1 引言

機(jī)載相控陣天線方向圖的預(yù)測(cè)是電磁計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)帶有挑戰(zhàn)性的課題。由于機(jī)載平臺(tái)在很多工作頻段是電大尺寸的平臺(tái)，并且考慮到相控陣天線單元眾多，因此無法直接用商業(yè)軟件仿真模擬天線的受擾方向圖。而且，限于計(jì)算資源，單純采用有限元法（FEM）、矩量法（MOM）、時(shí)域有限差分法（FDTD）等數(shù)值計(jì)算方法難以實(shí)現(xiàn)。因此，比較務(wù)實(shí)的研究線路是以一致性幾何繞射理論（UTD）為主，計(jì)算機(jī)載平臺(tái)對(duì)天線方向圖畸變的影響。

本文結(jié)合實(shí)際工程，采用ANSOFT HFSS對(duì)天線單元進(jìn)行仿真，然后按照天線陣列理論，采用方向圖乘積定理計(jì)算出天線陣列的未受擾方向圖。將此未受擾方向圖的矢量場(chǎng)分布取代天線陣列，作為“源”代入UTD算法，分析計(jì)算了載機(jī)對(duì)相控陣天線方向圖的影響，為機(jī)載天線位置優(yōu)化配置以及電磁兼容預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

2 計(jì)算模型和計(jì)算公式

UTD的繞射系數(shù)是通過平面波在理想導(dǎo)電劈上的繞射和在理想導(dǎo)電圓柱上的繞射兩個(gè)典型問題的解推廣得到的。在利用UTD分析機(jī)載天線輻射方向特性時(shí)，首先應(yīng)將載機(jī)進(jìn)行分解，分解成許多能利用UTD求解的典型部件的組合，如圖1所示。

圖1 某飛機(jī)模型

模型由平板、圓柱和圓錐組合而成。由于UTD計(jì)算的目標(biāo)要求是電大目標(biāo)，因此一些細(xì)節(jié)部分做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化?？紤]到天線的安裝位置在飛機(jī)頂部，以及高頻算法的局部性原理，這樣的簡(jiǎn)化在工程實(shí)踐中是可以接受的。因此，計(jì)算飛機(jī)體對(duì)天線輻射方向圖的影響就歸結(jié)為計(jì)算下列場(chǎng)分量：1）直射場(chǎng)；2）反射場(chǎng)；3）曲面繞射場(chǎng)；4）邊緣繞射場(chǎng)；5）二次及二次以上繞射場(chǎng)。其總散射場(chǎng)為各部分散射場(chǎng)之和：

(1)

其中，為各類射線場(chǎng)（如直射、反射、繞射、高次繞射等），為飛機(jī)組件的總個(gè)數(shù)，為該射線的遮擋因子（＝1，無遮擋；＝0，有遮擋）。

在利用UTD方法進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，往往需要入射場(chǎng)。對(duì)于形式簡(jiǎn)單的天線，比如單極子天線，反射點(diǎn)或者繞射點(diǎn)處入射場(chǎng)的求解是比較簡(jiǎn)單的。然而對(duì)于相控陣天線這樣的復(fù)雜天線，要準(zhǔn)確計(jì)算反射點(diǎn)或者繞射點(diǎn)處的入射場(chǎng)就變成一件非常困難的事情。為了解決這個(gè)問題，先對(duì)相控陣天線利用ANSOFT HFSS進(jìn)行分析，得出天線的近區(qū)矢量場(chǎng)分量，以此作為起點(diǎn)，用UTD程序計(jì)算該近區(qū)場(chǎng)在通過機(jī)身的遮擋、反射、繞射以后的遠(yuǎn)區(qū)效應(yīng)。因此矢量場(chǎng)就成為UTD方法與HFSS的一個(gè)接口。

3 相控陣天線未受擾方向圖的估算

由于相控陣天線單元眾多，因此無法對(duì)整個(gè)天線陣列采用HFSS進(jìn)行仿真。然而，天線陣列的未受擾近區(qū)矢量場(chǎng)分布又是下一步計(jì)算所必需的，因此只能采用方向圖乘積定理進(jìn)行估算，將每一個(gè)單元的矢量場(chǎng)乘以陣因子，計(jì)算出整體天線陣列的矢量場(chǎng)分布。

本文研究的機(jī)載相控陣天線為80×8的平面陣列，天線工作頻率3.0GHz。天線單元如圖2所示，采用HFSS計(jì)算出的單元因子立體方向圖如圖3所示。

圖2 天線單元

圖3 天線單元方向圖