基于FEKO的機載導航天線方向圖分析

1 引言

機載天線輻射方向圖特性的研究是導航天線與載體綜合性能分析的重要方面。采用實測的方法，不僅獲得的測量數據較少，而且造成大量的人員浪費和經濟損失。隨著計算機技術的不斷發展，現在大多采用電磁仿真軟件進行機載天線方向圖的研究。使用電磁仿真軟件，可以極大的提高分析的速度和節約研究的成本。FEKO是一款用于3D結構電磁場分析的仿真軟件，其計算基于積分方程的求解，算法包括矩量法（MOM）、多層快速多極子（MLFMM）、物理光學（PO）、一致性繞射理論（UTD）等，對于電大尺寸問題有較好的分析能力。

本文首先使用FEKO軟件對某載機進行建模，其次分析了L波段導航天線放置在飛機背部中心時飛機各個部分對天線水平面方向圖的影響，最后對使用FEKO仿真不同電大尺寸物體時的計算量、計算時間和內存使用進行了比較。

2 載機簡化模型的建立

本文使用FEKO軟件建立了某新型載機的仿真計算簡化模型，模型如圖1所示。建模時在保持主要電磁散射特性的原則下，結合FEKO中提供的建模功能對飛機結構進行了簡化，只將對天線方向圖影響較大的機頭，機身，機尾，主翼，垂尾進行近似，其他部分予以省略。其中，機首用兩個圓錐面來實現，并用橢球面模擬機首部位的座艙；機身用圓柱面來模擬；機尾由圓錐面來實現現；機翼和垂尾用實體平面搭建的六面體來近似。載機的數學模型的坐標原點取在機身軸線中點，從原點指向右邊機翼的方向為Y軸正方向，沿機身軸線指向機尾的方向為X軸正方向，垂直于機身軸線并指向垂尾的方向為Z軸正方向，建立了如圖1所示的右手螺旋坐標系。該載機模型機身半徑0.6m，機身長14.57m，翼展8.78m，天線放置在機身背部中心。

圖1 某型戰斗機簡化模型

3 機載天線方向圖的分析

機載天線在水平面上的方向圖，是導航天線的一個重要指標，因此本文主要分析了某L波段導航天線在水平面上的方向圖。

3.1 算法的選擇

飛機表面采用三角網格劃分，除了離天線位置較近的地方網格尺寸為，其余部分均為。飛機模型的網格數較多，MOM不僅計算時間較長，而且所需內存較多；采PO和UTD在精度上又相對較差。綜合比較了FEKO中幾種算法，最后選擇MLFMM進行仿真，該算法不僅可以極大的減少計算時間，降低內存使用，而且在精度上與MOM又幾乎相同^{[5, 6]}。以一個工作在300MHz的有限大圓平面上單極子天線的分析為例，對使用MOM和MLFMM計算時的情況進行了比較，如表1所示。

從表1中可以看出MLFMM比MOM的計算時間減少了6倍，所需內存降低了約6.6倍，而遠場基本一致，僅差了0.05dB。

表1 MOM和MLFMM的比較