1 引言
機載天線罩(Radome)的作用是保護天線系統免受外界惡劣環境，如風沙、雨雪、冰雹、鹽霧、塵土、昆蟲及低溫和高溫天氣的損害和氣動載荷的直接影響，參與結構傳力與承載，保證天線能“全天候一全天時”工作，增加天線系統的可靠性和使用壽命，同時為天線提供電磁窗口，滿足電性能要求。對天線罩電性能的研究主要集中在其外形和工作頻率（頻帶）條件下功率傳輸效率、主瓣寬度變化、波束偏轉、零深電平抬高、功率反射等電性能項目，隨著航空電子技術的發展，天線系統對天線罩電性能指標提出了更高的要求，這就需要在設計階段進行更有效地仿真和優化。
文中采用FEKO軟件對某天線罩進行了功率傳輸效率、副瓣電平抬高、波束偏轉及零深電平抬高、功率反射等電性能項目的仿真與計算，描述了計算過程和方法。
2 天線罩電性能仿真工具與方法
機載電子戰天線罩通常具有復雜曲面外形，并且由于天線的結構形式、罩壁類型和電性能項目種類較多，利用現有的計算機資源，對天線罩電性能的仿真計算是天線罩電性能設計工作重要方面之一。如何對天線罩電性能進行快速準確仿真計算是現階段天線罩電性能設計中經常遇到的問題，其核心就是工具、方法。EMSS公司的FEKO軟件在計算電大尺寸目標上具有一定的優勢。FEKO是基于嚴格的積分方程方法，用戶無需對傳播空間進行網格劃分，FEKO軟件可以輸入高級CAD軟件（如CATIA、Pro/E等）創建的幾何模型，再自動剖分網格，滿足工程需要。
對于電大尺寸復雜曲面問題的分析，采用全波方法對幾何結構進行網格劃分時，將會產生巨大的未知量數目，導致現有計算機資源無法進行求解。在天線罩電性能仿真計算中采用多層快速多極子法(MLFMM)可在保持精度的前提下大大提高計算效率。假定N為未知量的數目，采用矩量法所需的內存規模正比于N*N，CPU運行時間正比于N*N*N；而多層快速多極子法內存需求量是正比于N*log(N)，CPU運行時間是正比于N*log(N)*log(N)。可知，多層快速多極子法具有矩量法的精度，同時又有少得多的內存需求量，很適合于處理電大尺寸問題。
利用FEKO軟件仿真并計算天線罩的電性能，通常按照以下幾步進行：(1)幾何建模和網格剖分：將天線罩CAD模型導入到FEKO中，按照MLFMM算法的需要進行網格劃分，通常采用1/8波長的單元邊長在FEKO前處理器中生成網格。同時，在CADFEKO中直接建立天線模型。針對陣列天線，也可對激勵源進行相應幅度相位加權處理，構成天線口徑。(2)求解參數設置：設置遠場求解條件、端口激勵源和端口阻抗，對于相控陣天線，設置波束掃描角度并且同時計算和差方向圖。(3)求解計算和后處理。分別計算天線及天線帶罩時遠場功率方向圖，和天線帶罩前后的電壓駐波比變化。通過對比以上天線帶罩前后的方向圖和駐波變化得到天線罩電性能項目結果。
3 天線罩電性能仿真實例
3.1天線罩幾何建模和網格剖分
天線模型在CADFEKO中創建，模型如圖1所示。將天線罩CAD模型導入到FEKO軟件中，其中，該天線罩為含加強肋的異形介質天線罩，天線及天線罩模型如圖2所示。
圖1 天線模型
圖2 天線與天線罩CAD模型
建立天線罩結構所需材料體系后，在FEKO軟件中對天線罩各結構設立材料，根據MLFMM算法的需要，采用1/8波長的單元邊長進行網格剖分，在FEKO前處理器中生成網格，生成的網格如圖3所示。
圖3 FEKO中生成的天線罩網格
在已經生成的網格上，進一步進行網格加密處理，使得計算結果精度更高，對于該天線罩，其尖部的網格需要劃分的更致密一些。由于該天線罩內部具有介質加強肋結構，故而還需對加強肋進行局部網格剖分處理，以減少計算量和增加計算精度。
3.2求解設置
天線是4單元偶極子陣列天線，如圖1所示。天線端口的饋電方式采用Edge Port饋電方式，Edge Port屬于集總端口，在天線端口上可以直接饋電，對于陣列天線，在設置天線波束合成、天線波束掃描和求解和差方向圖時，可以通過對天線端口的進行相位和幅度加權實現上述功能。
求解的方法選擇MLFMM算法，其它設置采用缺省值，分別求解天線及天線帶罩的遠場功率方向圖和天線帶罩前后端口電壓駐波比變化，以計算天線罩的各項電性能項目。
3.3求解計算和后處理
求解設置完后，對預仿真的天線及天線罩模型進行預處理，同時可看到處理的網格總數，該天線罩共生成42，000余網格，采用MLFMM算法可以較快完成對該罩的仿真計算。計算完成后，在FEKO軟件后處理器中可得到天線帶罩前后遠場功率方向圖和端口電壓駐波比變化。
4 天線罩電性能項目仿真結果
4.1天線及天線帶罩的方向圖仿真
改變四單元相控陣天線端口相位，分別計算在固定波束下天線的遠場和差功率方向圖，如圖4所示：
圖4 四單元線陣天線和差方向圖
其中，由圖4可知，方向圖角180°為天線陣列的主瓣方向，在POSTFEKO中也可得到天線陣列的四個端口電壓駐波比分別是1.93、1.85、1.47和1.36。利用FEKO軟件對天線帶罩后的結構進行仿真計算，可以得到天線帶罩后天線遠場和差功率方向圖。其中天線帶罩后四個端口的電壓駐波比分別是2.25、2.13、1.74和1.48。
通過對比天線和天線帶罩的遠場和差方向圖和各端口電壓駐波比變化，就可以得到天線罩的一系列電性能指標項目，其中天線罩的功率傳輸效率可以通過對比天線帶罩前后的和方向圖，得到天線罩的插入損耗再經過計算得到，功率反射可以由天線帶罩前后的電壓駐波比變化計算得到，等等。
將天線及天線帶罩遠場H面和差方向圖經過歸一化處理后，得到的曲線如圖5所示。
圖5 歸一化天線及天線帶罩和差方向圖
4.2天線罩電性能項目的指標提取
在圖5(a)中可得到天線罩的插入損耗為0.19dB，其功率傳輸系數為95.7%。圖5中也可以得到副瓣電平抬高、波束偏轉、零深電平抬高和主瓣波束寬度變化等電性能項目的計算結果。功率反射可由各端口的電壓駐波比變化來確定，其中天線罩的功率反射可由以下公式確立：
公式 天線罩的功率反射
其中，r-天線罩功率反射，%；
S'11-天線帶罩后的天線端口回波損耗，無量綱；
S11-天線端口回波損耗，無量綱；
VSWR-電壓駐波比，無量綱。
由式1和式2可得，天線帶罩后各端口的功率反射分別為5.25%、4.54%、3.81%和1.45%。通過簡單的計算，可以得到，對于該4單元線陣，天線罩的功率反射為3.76%。
5 結論
在天線罩的電性能設計中，仿真優化具有重要作用。本文以某異形天線罩為例，介紹了基于FEKO軟件進行天線罩電性能仿真與計算的過程，應用表明，該工具方法是高效實用的。
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本文標題：基于FEKO的異形天線罩電性能仿真
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