1 引言
隨著武器裝備的發展，對天線罩的電性能設計提出了越來越高的要求，傳統的幾何光學、物理光學等近似算法由于精度偏低、誤差偏大等缺點，已難以滿足天線罩的設計分析要求，成為天線罩設計的重要瓶頸之一。在計算機飛速發展的基礎之上，隨著計算機的硬件配置不斷更新以及仿真軟件的普及，天線罩的電性能設計步入了一個嶄新的領域，借助電磁仿真軟件的天線罩電性能設計成為研究熱點之一。
目前微波領域中幾種常用的仿真軟件主要有基于有限元算法（Finite Element Method，FEM）的Ansys HFSS軟件、基于時域有限積分方法（Finite Integration Method in Time Domain，FIMTD）的CST Microwave Studio和基于矩量法（Method of Moment，MOM）的FEKO軟件等，其中Ansys HFSS軟件具有結構適應性好、適合求解介質、精度高、速度快等特點，同時廣泛應用于單脈沖天線的仿真設計，因此在天線罩的仿真設計領域，HFSS軟件具有良好的應用前景。
本文對應用電磁仿真軟件分析天線罩電氣性能的方法進行了研究，分別給出了天線罩的建模和仿真流程，并對HFSS軟件的仿真設置進行了深入地探討。
2 天線罩的幾何建模和仿真分析
2.1 天線罩的壁厚設計
天線罩的初始法向壁厚基于幾何光學-二維射線追蹤理論，具體的壁厚設計公式：
式中，λ為波長，εr為罩體材料的介電常數，θ為入射角。令m=1即確定了天線罩的半波壁厚設計公式。由此可知，在已知天線的工作頻率以及罩體材料的介電常數的前提下，只要確定了入射角θ，便可確定天線罩的初始壁厚。
由于安裝于天線罩腔內的天線工作時在一定的轉角范圍內旋轉掃面，因此對于天線罩表面的每一點，入射角都有一個變化范圍，這些入射角分別是天線孔徑面上各條射線產生。對于天線罩表面上某一個需要求解壁厚的點，根據總體給出的外形線方程，求出天線在旋轉不同角度時天線口面垂直射出且通過該點的射線，便可求出該點在各種轉角下的入射角，然后根據這些射線所含能量的輕重關系進行邏輯分析，從而可以求出平均入射角作為該點的入射角θ代入公式（1），從而求出該點的初始法向壁厚。
依據上述壁厚設計的天線罩可以保證電磁波以最小的能量損耗穿過天線罩，然而天線罩的各項電氣性能參數中，除了表征電磁波穿透特性的功率傳輸系數以外，還有瞄準線誤差以及瞄準線誤差斜率等更為關鍵的參數。因此在確定了天線罩的初始壁厚之后，需要對此天線罩的電氣性能進行分析，通過仿真結果改進天線罩的設計參數，即對天線罩的法向壁厚進行優化，最終獲得滿意的天線罩法向壁厚設計結果。
2.2 天線罩三維幾何模型的建立
為了實現天線罩的電氣性能分析，在確定了天線罩的法向壁厚之后，需要對天線罩進行建模。根據總體給出的外形母線方程以及法向壁厚，借助MATLAB軟件，計算出天線罩的內形曲線坐標。為了精確的構造天線罩模型，借助Solidedge結構軟件，選擇“按表創建曲線”，將存在Excel表格中的外形線和內形線坐標導入，根據樣條函數擬合曲線，構造天線罩罩體，罩體的結構如圖1所示。將該模型導出為.sat文件，便可導入電磁仿真軟件，分析天線罩的電氣性能。
圖1 天線罩的罩體結構
2.3 天線罩電氣性能的仿真分析
天線罩的電氣性能參數主要包括功率傳輸系數、瞄準線誤差和瞄準線誤差斜率等指標，目前仿真分析天線罩電氣性能的方法可分為高頻方法和低頻方法兩種。其中高頻近似法主要以幾何光學和物理光學理論為基礎，而低頻數值方法則是以麥克斯韋電磁場理論為基礎。
在眾多高頻近似法之中，射線追蹤法因其物理概念簡單，操作簡單易行等特點，成為天線罩工程中重要的分析手段。該方法利用射線追蹤技術計算天線口面垂直發出的若干條射線穿透天線罩時的幅度和相位變化，通過一系列推導計算得出天線罩的功率傳輸系數和瞄準線誤差等參數。然而，高頻方法由于將電磁波等效為平面波，同時忽視了電磁波在天線罩與天線之間的多次反射，因此存在一定的誤差，尤其對于罩體的曲率半徑較小的情況，計算精度明顯不足。隨著高速大容量計算機的應用，一些低頻的電磁仿真方法相繼引入到天線罩的電氣性能分析中。借助成熟的商用軟件，工程師們可以方便地運用這些電磁仿真方法完成仿真。在眾多電磁仿真軟件之中，基于有限元方法的Ansys HFSS軟件以其良好的用戶界面和精確的計算精度在天線和天線罩仿真領域具有重要的地位和廣闊的應用前景。
應用HFSS進行天線罩仿真，首先將在Solidedge中建立的天線罩.sat文件導入到HFSS軟件中，同時導入天線模型文件，通過總體給出的天線罩和天線以及轉動中心的相對關系，借助平移、旋轉等指令將天線和天線罩移動到其實際工作狀態所在的位置，并且確定模型中各個部分的材料以及介電常數。
為了分析遠場輻射特性，在確定了天線和天線罩的具體位置之后，還需畫出一個距輻射源足夠遠的透明輻射表面，設置為輻射邊界。本文以一個矩形盒子作為輻射邊界，并放在離天線罩大約四分之一波長的位置，軟件將通過在此虛擬盒子上進行積分來求解遠場輻射特性，以得到遠場方向圖等指標，如圖2為天線罩仿真輻射邊界的設置。
圖2 天線罩仿真輻射邊界的設置
為了分析天線罩的功率傳輸系數、瞄準線誤差等電氣性能參數，需要將天線或罩體旋轉不同的角度，獲取該狀態下的天線輻射方向圖。在仿真過程中，采用天線靜止、天線罩相對天線旋轉的方法，通過計算天線罩旋轉不同角度時天線的輻射方向圖得出天線罩的功率傳輸系數和瞄準線誤差曲線。在HFSS軟件中，可以設置天線罩的旋轉角度為一個變量，通過對該變量進行掃參計算，可以自動計算并存儲天線罩旋轉不同角度時的天線輻射方向圖。如圖3所示，圖中給出了天線罩旋轉不同角度時天線口面法線方向附近的差方向圖。從圖中可以看出，由于天線罩的影響，單脈沖天線差方向圖的零深位置以及零深值都發生了變化，通過讀取零深位置，便可得出帶罩天線的零深位置曲線，將這些值與在此之前已經仿真得出的不帶罩時天線的零深位置相減，便可得出天線罩的瞄準線誤差。
圖3 帶罩天線的差方向圖
3 Ansys HFSS軟件的仿真設置探討
3.1 Ansys HFSS軟件的計算精度
對于頻域問題的求解，有限元法是各種數值算法中最為成熟可靠的算法。使用有限元法，一旦確定了控制方程及計算求解區域，就需要進行網格剖分。在有限元分析步驟中，網格剖分是非常重要的一步，其直接影響到計算機內存需求、計算時間和數值結果的精確度。
借助Ansys HFSS軟件自帶的自適應剖分網格工具，逐步細化剖分天線和天線罩模型，可以高精度地仿真計算天線和天線罩的電氣性能，消除了射線追蹤法帶來的遠場近似問題，提高了設計精度，大大提高了試驗成功率，降低了研制周期。圖4為天線罩的網格剖分模型，圖中的天線罩被分解成一個個微小的四面體，通過求解各個四面體的邊值問題，便可實現天線罩的仿真。
圖4 天線罩的網格剖分模型
3.2 模型和計算空間的精簡
應用HFSS進行仿真，其計算區域直接影響著計算速度和計算精度。計算空間太大，導致網格數量增多，消耗大量的內存和計算時間卻并不能提高計算精度；計算空間太小，無法完成預定區域的仿真，影響了系統的計算精度。因此在仿真天線罩的時候，需要根據具體需要對天線和天線罩的模型進行簡化，以期待在不影響計算精度的前提下提高計算速度。對于單脈沖體制的天線，可以將天線中諸如和差器等組件刪除，只需保留輻射波導和耦合波導，通過對耦合波導激勵實現和差波束的控制。除此之外，對于天線基本輻射不到的天線罩根部區域，根據具體要求也可以進行裁剪，這將極大地節約計算量，提高計算速度。
3.3 輻射邊界的設置
Ansys HFSS軟件中輻射邊界的設置直接影響了遠場方向圖的結果。由于仿真過程中，天線罩沿轉動中心旋轉，而距離罩體四分之一波長的矩形輻射邊界同樣在旋轉，導致了罩體旋轉不同角度時輻射邊界相對天線是變化的，這帶來了遠場方向圖的計算誤差，應將輻射邊界保持相對天線位置不變，同時保證天線罩始終在輻射邊界之內，這就需要擴大輻射邊界，勢必導致計算時間大幅度提高，因此這種設置需要在計算機硬件配置很高的前提下應用。
4 結論
本文借助Ansys HFSS軟件，研究了電磁仿真軟件在天線罩電氣性能分析中的應用。通過介紹天線罩壁厚的設計、幾何模型建立方法和HFSS軟件的仿真設置，給出了應用電磁仿真軟件進行天線罩電氣性能分析的具體方案，驗證了該方法的可行性，并且對HFSS軟件的仿真設置進行了研究和探討。
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