HFSS FEBI技术进行弹上缝隙阵天线仿真分析

【摘 要】本文基于HFSS 13.0 的 FEBI 技术对一弹上缝隙线阵天线的H 面、E 面和干涉区域方向图进行数值仿真，通过与实测数据以及常规仿真的分析比较，验证该新型边界的计算有效性以及准确性。

1 前言

引信天线是弹上无线电引信设备的重要部件，而波导缝隙线阵天线由于具有E面方向图宽，H面方向图波束的宽度及指向可以由调节阵列的参数而实现的优点，同时其方向图较容易实现弹引信天线所要求的方向图，所以被广泛的应用于各类战术导弹上。

常见的形式是一对发射天线与一对接收天线同时安装于同一舱体上，且沿舱体周向每隔90°安装一个，示意图见图1，通常天线 1、3 作为发射，天线 2、4 作为接收。当天线1、3 如图安装在舱体上，通常会在天线2 区域发生电磁波的干涉现象。

缝隙线阵的设计分析通常是采用经典理论数值计算的方法，缺乏对天线性能直观的了解和分析，通过引入商业化的数值仿真软件对缝隙线阵天线的性能进行准确与深入的设计与分析， 是比较便捷、适用的新的设计手段。但是在类似图1 模型的这种较大计算规模的计算上，一些常规的计算软件还是无法胜任。

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图1 收发天线舱体安装示意图

HFSS 作为美国ANSYS 公司采用有限元算法开发的一款高频电磁场仿真软件，具有计算精度高，仿真速度快的特点，已经广泛应用于天线设计领域。但是因HFSS 采用 FEM 算法，在计算模型时需要在外周定义一个 1/4 λ0 大小的空气辐射边界，如果针对电大模型，该边界也就越大，计算量相当大。在HFSS 13.0 的版本中，全新推出了一种FEBI 边界，仅需要（1/6~1/8）λ0 边界大小，能够有效解决以上问题。

2 弹上缝隙线阵天线基础理论

弹上缝隙线阵天线的设计首先考虑总体对引信天线的电气要求，通常包括方向图主波瓣宽度、波瓣指向、旁瓣电平、电压驻波比等，另外弹体可能容许的安装尺寸、安装部位和相对位置，也实际上限定了天线的最大尺寸和天线的形状，有时因安装方式的限制，在有些性能指标 要进行妥协，以满足导弹气动性能和对天线安装方式的要求。一个完整的缝隙线阵天线的指标通常包括以下几个： 1) 工作频带，2) 主波束倾角，3) 主波束宽度，4) 天线增益，5) 天线H 面副瓣电平，6) E 面方向图要求，7) 驻波系数。

2.1 弹上缝隙线阵天线基本设计思路

缝隙线阵通常采用天线综合的方法，根据特定要求，求得相应得方向图函数或阵因子表达式，利用它可以得到方向图的各个参数，通过数学变化也可导出天线的口径场分布。缝隙线阵的口径场通常采用Taylor、Chebyshev、Gauss 等分布，弹上缝隙线阵天线往往在H 面要求较低的副瓣电平，Taylor 分布比较容易实现这种需求。以一个Taylor 分布的 Ku 波段的缝隙线阵天 线设计为例： 
    1. 根据天线技术指标要求选择 Taylor 阵列相关参数，包括旁瓣电平η 等； 
    2. 根据波瓣倾角确定波导尺寸； 
    3. 由波瓣宽度及增益确定天线辐射口径尺寸； 
    4. 用 Taylor 函数确定天线口径幅度分布； 
    5. 确定辐射槽的位置（即偏离宽边中心线的距离）。