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

3.2 方向圖分析

所研究的L波段導(dǎo)航天線為采用了印刷結(jié)構(gòu)形式的套筒天線，整個(gè)天線高96mm，寬70mm，在水平面具有全向性。用FEKO軟件計(jì)算了將該天線放置在該飛機(jī)模型背部幾何中心時(shí)，該天線在中頻時(shí)水平面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，如圖2、圖3、圖4、圖5所示。在圖中，1表示天線帶有限大地板時(shí)的方向圖;2表示將天線放置在飛機(jī)上，飛機(jī)僅有機(jī)身時(shí)的方向圖;3表示將天線放置在飛機(jī)上，飛機(jī)為機(jī)身帶座艙時(shí)的方向圖;4表示將天線放在飛機(jī)上，飛機(jī)為機(jī)身帶座艙和垂尾時(shí)的方向圖;5表示將天線放在完整的飛機(jī)模型上時(shí)的方向圖。從圖2中可以看出，由于機(jī)身的影響，天線在整個(gè)平面上的方向圖增大2dB左右，在±20°和180°附近有一個(gè)小的突起，這是由于機(jī)身中間部位略細(xì)。從圖3中可以看出，由于受機(jī)頭部位座艙的影響，天線方向圖在170°-190°之間產(chǎn)生了變形，向下凹陷了1dB左右。從圖4可以看出，垂尾對(duì)天線在水平面的方向圖有較大的影響，在±30°之間產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變。從圖5可以看出，機(jī)翼對(duì)機(jī)載天線在水平面的方向圖基本上沒(méi)有影響。

綜合以上分析，該導(dǎo)航天線的水平面方向圖，除了受垂尾影響，在±30°之間有嚴(yán)重的畸變，其他方向基本保持不變。因此，要使該導(dǎo)航天線在飛機(jī)上獲得較好的水平面方向圖，必須要減小垂尾對(duì)天線方向圖的影響。

圖2 機(jī)身對(duì)水平面方向圖的影響[!--empirenews.page--]

圖3 座艙對(duì)水平面方向圖的影響

圖4 垂尾對(duì)水平面方向圖的影響

圖5 機(jī)翼對(duì)水平面方向圖的影響

3.3 計(jì)算量分析

電大尺寸問(wèn)題的求解中，一個(gè)重要的問(wèn)題就是計(jì)算量較大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，需要很多的內(nèi)存。從3.2節(jié)的分析中可以看出，機(jī)翼對(duì)水平面方向圖基本上沒(méi)有什么影響，因此，在計(jì)算機(jī)載天線水平面方向圖時(shí)，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，將機(jī)翼去掉，只保留垂尾，從而減少網(wǎng)格數(shù)，縮短計(jì)算時(shí)間，降低內(nèi)存使用。以本文的飛機(jī)模型為例，在中頻時(shí)去掉機(jī)翼后模型的網(wǎng)格數(shù)減少了差不多一半，計(jì)算時(shí)間縮短了約一半，所需內(nèi)存也降低了一半，如表2所示。

表2  整個(gè)模型與去掉機(jī)翼模型的比較

該模型計(jì)算時(shí)使用的計(jì)算機(jī)為雙核64位，主頻3.00GHz，內(nèi)存8G。在三個(gè)頻點(diǎn)上，F(xiàn)EKO計(jì)算該模型時(shí)所包含得網(wǎng)格數(shù)、未知量、在機(jī)身方向上計(jì)算的最多波長(zhǎng)數(shù)、計(jì)算時(shí)間和所需內(nèi)存，如表3所示。在表3中可以看到，計(jì)算低頻時(shí)用了較長(zhǎng)的時(shí)間，這是因?yàn)樵谶@個(gè)頻率上劃分的網(wǎng)格尺寸對(duì)于默認(rèn)的收斂目標(biāo)收斂性不好，F(xiàn)EKO在計(jì)算時(shí)迭代了較多的次數(shù)。因此，使用MLFMM計(jì)算時(shí)，在符合精度要求的前提下選擇合適的收斂目標(biāo)，可以有效的減少計(jì)算時(shí)間。表3所示的數(shù)據(jù)，對(duì)于FEKO使用MLFMM計(jì)算其他電大尺寸問(wèn)題時(shí)選擇計(jì)算資源有一定的借鑒作用。

表3  計(jì)算量比較

4 結(jié)論

本文使用FEKO軟件對(duì)機(jī)載天線建模和仿真，分析了飛機(jī)各個(gè)部分對(duì)某L波段導(dǎo)航天線水平面方向圖的影響，發(fā)現(xiàn)機(jī)身使水平面方向圖增大，垂尾使水平面方向圖產(chǎn)生畸變，機(jī)翼對(duì)水平面方向圖基本上沒(méi)有影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)使用FEKO軟件計(jì)算不同未知量時(shí)所需要的計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存進(jìn)行了比較。因此，本文對(duì)于分析其他的機(jī)載天線和電大尺寸載體有一定的參考價(jià)值。