Ansys HFSS 在天线罩电性能分析中的应用研究

    【摘要】为实现天线罩电气性能参数的精确仿真，利用基于有限元方法的 Ansys HFSS 软件对天线罩进行仿真分析。该仿真方法建模方便、便于更改，完全模拟天线罩的实际工作状态，具有计算精度高、可靠性强等特点，有效解决了传统的高频近似算法分析天线罩电性能自身具有的精度偏低等问题。

1 引言

    随着武器装备的发展，对天线罩的电性能设计提出了越来越高的要求，传统的几何光学、 物理光学等近似算法由于精度偏低、误差偏大等缺点，已难以满足天线罩的设计分析要求，成为天线罩设计的重要瓶颈之一。在计算机飞速发展的基础之上，随着计算机的硬件配置不断更 新以及仿真软件的普及，天线罩的电性能设计步入了一个崭新的领域，借助电磁仿真软件的天线罩电性能设计成为研究热点之一。

    目前微波领域中几种常用的仿真软件主要有基于有限元算法（Finite Element Method, FEM）的 Ansys HFSS 软件、基于时域有限积分方法（Finite Integration Method in Time Domain, FIMTD）的 CST Microwave Studio 和基于矩量法（Method of Moment, MOM）的FEKO 软件等，其中Ansys HFSS 软件具有结构适应性好、适合求解介质、精度高、速度快等特点，同时广泛应用于单脉冲天线的仿真设计，因此在天线罩的仿真设计领域，HFSS 软件具有良好的应用前景。

    本文对应用电磁仿真软件分析天线罩电气性能的方法进行了研究，分别给出了天线罩的建 模和仿真流程，并对 HFSS 软件的仿真设置进行了深入地探讨。

    2 天线罩的几何建模和仿真分析

     2.1 天线罩的壁厚设计

    天线罩的初始法向壁厚基于几何光学-二维射线追踪理论，具体的壁厚设计公式

式中，λ 为波长，εr 为罩体材料的介电常数，θ为入射角。令m =1 即确定了天线罩的半波 壁厚设计公式。由此可知，在已知天线的工作频率以及罩体材料的介电常数的前提下，只要确定了入射角θ ，便可确定天线罩的初始壁厚。

    由于安装于天线罩腔内的天线工作时在一定的转角范围内旋转扫面，因此对于天线罩表面的每一点，入射角都有一个变化范围，这些入射角分别是天线孔径面上各条射线产生。对于天线罩表面上某一个需要求解壁厚的点，根据总体给出的外形线方程，求出天线在旋转不同角度 时天线口面垂直射出且通过该点的射线，便可求出该点在各种转角下的入射角，然后根据这些射线所含能量的轻重关系进行逻辑分析从而可以求出平均入射角作为该点的入射角θ 代入公 式（1），从而求出该点的初始法向壁厚。

    依据上述壁厚设计的天线罩可以保证电磁波以最小的能量损耗穿过天线罩，然而天线罩的 各项电气性能参数中，除了表征电磁波穿透特性的功率传输系数以外，还有瞄准线误差以及瞄 准线误差斜率等更为关键的参数。因此在确定了天线罩的初始壁厚之后，需要对此天线罩的电 气性能进行分析，通过仿真结果改进天线罩的设计参数，即对天线罩的法向壁厚进行优化，最 终获得满意的天线罩法向壁厚设计结果。

    2.2 天线罩三维几何模型的建立 

    为了实现天线罩的电气性能分析，在确定了天线罩的法向壁厚之后，需要对天线罩进行建模。根据总体给出的外形母线方程以及法向壁厚，借助MATLAB 软件，计算出天线罩的内形曲线坐标。为了精确的构造天线罩模型，借助Solidedge 结构软件，选择“按表创建曲线”，将存在Excel 表格中的外形线和内形线坐标导入，根据样条函数拟合曲线，构造天线罩罩体，罩体的结构如图1 所示。将该模型导出为.sat 文件，便可导入电磁仿真软件，分析天线罩的电气性能。

图1 天线罩的罩体结构

    2.3 天线罩电气性能的仿真分析

    天线罩的电气性能参数主要包括功率传输系数、瞄准线误差和瞄准线误差斜率等指标，目前仿真分析天线罩电气性能的方法可分为高频方法和低频方法两种。其中高频近似法主要以几何光学和物理光学理论为基础，而低频数值方法则是以麦克斯韦电磁场理论为基础。

    在众多高频近似法之中，射线追踪法因其物理概念简单，操作简单易行等特点，成为天线罩工程中重要的分析手段。该方法利用射线追踪技术计算天线口面垂直发出的若干条射线穿透天线罩时的幅度和相位变化，通过一系列推导计算得出天线罩的功率传输系数和瞄准线误差等参数。然而，高频方法由于将电磁波等效为平面波，同时忽视了电磁波在天线罩与天线之间 的多次反射，因此存在一定的误差，尤其对于罩体的曲率半径较小的情况，计算精度明显不足。随着高速大容量计算机的应用，一些低频的电磁仿真方法相继引入到天线罩的电气性能分析中。借助成熟的商用软件，工程师们可以方便地运用这些电磁仿真方法完成仿真。在众多电磁仿真软件之中，基于有限元方法的 Ansys HFSS软件以其良好的用户界面和精确的计算精度在天线和 天线罩仿真领域具有重要的地位和广阔的应用前景。

    应用HFSS 进行天线罩仿真，首先将在Solidedge 中建立的天线罩.sat 文件导入到 HFSS 软件中，同时导入天线模型文件，通过总体给出的天线罩和天线以及转动中心的相对关系，借助平移、旋转等指令将天线和天线罩移动到其实际工作状态所在的位置，并且确定模型中各个部分的材料以及介电常数。

    为了分析远场辐射特性，在确定了天线和天线罩的具体位置之后，还需画出一个距辐射源 足够远的透明辐射表面，设置为辐射边界。本文以一个矩形盒子作为辐射边界，并放在离天线罩大约四分之一波长的位置，软件将通过在此虚拟盒子上进行积分来求解远场辐射特性，以得到远场方向图等指标，如图2 为天线罩仿真辐射边界的设置。

 图2 天线罩仿真辐射边界的设置

图3 带罩天线的差方向图

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