基于FEKO的天线罩瞄准误差分析*

刘 谊, 杨丽娜, 侯 瑞

(中国空空导弹研究院, 河南洛阳 471009)

基于FEKO的天线罩瞄准误差分析*

刘 谊, 杨丽娜, 侯 瑞

(中国空空导弹研究院, 河南洛阳 471009)

文中采用FEKO软件对天线罩的瞄准误差进行了仿真分析。直接对真实带罩天线进行仿真,计算量过于巨大,通常工作站难以支持,因此采用等效源方法进行仿真。仿真步骤如下:首先仿真天线口面附近的等效近场;然后将等效近场作为激励源放入天线罩模型中,计算带罩天线远场差方向图;对比带罩与无罩远场差方向图零点位置的变化得出天线罩的瞄准误差。仿真结果与实测结果吻合很好,验证了仿真方法的准确性。

天线罩;瞄准误差;分析;FEKO

0 引言

导弹天线罩是导引头天线的保护装置,它的引入,无可避免的对天线的辐射特性产生畸变,尤其是会改变天线差方向图零点位置,即产生了瞄准误差[1-2]。瞄准误差的存在严重影响导弹的制导精度,需对其进行精确分析。

天线罩属于电大尺寸结构,若采用全波方法,如有限元法(FEM)、矩量法(MOM)仿真计算天线罩瞄准误差,运算量过于巨大,受限于算法复杂度和计算机硬件水平,难以广泛应用[3-4]。长期以来,天线罩瞄准误差仿真计算主要依赖于几何光学法(GO)、物理光学法(PO)以及物理光学法和矩量法的混合算法[5-10],其仿真精度有限,难以对天线罩设计起到很好的指导作用。随着电磁仿真软件和计算机硬件的更新发展,采用商用电磁仿真软件对天线罩瞄准误差精确计算逐渐变得实用[11]。

FEKO软件是Altair公司旗下的一款三维全波电

磁仿真软件。该软件在分析电大尺寸问题时采用多层快速多极子方法(MLFMM),与传统矩量法(MOM)相比,在保持较高计算精度的同时,大大的提高了计算效率,因而比较适合分析天线罩电气性能。

文中采用FEKO软件对导弹天线罩的瞄准误差进行了仿真计算,给出了天线与天线罩建模仿真的流程,并与实测结果进行了对比评价。

1 瞄准误差定义

天线罩引起的天线电轴位置量偏转称为瞄准误差。

瞄准误差为无罩天线电轴与带罩天线电轴的空间夹角,通常将其分解投影到两个正交平面(主平面和交叉平面)上进行表征。过天线轴线与天线罩轴线的平面称为主平面,过天线轴线且与主平面垂直的平面称为交叉平面。瞄准误差在上述两平面的投影分别称为主平面瞄准误差(MBSE)和交叉平面瞄准误差(CBSE)[12-13]。

2 天线天线罩建模

2.1 概述

如果将天线和天线罩模型放在一个仿真文件下进行仿真,由于二者之间的互耦,计算量极大,普通工作站硬件配置难以满足仿真要求。

FEKO软件支持近场等效源技术,对于复杂的阵列天线,能够计算得到其口面辐射近场,然后利用口面辐射近场作为激励源分析天线罩的透波特性,以降低计算的复杂度。天线罩电气性能仿真步骤如下:

a)天线近场仿真:建立真实的阵列天线模型,仿真其球冠面近场方向图和远场方向图。天线球冠面近场必须覆盖整个天线辐射口径,以保证绝大部分电磁波从近场面穿过;同时近场面必须足够小,以保证天线与天线罩相对转动时,天线近场不与天线罩壁相交。对比仿真与实测远场方向图,判断天线仿真的准确性。

b)带罩天线远场仿真:将天线的差近场分布放入天线罩模型中,保证二者之间相对位置关系与真实产品相符;将天线罩模型依次转动多个角度,仿真带罩天线远场差方向图。

c)瞄准误差处理生成:对比带罩与无罩天线远场差方向图零点的偏移,可得天线罩在该差通道方向上的瞄准误差;将两个差通道的瞄准误差在主平面上分解合成,可得天线罩MBSE和CBSE。

2.2 天线建模仿真

防空导弹常用波导缝隙阵天线作为导引头天线,其具有一个和通道和两个方向正交的差通道(差Y通道和差Z通道)。

建立波导缝隙阵天线模型,分别对天线两个差通道端口激励,采用MLFMM方法仿真得出天线的差通道远场和近场方向图,如图1、图2所示。

2.3 天线罩建模仿真

建立天线罩模型。为减少仿真工作量,模型只涵盖天线阵面之前区域以及阵面后小范围的区域,包括金属雨蚀头、陶瓷头锥。

对天线罩头部曲率变化较大区域划分精细网格,对天线罩其他区域划分粗网格,整个天线罩模型共约22万个面网格。

将天线的等效近场置入天线罩模型中,保证二者相对位置及运动关系与真实产品相符,如图3所示。在每一个转角上,采用MLFMM法计算差通道的远场方向图,部分结果如图4所示,可见带罩后,差方向图零点有偏移,零深有抬升。

2.4 瞄准误差处理

通常测试和仿真天线罩在0°极化、45°极化、90°极化下的电气性能,用于表征天线罩所有极化下的电性能极值。极化角度的定义为天线电场极化方向与主平面的夹角。

天线罩瞄准误差测试和仿真时,首先得到差Y通道和差Z通道上的瞄准误差分量,将其分解合成到主平面和交叉平面上,见式(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分别为差Y通道、差Z通道瞄准误差;φΔY、φΔZ分别为差Y通道、差Z通道方向在天线阵面上的方位角;φ为电场极化方向与主平面的夹角,即天线罩电性能测试的极化角度。

2.5 仿真资源及运算量

天线罩仿真软件为FEKO 7.0.1版软件;硬件为DELL公司的Precision R7610刀片机,其处理器为Intel(R)Xeon(R) CPU E5-2680,共16核,内存128 GB。

使用30个线程(对应15个核)进行天线罩仿真,过程中调用计算机内存约70～80 GB。单通道、单极化角度、单个相对转角位置仿真耗时约1 h,所有曲线仿真总耗时约100 h。

3 案例分析

3.1 天线理论与实测方向图

波导裂缝阵天线两个差通道归一化远场方向图实测结果与仿真结果如图5、图6所示。由图可见:

a)由等效近场得出的远场方向图(图5、图6中图例为“仿真2”的曲线)与天线模型直接仿真的方向图(图5、图6中图例为“仿真1”的曲线)吻合非常好,故等效近场选取方式合理。

b)天线方向图仿真曲线与实测曲线吻合很好,差方向图零深、波束分离角、和差矛盾等信息仿真结果很精确,故用于天线罩电性能仿真的天线模型及近场数据足够精确。

3.2 天线罩理论与实测瞄准误差

天线罩在0°极化、45°极化、90°极化下的MBSE仿真曲线与实测曲线对比如图7、图8、图9所示,CBSE通常很小,在此不予论述。由图可见,仿真与实测曲线的吻合较好,仿真方法和模型较为准确可信。

图9 天线罩90°极化MBSE仿真与实测曲线几何光学法计算量很小,但精度比较差,文献[6]中的算例与文中相似,计算时间只有数秒,但瞄准误差计算误差约6′～8′。MLFMM法内存需求O(N·logN),CPU时间为O(N·log2N),N为未知量。MOM法原理更为精确,其内存需求为O(N2),CPU时间为O(N3),2.5节中硬件配置工作站无法支持。综合计算精度和时间,MLFMM是一种较为适宜的天线罩仿真算法。

4 结论

文中给出了一种基于FEKO软件仿真天线罩瞄准误差的方法。采用近场等效源技术避免了仿真天线与天线罩之间互耦,极大的降低了计算量,同时具有较好的精度。仿真结果与实测结果吻合很好,证明本方法足够准确,可作为天线罩电性能设计的重要手段。

[1] 彭望泽. 防空导弹天线罩 [M]. 北京: 宇航出版社, 1993: 2-3.

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[3] 朱淑梅. 基于电大尺寸物体的有限元/物理光学法比较 [J]. 电子测试, 2007(10): 35-36.

[4] 吴秉横, 刘元云, 顾昊, 等. 电磁仿真软件在天线罩电气性能分析中的应用 [J]. 制导与引信, 2011, 32(2): 39-42.

[5] 宋银锁. 天线-天线罩系统的方向性图计算 [J]. 航空兵器, 2002(5): 8-11.

[6] 侯瑞. 用三维射线追踪法计算天线罩的电性能 [C]∥第二届中国航空学会青年科技论坛文集, 2006: 255-262.

[7] 张强. 天线罩理论与设计方法 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2014: 51-78.

[8] 张强, 曹伟. 基于曲面口径积分/几何光学的天线罩混合分析 [J]. 电波科学学报, 2003, 18(4): 418-422.

[9] 万国宾. 带罩天线与有限阵列结构分析 [D]. 西安：西安交通大学. 2000: 22-37.

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

[11] 吴秉横, 顾昊, 冯红全, 等. 基于FEKO的天线罩瞄准线误差分析 [J]. 制导与引信, 2012, 33(3): 33-36.

[12] 陈奇波, 贾文元, 杨可忠, 等. 天线术语: GJB2436—1995 [S]. 北京: 国际科学技术工业委员会, 1995.

[13] 侯瑞, 刘弘民. 空空导弹天线罩规范: Q/AVIC 60023—2016 [S]. 北京: 中国航空工业集团公司, 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

刘谊(1979-),男,河北正定人,硕士,研究方向:天线罩设计。