1 引言

機(jī)載相控陣天線方向圖的預(yù)測是電磁計算領(lǐng)域的一個帶有挑戰(zhàn)性的課題。由于機(jī)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單元眾多，因此無法直接用商業(yè)軟件仿真模擬天線的受擾方向圖。而且，限于計算資源，單純采用有限元法（FEM）、矩量法（MOM）、時域有限差分法（FDTD）等數(shù)值計算方法難以實現(xiàn)。因此，比較務(wù)實的研究線路是以一致性幾何繞射理論（UTD）為主，計算機(jī)載平臺對天線方向圖畸變的影響。

本文結(jié)合實際工程，采用ANSOFT HFSS對天線單元進(jìn)行仿真，然后按照天線陣列理論，采用方向圖乘積定理計算出天線陣列的未受擾方向圖。將此未受擾方向圖的矢量場分布取代天線陣列，作為“源”代入UTD算法，分析計算了載機(jī)對相控陣天線方向圖的影響，為機(jī)載天線位置優(yōu)化配置以及電磁兼容預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。

2 計算模型和計算公式

UTD的繞射系數(shù)是通過平面波在理想導(dǎo)電劈上的繞射和在理想導(dǎo)電圓柱上的繞射兩個典型問題的解推廣得到的。在利用UTD分析機(jī)載天線輻射方向特性時，首先應(yīng)將載機(jī)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(jī)模型

模型由平板、圓柱和圓錐組合而成。由于UTD計算的目標(biāo)要求是電大目標(biāo)，因此一些細(xì)節(jié)部分做了適當(dāng)?shù)暮喕??？紤]到天線的安裝位置在飛機(jī)頂部，以及高頻算法的局部性原理，這樣的簡化在工程實踐中是可以接受的。因此，計算飛機(jī)體對天線輻射方向圖的影響就歸結(jié)為計算下列場分量：1）直射場；2）反射場；3）曲面繞射場；4）邊緣繞射場；5）二次及二次以上繞射場。其總散射場為各部分散射場之和：

(1)

其中，為各類射線場（如直射、反射、繞射、高次繞射等），為飛機(jī)組件的總個數(shù)，為該射線的遮擋因子（＝1，無遮擋；＝0，有遮擋）。

在利用UTD方法進(jìn)行計算的時候，往往需要入射場。對于形式簡單的天線，比如單極子天線，反射點或者繞射點處入射場的求解是比較簡單的。然而對于相控陣天線這樣的復(fù)雜天線，要準(zhǔn)確計算反射點或者繞射點處的入射場就變成一件非常困難的事情。為了解決這個問題，先對相控陣天線利用ANSOFT HFSS進(jìn)行分析，得出天線的近區(qū)矢量場分量，以此作為起點，用UTD程序計算該近區(qū)場在通過機(jī)身的遮擋、反射、繞射以后的遠(yuǎn)區(qū)效應(yīng)。因此矢量場就成為UTD方法與HFSS的一個接口。

3 相控陣天線未受擾方向圖的估算

由于相控陣天線單元眾多，因此無法對整個天線陣列采用HFSS進(jìn)行仿真。然而，天線陣列的未受擾近區(qū)矢量場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，將每一個單元的矢量場乘以陣因子，計算出整體天線陣列的矢量場分布。

本文研究的機(jī)載相控陣天線為80×8的平面陣列，天線工作頻率3.0GHz。天線單元如圖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 天線單元

圖3 天線單元方向圖