HFSS结合UTD计算机载天线方向图
1、引言
机载相控阵天线方向图的预测是电磁计算领域的一个带有挑战性的课题。由于机载平台在很多工作频段是电大尺寸的平台，并且考虑到相控阵天线单元众多，因此无法直接用商业软件仿真模拟天线的受扰方向图。而且，限于计算资源，单纯采用有限元法(FEM)、矩量法(MOM)、时域有限差分法(FDTD)等数值计算方法难以实现。因此，比较务实的研究线路是以一致性几何绕射理论(UTD)为主，计算机载平台对天线方向图畸变的影响。
本文结合实际工程，采用ANSOFT HFSS对天线单元进行仿真，然后按照天线阵列理论，采用方向图乘积定理计算出天线阵列的未受扰方向图。将此未受扰方向图的矢量场分布取代天线阵列，作为“源”代入UTD算法，分析计算了载机对相控阵天线方向图的影响，为机载天线位置优化配置以及电磁兼容预测奠定了基础。
2、计算模型和计算公式
UTD的绕射系数是通过平面波在理想导电劈上的绕射和在理想导电圆柱上的绕射两个典型问题的解推广得到的。在利用UTD分析机载天线辐射方向特性时，首先应将载机进行分解，分解成许多能利用UTD求解的典型部件的组合，如图1所示。
模型由平板、圆柱和圆锥组合而成。由于UTD计算的目标要求是电大目标，因此一些细节部分做了适当的简化。考虑到天线的安装位置在飞机顶部，以及高频算法的局部性原理，这样的简化在工程实践中是可以接受的。因此，计算飞机体对天线辐射方向图的影响就归结为计算下列场分量：1)直射场;2)反射场;3)曲面绕射场;4)边缘绕射场;5)二次及二次以上绕射场。其总散射场为各部分散射场之和：
(1)
其中，
为各类射线场(如直射、反射、绕射、高次绕射等)，
为飞机组件的总个数，
为该射线的遮挡因子(
=1，无遮挡;
=0，有遮挡)。
在利用UTD方法进行计算的时候，往往需要入射场。对于形式简单的天线，比如单极子天线，反射点或者绕射点处入射场的求解是比较简单的。然而对于相控阵天线这样的复杂天线，要准确计算反射点或者绕射点处的入射场就变成一件非常困难的事情。为了解决这个问题，先对相控阵天线利用ANSOFT HFSS进行分析，得出天线的近区矢量场分量，以此作为起点，用UTD程序计算该近区场在通过机身的遮挡、反射、绕射以后的远区效应。因此矢量场就成为UTD方法与HFSS的一个接口。
3、相控阵天线未受扰方向图的估算
由于相控阵天线单元众多，因此无法对整个天线阵列采用HFSS进行仿真。然而，天线阵列的未受扰近区矢量场分布又是下一步计算所必需的，因此只能采用方向图乘积定理进行估算，将每一个单元的矢量场乘以阵因子，计算出整体天线阵列的矢量场分布。
本文研究的机载相控阵天线为80×8的平面阵列，天线工作频率3.0GHz。天线单元如图2所示，采用HFSS计算出的单元因子立体方向图如图3所示。
根据方向图乘积定理，将单元因子与阵因子相乘得到阵列天线的立体方向图，其中和波束方向图如图4所示，差波束方向图如图5所示。此时的方向图都是未受扰方向图，也就是飞机不存在时的立体方向图。
(a)yoz面
(b)xoz面
(a)yoz面
(b)xoz面
