Ansys HFSS 在天线罩电性能分析中的应用研究

    为了分析天线罩的功率传输系数、瞄准线误差等电气性能参数，需要将天线或罩体旋转不同的角度，获取该状态下的天线辐射方向图。在仿真过程中，采用天线静止、天线罩相对天线旋转的方法，通过计算天线罩旋转不同角度时天线的辐射方向图得出天线罩的功率传输系数和瞄准线误差曲线。在HFSS 软件中，可以设置天线罩的旋转角度为一个变量，通过对该变量进行扫参计算，可以自动计算并存储天线罩旋转不同角度时的天线辐射方向图。如图3 所示，图中给出了天线罩旋转不同角度时天线口面法线方向附近的差方向图。从图中可以看出，由于天线罩的影响，单脉冲天线差方向图的零深位置以及零深值都发生了变化，通过读取零深位置，便可得出带罩天线的零深位置曲线，将这些值与在此之前已经仿真得出的不带罩时天线的零深位置相减，便可得出天线罩的瞄准线误差。

    3 Ansys HFSS 软件的仿真设置探讨

    3.1 Ansys HFSS 软件的计算精度

    对于频域问题的求解，有限元法是各种数值算法中最为成熟可靠的算法。使用有限元法，一旦确定了控制方程及计算求解区域，就需要进行网格剖分。在有限元分析步骤中，网格剖分是非常重要的一步，其直接影响到计算机内存需求、计算时间和数值结果的精确度。

    借助 Ansys HFSS 软件自带的自适应剖分网格工具，逐步细化剖分天线和天线模型，可以高精度地仿真计算天线和天线罩的电气性能，消除了射线追踪法带来的远场近似问题，提高了 设计精度，大大提高了试验成功率，降低了研制周期。图4 为天线罩的网格剖分模型，图中的天线罩被分解成一个个微小的四面体，通过求解各个四面体的边值问题，便可实现天线罩的仿真。

图4 天线罩的网格剖分模型

    3.2 模型和计算空间的精简

   应用HFSS 进行仿真，其计算区域直接影响着计算速度和计算精度。计算空间太大，导致网格数量增多，消耗大量的内存和计算时间却并不能提高计算精度；计算空间太小，无法完成预定区域的仿真，影响了系统的计算精度。因此在仿真天线罩的时候，需要根据具体需要对天线和天线罩的模型进行简化，以期待在不影响计算精度的前提下提高计算速度。对于单脉冲体制的天线，可以将天线中诸如和差器等组件删除，只需保留辐射波导和耦合波导，通过对耦合波导激励实现和差波束的控制。除此之外，对于天线基本辐射不到的天线罩根部区域，根据具体要求也可以进行裁剪，这将极大地节约计算量，提高计算速度。

    3.3 辐射边界的设置

    Ansys HFSS 软件中辐射边界的设置直接影响了远场方向图的结果。由于仿真过程中，天线罩沿转动中心旋转，而距离罩体四分之一波长的矩形辐射边界同样在旋转，导致了罩体旋转不同角度时辐射边界相对天线是变化的，这带来了远场方向图的计算误差，应将辐射边界保持相对天线位置不变，同时保证天线罩始终在辐射边界之内，这就需要扩大辐射边界，势必导致计算时间大幅度提高，因此这种设置需要在计算机硬件配置很高的前提下应用。

    4 结论

    本文借助Ansys HFSS 软件，研究了电磁仿真软件在天线罩电气性能分析中的应用。通过介绍天线罩壁厚的设计、几何模型建立方法和 HFSS 软件的仿真设置，给出了应用电磁仿真软件进行天线罩电气性能分析的具体方案，验证了该方法的可行性，并且对 HFSS 软件的仿真设置进行了研究和探讨。

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