基于FEKO的機載導航天線(xiàn)方向圖分析

1 引言

機載天線(xiàn)輻射方向圖特性的研究是導航天線(xiàn)與載體綜合性能分析的重要方面。采用實(shí)測的方法，不僅獲得的測量數據較少，而且造成大量的人員浪費和經(jīng)濟損失。隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，現在大多采用電磁仿真軟件進(jìn)行機載天線(xiàn)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約研究的成本。FEKO是一款用于3D結構電磁場(chǎng)分析的仿真軟件，其計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軟件對某載機進(jìn)行建模，其次分析了L波段導航天線(xiàn)放置在飛機背部中心時(shí)飛機各個(gè)部分對天線(xiàn)水平面方向圖的影響，最后對使用FEKO仿真不同電大尺寸物體時(shí)的計算量、計算時(shí)間和內存使用進(jìn)行了比較。

2 載機簡(jiǎn)化模型的建立

本文使用FEKO軟件建立了某新型載機的仿真計算簡(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，結合FEKO中提供的建模功能對飛機結構進(jìn)行了簡(jiǎn)化，只將對天線(xiàn)方向圖影響較大的機頭，機身，機尾，主翼，垂尾進(jìn)行近似，其他部分予以省略。其中，機首用兩個(gè)圓錐面來(lái)實(shí)現，并用橢球面模擬機首部位的座艙；機身用圓柱面來(lái)模擬；機尾由圓錐面來(lái)實(shí)現現；機翼和垂尾用實(shí)體平面搭建的六面體來(lái)近似。載機的數學(xué)模型的坐標原點(diǎn)取在機身軸線(xiàn)中點(diǎn)，從原點(diǎn)指向右邊機翼的方向為Y軸正方向，沿機身軸線(xiàn)指向機尾的方向為X軸正方向，垂直于機身軸線(xiàn)并指向垂尾的方向為Z軸正方向，建立了如圖1所示的右手螺旋坐標系。該載機模型機身半徑0.6m，機身長(cháng)14.57m，翼展8.78m，天線(xiàn)放置在機身背部中心。

圖1 某型戰斗機簡(jiǎn)化模型

3 機載天線(xiàn)方向圖的分析

機載天線(xiàn)在水平面上的方向圖，是導航天線(xiàn)的一個(gè)重要指標，因此本文主要分析了某L波段導航天線(xiàn)在水平面上的方向圖。

3.1 算法的選擇

飛機表面采用三角網(wǎng)格劃分，除了離天線(xiàn)位置較近的地方網(wǎng)格尺寸為，其余部分均為。飛機模型的網(wǎng)格數較多，MOM不僅計算時(shí)間較長(cháng)，而且所需內存較多；采PO和UTD在精度上又相對較差。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算時(shí)間，降低內存使用，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(xiàn)的分析為例，對使用MOM和MLFMM計算時(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的計算時(shí)間減少了6倍，所需內存降低了約6.6倍，而遠場(chǎng)基本一致，僅差了0.05dB。

表1 MOM和MLFMM的比較