空间桁架式天线罩电磁特性研究

1 引言

       随着我国航空、航天技术的快速进步和发展，远程高精度跟踪测量雷达等高精度雷达和高增益天线的研究与制造己成为紧迫的任务，而这些天线系统口径大、精度要求高，特殊地理位置的自然环境对设备的影响较大。如风霜、雨雪、冰雹、晨雾、烈日或者过高和过低的温度对雷达天线的影响或破坏，大大降低了天线的承受的载荷。为了使天线能够全天候的工作，使雷达天线能够工作在一个相对安全的环境，将大型雷达配备一套大型天线罩成为这些雷达、天线必不可少的要求，因此，对大型天线罩的工程应用需求变得越来越迫切。

       在大型天线罩研究方面美国的起步比较早，上世纪70年代，美国对大型空间桁架式天线罩在概念设计、理论分析方法、具体应用技术开发等方面进行了深入系统的研究和分析，最终成功开发出直径为47.75米的大型天线罩。2005年5月美国成功的制造和安装了“海基”X波段的充气天线罩，天线罩重18000磅，高31.4米，直径36米，采用高科技整体复合材料膜制造，抗风能力达到58米/秒。大大提高了雷达天线的使用环境。

       我国最近十几年来在大型天线罩工程化方面加大了研究力度。目前比较普遍的大型空间桁架式天线罩有两种类型，一种是金属桁架结构天线罩，另一种是介质桁架天线罩。空间桁架式天线罩往往用于大型地面或舰载天线罩，通常工作频率低于L波段的用介质天线罩，工作频率高于L波段的使用金属桁架式天线罩。

       桁架式天线罩在结构设计方面已趋向成熟，但在电性能分析方面还存在一定的挑战。主要原因是天线罩属于电大尺寸结构，且连接部分又存在很多精细结构，目前在电磁领域对于电小和电大尺寸问题的分析还存在很多挑战。本文采用商业软件FEKO结合并行计算技术，对桁架式结构的天线罩进行电磁仿真分析，分别对桁架的材料特性为金属和介质两种情况进行仿真，对两种材料对天线方向图的影响进行了分析，为天线罩设计提供指导。

2 天线罩仿真分析研究

       天线罩电气性能的评估主要是通过天线罩对天线阵面远场方向图的影响进行综合评估的。方向图是天线从不同方向辐射出去的功率或场强所形成的图。天线罩影响天线方向图畸变的原因相当复杂，所以严格地计算天线-天线罩综合体特性是非常困难的，在实际工作中往往要对各种因素作相应的近似，通常只讨论天线辐射场直接透过天线罩的相位和振幅的畸变和对天线辐射方向图的影响。

       电磁仿真技术中运用的计算电磁学主要分为两种方法：高频方法和低频方法。高频方法如几何光学法(GO)、几何绕射理论(GTD)、一致性几何绕射理论(UTD)、物理光学法(PO)、等效电磁流法(MEC)、迭代物理光学法(IPO)等。由于高频方法不考虑目标表面电磁流之间的互作用，因此高频方法具有计算速度快、所需内存少等优点，在早期由于计算机硬件资源的限制而被广泛应用于电大尺寸目标的散射分析。然而高频方法具有很大的局限性，不能处理复杂的目标，只能处理那些表面光滑的结构。对含有精细结构的复杂目标，由于不满足高频方法的“电大尺寸”和“场缓变”的基本要求，使得高频方法的计算精度大大降低，成为制约高频方法发展的一个重要因素。

       低频方法称之为全波算法。可以分为两大类：一类为微分方程类方法，包括时域有限差分法(FDTD)、有限元法(FEM)等。另一类为积分类方程方法，如矩量法(MoM)、模匹配方法等。微分类方法的优点是得到的矩阵是稀疏阵，适合分析非均匀介质和复杂封闭区域内的电磁问题。缺点是对于开域问题的分析理论上需要分析整个自由空间以满足电磁场在无限远处的辐射条件。实际问题中由于计算机资源的限制，人们引入了吸收边界条件来等效无限远处的辐射条件。吸收边界条件的引入导致微分类方法的未知量大大增加，不利于分析三维电大尺寸复杂目标散射特性。基于积分类方法的MoM具有严格的理论模型，由于格林函数的引入，电磁场在无限远处的辐射条件已解析的包含在积分类方程方法中。所以MoM能够精确地模拟电磁波传播的索末菲辐射条件，不产生物理建模方面的误差，因此被广泛运用于分析微带电路、微波器件、天线和电磁散射问题。但是由于其生成的阻抗矩阵是满阵，阻抗矩阵的存储就需要O(N2)的内存。早期由于计算机硬件资源的限制，MoM只适合用于分析一些小规模的电磁问题。近年来伴随着计算机技术的快速发展和基于MoM的各种快速算法的出现，精确方法用于电大尺寸目标的电磁特性仿真再一次引起了人们的注意。在这些快速算法中，FMM和MLFMM是当今积分方程的杰出代表，FMM最早由V.Rokhlin等人于1987年提出，用以求解粒子散射及Laplace方程。之后，FMM获得了极大地发展并成功地应用于求解Helmholtz方程。FMM将计算机的存贮量及计算复杂度降至O(N1.5)。此后美国伊利诺伊大学周永祖教授等人在FMM的基础上提出了MLFMM，将MoM的存贮量及计算复杂度进一步降低到O(NlogN)，使得MLFMM在电磁散射领域获得了极大发展与完善。目前并行MLFMM已经广泛应用于各种复杂目标的电磁辐射与散射分析。

       对于电大尺寸的天线和天线罩仿真分析，采用有限元、时域方法解决这类问题将产生大量的网格，对计算硬件资源需求太高。基于三角形面网格技术的FEKO只对天线罩的表面进行网格划分，并且FEKO支持金属和介质材料的天线罩特性分析。对于电大尺寸问题可采用并行计算技术在大型计算机上进行精确电磁建模仿真，为大型桁架式天线罩的精确电磁仿真分析提供了可能。

3 天线罩仿真结果

       大型天线罩按材料常分为金属和介质框架天线罩。图1给出了某雷达天线罩框架结构图，可以看出这种金属和介质框架是一种以三角形为单元的结构件组合，每一个三角形框架由高强度的中枢节点和金属杆连接在一起，成为能承受环境载荷的球形网格壳体，构件的三角形窗口用透波性和力学性能良好的介质薄膜材料做蒙皮，常用蒙皮材料有玻璃增强塑料(F即)、聚酷纤维膜材等。环境载荷首先作用于蒙皮上，并通过蒙皮将全部外加负荷传递到空间金属框架上，所有框架组合起来保持其结构的完整性。一般认为天线罩的蒙皮对天线方向图的影响比较小，仿真时不需要将天线罩的蒙皮代入仿真，只需要考虑金属框架对天线方向图的影响。

       为了分析桁架式天线罩对天线方向图的影响，首先将不带罩天线阵的方向图计算出来，然后将带罩天线方向图计算出来，比较带罩和不带罩天线阵在这两种条件下的差异，即可以分析出天线罩对天线阵面方向图的影响。本文中分析的桁架式天线罩为一圆形结构，天线罩的直径为45米。图2给出了等效偶极子天线阵模型图，天线工作频率为380Mhz，天线x方向单元数为8，y方向的单元数为6。两维天线单元间距为dx=dy=0.5米。图3给出了无罩天线阵列方向图仿真结果，可以看出无罩天线的增益为23dB。图4给出了带罩天线的模型图，仿真时天线罩材料参数定义为2种：一种是为金属；另外一种是玄武岩介质。图5给出了两种介质天线罩方向图的仿真结果，从仿真结果可以看出材料为玄武岩时天线罩损耗几乎可以忽略不计，当天线罩为金属时，天线罩的损耗为0.4dB。金属罩对天线的副瓣影响也比介质罩大一些。

4 分析与结论

       本文给出了一种电大尺寸天线罩分析方法的研究。对于电大尺寸天线罩问题，天线阵面可以在电磁仿真软件FEKO中使用等效偶极子来代替真实天线单元，实际仿真结果表明采用等效偶极子可以大大的减少计算量。天线罩结构体表面采用三角形网格进行拟合，避免了微分类方法需要将整个天线罩内部的空气划分网格的要求，降低了划分网格的难度。仿真结果表明本文提出的等效偶极子结合并行多极子方法来解决电大尺寸天线罩的辐射问题是一种非常实用的方法。