Ansys HFSS 在天線罩電性能分析中的應(yīng)用研究

    為了分析天線罩的功率傳輸系數(shù)、瞄準(zhǔn)線誤差等電氣性能參數(shù)，需要將天線或罩體旋轉(zhuǎn)不同的角度，獲取該狀態(tài)下的天線輻射方向圖。在仿真過(guò)程中，采用天線靜止、天線罩相對(duì)天線旋轉(zhuǎn)的方法，通過(guò)計(jì)算天線罩旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)天線的輻射方向圖得出天線罩的功率傳輸系數(shù)和瞄準(zhǔn)線誤差曲線。在HFSS 軟件中，可以設(shè)置天線罩的旋轉(zhuǎn)角度為一個(gè)變量，通過(guò)對(duì)該變量進(jìn)行掃參計(jì)算，可以自動(dòng)計(jì)算并存儲(chǔ)天線罩旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)的天線輻射方向圖。如圖3 所示，圖中給出了天線罩旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)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(fā)生了變化，通過(guò)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(jīng)仿真得出的不帶罩時(shí)天線的零深位置相減，便可得出天線罩的瞄準(zhǔn)線誤差。

    3 Ansys HFSS 軟件的仿真設(shè)置探討

    3.1 Ansys HFSS 軟件的計(jì)算精度

    對(duì)于頻域問(wèn)題的求解，有限元法是各種數(shù)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(jì)算求解區(qū)域，就需要進(jìn)行網(wǎng)格剖分。在有限元分析步驟中，網(wǎng)格剖分是非常重要的一步，其直接影響到計(jì)算機(jī)內(nèi)存需求、計(jì)算時(shí)間和數(shù)值結(jié)果的精確度。

    借助 Ansys HFSS 軟件自帶的自適應(yīng)剖分網(wǎng)格工具，逐步細(xì)化剖分天線和天線模型，可以高精度地仿真計(jì)算天線和天線罩的電氣性能，消除了射線追蹤法帶來(lái)的遠(yuǎn)場(chǎng)近似問(wèn)題，提高了 設(shè)計(jì)精度，大大提高了試驗(yàn)成功率，降低了研制周期。圖4 為天線罩的網(wǎng)格剖分模型，圖中的天線罩被分解成一個(gè)個(gè)微小的四面體，通過(guò)求解各個(gè)四面體的邊值問(wèn)題，便可實(shí)現(xiàn)天線罩的仿真。

圖4 天線罩的網(wǎng)格剖分模型

    3.2 模型和計(jì)算空間的精簡(jiǎn)

   應(yīng)用HFSS 進(jìn)行仿真，其計(jì)算區(qū)域直接影響著計(jì)算速度和計(jì)算精度。計(jì)算空間太大，導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量增多，消耗大量的內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間卻并不能提高計(jì)算精度；計(jì)算空間太小，無(wú)法完成預(yù)定區(qū)域的仿真，影響了系統(tǒng)的計(jì)算精度。因此在仿真天線罩的時(shí)候，需要根據(jù)具體需要對(duì)天線和天線罩的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以期待在不影響計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算速度。對(duì)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(dǎo)和耦合波導(dǎo)，通過(guò)對(duì)耦合波導(dǎo)激勵(lì)實(shí)現(xiàn)和差波束的控制。除此之外，對(duì)于天線基本輻射不到的天線罩根部區(qū)域，根據(jù)具體要求也可以進(jìn)行裁剪，這將極大地節(jié)約計(jì)算量，提高計(jì)算速度。

    3.3 輻射邊界的設(shè)置

    Ansys HFSS 軟件中輻射邊界的設(shè)置直接影響了遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的結(jié)果。由于仿真過(guò)程中，天線罩沿轉(zhuǎn)動(dòng)中心旋轉(zhuǎn)，而距離罩體四分之一波長(zhǎng)的矩形輻射邊界同樣在旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了罩體旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)輻射邊界相對(duì)天線是變化的，這帶來(lái)了遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的計(jì)算誤差，應(yīng)將輻射邊界保持相對(duì)天線位置不變，同時(shí)保證天線罩始終在輻射邊界之內(nèi)，這就需要擴(kuò)大輻射邊界，勢(shì)必導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間大幅度提高，因此這種設(shè)置需要在計(jì)算機(jī)硬件配置很高的前提下應(yīng)用。

    4 結(jié)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(yīng)用。通過(guò)介紹天線罩壁厚的設(shè)計(jì)、幾何模型建立方法和 HFSS 軟件的仿真設(shè)置，給出了應(yīng)用電磁仿真軟件進(jìn)行天線罩電氣性能分析的具體方案，驗(yàn)證了該方法的可行性，并且對(duì) HFSS 軟件的仿真設(shè)置進(jìn)行了研究和探討。

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