FEKO在大型星载天线研制过程中的应用

1.引言

       前苏联在1957年10月4号发射人类首颗人造地球卫星Sputnik-1，揭开了人类向太空进军的序幕，大大激发了世界各国研制和发射卫星的热情。人造卫星按用途分，它可分为三大类：科学卫星，技术试验卫星和应用卫星。科学卫星是用于科学探测和研究的卫星，主要包括空间物理探测卫星和天文卫星，用来研究某星球的大气、辐射带、磁层、宇宙线、太阳辐射等，并可以观测其他星体，目前世界上大多数的人造卫星为人造地球卫星，另外有人造火星卫星等人造卫星。中国于1970年4月24日成功地发射了第一颗人造卫星“东方红”1号后，现在正从卫星大国向卫星强国发展。近两年中国创造了卫星领域一个有一个首次，2016年以来发射了首颗X射线卫星、碳卫星以及世界首颗量子卫星等。

       天线作为卫星感知系统的神经末梢，是与外界联系的桥梁和纽带。通常星载天线的功能有测控、数传、中继和载荷等功能，常用的天线形式主要有线天线（如螺旋、偶极子、倒F天线等）和面天线（平面阵列天线、反射面天线等）。随着卫星功能的不断扩展，星载天线工作环境恶劣，口径越来越大功能越来越复杂，在研发过程中，主要考虑以下几个问题：

       星载天线电性能（尤其是超大口径天线）的精确设计问题。

       电大口径天线星载天线的半物理仿真。

       星载天线的振动变形对天线性能的影响分析。

       星载天线环境变化对天线性能的影响分析。

       FEKO作为常用三大经典仿真经典三维全波电磁计算软件，可以分析各种电磁辐射、散射、EMC等确定性问题，在世界范围内得到了广泛应用，尤其是对于电大尺寸的电磁仿真。FEKO是针对天线和天线阵列、载体多天线布局、雷达目标体的隐身RCS、以及系统的电磁兼容性能等高频电磁辐射、散射问题开发的专业电磁场分析软件，从严格的电磁场积分方程出发，以经典的矩量法（MOM：Method Of Moment）为基础，采用了多层快速多极子（MLFMM：Multi-Level Fast Multipole Method）算法在保持精度的前提下大大提高了计算规模（专门针对电大尺寸的高频电磁问题）及计算效率；并将矩量法与经典的高频分析方法（物理光学PO：Physical Optics，几何光学法GO：Geometric Optic，一致性绕射理论UTD：Uniform Theory of Diffraction）完美结合，从而非常适合于天线设计、载体上天线布局分析、分析雷达散射截面（RCS）、电磁兼容-EMI/EMI、开域的辐射等领域的各类电磁场问题。此外，FEKO软件支持有限元法（FEM：Finite Element Method）和时域有限差分方法（FDTD），能更精确的处理多层复杂电介质、生物体吸收率的问题。通常情况下，多波束天线的电尺寸都很大，属于电大尺寸，所以FEKO在多波束天线系统方面的仿真优势非常明显，尤其是在FEKO 6.2版本发行后，FEKO在计算速度、资源应用率、数据后处理等方面都得到很大改进，FEKO的应用将越来越被广大电磁领域工作者所青睐。针对电大口径星载天线在电性能精确设计和环境可靠性方面都提出了相应的解决方案。

2.在电大口径天线电性能精确设计方面的解决方案及面临的问题

       与其他两款经典电磁仿真软件相比，FEKO电磁仿真软件的主要优点主要体现在电大尺寸天线，尤其是超大口径反射面天线的精确设计方面。随着星载天线口径越来越大，新的需求也在不断挑战FEKO电磁仿真软件的潜力和极限。比如在进行超大口径超宽带反射面天线的精确设计是，相对于工作波长，随着工作频率的增加，天线口径从20倍波长到两百多个波长。对于FEKO计算能力来看，两百个波长并不足以挑战FEKO的计算极限。但20倍波长对于FEKO6.2及以下版本来说，20倍波长已是矩量法的计算极限，但又不满足应用快速多级子求解器进行求解。针对上述问题，随后推出的FEKO7.0版本解决了这个棘手的问题。

       其次在数据后处理方面，根据项目指标需求，也为FEKO软件提出了一些新的挑战。例如对于多波束天线，备受关注的是满足一定增益的波束覆盖范围，为了便于设计人员对波束覆盖范围，很多电磁仿真软件都有增益等高线这一功能，但FEKO在数据后处理中缺乏这一功能；为了弥补这一缺陷，在对FEKO仿真产生的ffe文件的基础上，利用MATLAB对数据进行再处理后，通过MATLAB等高线作图命令contour作出每个波束的覆盖范围。MATLAB在FEKO仿真数据后处理的流程如错误!未找到引用源。所示。

       图是多波束覆盖面积图。通过上述处理可清晰的分析多波束天线合成波束的覆盖情况，在指定的覆盖区域内有无漏失等。

3.星载天线环境可靠性的仿真验证

       星载天线在应用过程中，要受到严酷的环境考验，首先在发射过程中，要受到强烈的振动，可能会导致天线的变形；在轨工作过程中，外部温度变化大，一般由负的几十摄氏度到上百摄氏度，天线的热胀冷缩导致天线的变形，从而影响天线的电性能。在星载天线研制过程中，其研制流程是电性能设计—可靠性仿真验证—加工—电性能测试—环境可靠性实验等。很明显，在整个流程中，缺乏变形后电性能的测试结果（在很多情况下，难以操作）。为了解决上述问题，有些单位也做了一些尝试。即通过将变形后的网格提取出来，再通过拟合的方式将变形面拟合成为一个完整的变形面。这样做贡献繁琐，误差较大，难以说明问题。随着FEKO与Altair的合并，FEKO新版本提出了反射面天线结构电磁耦合解决方案，其主要解决电磁、热、力、减重、材料、工艺等多学科提出综合性问题。其具体流程如图所示。

4.结论

       在超大口径星载天线的研制过程中，需要解决的问题可概括为电性能的精确设计和环境可靠性对天线性能的影响。FEKO在近几年得到飞速发展，它不仅解决了超大口径星载天线的精确设计，同时还解决了由于环境变化导致天线变形，对天线性能的精确分析。提高了天线研制效率，降低了研制成本。