1 引言

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

本文結合實(shí)際工程，采用ANSOFT HFSS對天線(xiàn)單元進(jìn)行仿真，然后按照天線(xiàn)陣列理論，采用方向圖乘積定理計算出天線(xiàn)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(xiàn)陣列，作為“源”代入UTD算法，分析計算了載機對相控陣天線(xiàn)方向圖的影響，為機載天線(xiàn)位置優(yōu)化配置以及電磁兼容預測奠定了基礎。

2 計算模型和計算公式

UTD的繞射系數是通過(guò)平面波在理想導電劈上的繞射和在理想導電圓柱上的繞射兩個(gè)典型問(wèn)題的解推廣得到的。在利用UTD分析機載天線(xiàn)輻射方向特性時(shí)，首先應將載機進(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 某飛機模型

模型由平板、圓柱和圓錐組合而成。由于UTD計算的目標要求是電大目標，因此一些細節部分做了適當的簡(jiǎn)化?？紤]到天線(xiàn)的安裝位置在飛機頂部，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，計算飛機體對天線(xiàn)輻射方向圖的影響就歸結為計算下列場(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(lèi)射線(xiàn)場(chǎng)（如直射、反射、繞射、高次繞射等），為飛機組件的總個(gè)數，為該射線(xiàn)的遮擋因子（＝1，無(wú)遮擋；＝0，有遮擋）。

在利用UTD方法進(jìn)行計算的時(shí)候，往往需要入射場(chǎng)。對于形式簡(jiǎn)單的天線(xiàn)，比如單極子天線(xiàn)，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。然而對于相控陣天線(xiàn)這樣的復雜天線(xiàn)，要準確計算反射點(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(wèn)題，先對相控陣天線(xiàn)利用ANSOFT HFSS進(jìn)行分析，得出天線(xiàn)的近區矢量場(chǎng)分量，以此作為起點(diǎn)，用UTD程序計算該近區場(chǎng)在通過(guò)機身的遮擋、反射、繞射以后的遠區效應。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(xiàn)未受擾方向圖的估算

由于相控陣天線(xiàn)單元眾多，因此無(wú)法對整個(gè)天線(xiàn)陣列采用HFSS進(jìn)行仿真。然而，天線(xiàn)陣列的未受擾近區矢量場(chǎng)分布又是下一步計算所必需的，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，計算出整體天線(xiàn)陣列的矢量場(chǎng)分布。

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

圖2 天線(xiàn)單元

圖3 天線(xiàn)單元方向圖