大量的人員浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在大多采用電磁仿真軟件進(jìn)行機(jī)載天線方向圖的研究。使用電磁仿真軟件，可以極大的提高分析的速度和節(jié)約研究的成本。FEKO是一款用于3D結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)分析的仿真軟件，其計(jì)算基于積分方程的求解，算法包括矩量法（MOM）、多層快速多極子（MLFMM）、物理光學(xué)（PO）、一致性繞射理論（UTD）等，對(duì)于電大尺寸問(wèn)題有較好的分析能力。

本文首先使用FEKO軟件對(duì)某載機(jī)進(jìn)行建模，其次分析了L波段導(dǎo)航天線放置在飛機(jī)背部中心時(shí)飛機(jī)各個(gè)部分對(duì)天線水平面方向圖的影響，最后對(duì)使用FEKO仿真不同電大尺寸物體時(shí)的計(jì)算量、計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存使用進(jìn)行了比較。

2 載機(jī)簡(jiǎn)化模型的建立

本文使用FEKO軟件建立了某新型載機(jī)的仿真計(jì)算簡(jiǎn)化模型，模型如圖1所示。建模時(shí)在保持主要電磁散射特性的原則下，結(jié)合FEKO中提供的建模功能對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，只將對(duì)天線方向圖影響較大的機(jī)頭，機(jī)身，機(jī)尾，主翼，垂尾進(jìn)行近似，其他部分予以省略。其中，機(jī)首用兩個(gè)圓錐面來(lái)實(shí)現(xiàn)，并用橢球面模擬機(jī)首部位的座艙；機(jī)身用圓柱面來(lái)模擬；機(jī)尾由圓錐面來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)；機(jī)翼和垂尾用實(shí)體平面搭建的六面體來(lái)近似。載機(jī)的數(shù)學(xué)模型的坐標(biāo)原點(diǎn)取在機(jī)身軸線中點(diǎn)，從原點(diǎn)指向右邊機(jī)翼的方向?yàn)閅軸正方向，沿機(jī)身軸線指向機(jī)尾的方向?yàn)閄軸正方向，垂直于機(jī)身軸線并指向垂尾的方向?yàn)閆軸正方向，建立了如圖1所示的右手螺旋坐標(biāo)系。該載機(jī)模型機(jī)身半徑0.6m，機(jī)身長(zhǎng)14.57m，翼展8.78m，天線放置在機(jī)身背部中心。

圖1 某型戰(zhàn)斗機(jī)簡(jiǎn)化模型

3 機(jī)載天線方向圖的分析

機(jī)載天線在水平面上的方向圖，是導(dǎo)航天線的一個(gè)重要指標(biāo)，因此本文主要分析了某L波段導(dǎo)航天線在水平面上的方向圖。

3.1 算法的選擇

飛機(jī)表面采用三角網(wǎng)格劃分，除了離天線位置較近的地方網(wǎng)格尺寸為，其余部分均為。飛機(jī)模型的網(wǎng)格數(shù)較多，MOM不僅計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，而且所需內(nèi)存較多；采PO和UTD在精度上又相對(duì)較差。綜合比較了FEKO中幾種算法，最后選擇MLFMM進(jìn)行仿真，該算法不僅可以極大的減少計(jì)算時(shí)間，降低內(nèi)存使用，而且在精度上與MOM又幾乎相同^{[5, 6]}。以一個(gè)工作在300MHz的有限大圓平面上單極子天線的分析為例，對(duì)使用MOM和MLFMM計(jì)算時(shí)的情況進(jìn)行了比較，如表1所示。

從表1中可以看出MLFMM比MOM的計(jì)算時(shí)間減少了6倍，所需內(nèi)存降低了約6.6倍，而遠(yuǎn)場(chǎng)基本一致，僅差了0.05dB。

表1 MOM和MLFMM的比較