W波段平板縫隙陣天線的多場耦合分析

張盛華 馮小明 李緒平

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

W波段電磁波由于頻率高，波長短，具有反隱身效果好，絕對帶寬大的特點，特別是可以用小孔徑實現(xiàn)窄波束，提高測角精度，因此常用于毫米波成像設(shè)備和高精度彈載雷達導(dǎo)引頭[1-2]。

平板縫隙陣天線結(jié)構(gòu)緊湊、剖面低、輻射效率高，容易實現(xiàn)低副瓣，目前已成為毫米波雷達導(dǎo)引頭和機載火控雷達的主要天線形式[3]。在設(shè)計傳統(tǒng)的低頻段平板縫隙陣天線時，首先要進行電氣方面的仿真計算，然后再依據(jù)使用環(huán)境并結(jié)合天線的電氣仿真結(jié)果進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以上設(shè)計方法的不足在于無法預(yù)測和評估天線使用過程中的環(huán)境應(yīng)力等引起的天線尺寸變化對其電氣性能的影響，只能通過實際使用環(huán)境的測試得到天線的真實電氣性能指標(biāo)。由于W波段頻率高，波長短，其電氣性能對環(huán)境應(yīng)力引起的天線尺寸變化非常敏感，此時電氣理論仿真結(jié)果與實際情況使用會存在較大的差異，因此傳統(tǒng)的天線設(shè)計方法已不能滿足W波段平板縫隙陣天線的設(shè)計要求。

多物理場耦合是指多個物理場相互疊加、相互作用形成的物理現(xiàn)象[4]。本文研究的W波段平板縫隙陣天線的設(shè)計過程主要涉及到由力學(xué)、熱學(xué)以及電磁學(xué)構(gòu)成的一個多物理場耦合系統(tǒng)，多場耦合情況下的設(shè)計方法選擇及基于使用環(huán)境的電氣性能優(yōu)化對天線結(jié)構(gòu)和性能影響重大。

為滿足W波段平板縫隙陣天線在復(fù)雜彈載環(huán)境下的使用要求，本文采用多物理場耦合仿真方法對一種W波段低副瓣平板縫隙陣天線進行了結(jié)構(gòu)和電氣性能的設(shè)計，重點研究了復(fù)雜彈載環(huán)境下的熱-結(jié)構(gòu)-電磁多場耦合的仿真設(shè)計技術(shù)，研究工作對提升彈載環(huán)境下W波段平板縫隙陣天線的電氣指標(biāo)具有重要的意義。

1 天線多場耦合分析流程

1.1 天線多場耦合關(guān)系

天線的多物理場耦合分析主要以電磁場、位移場和溫度場為基礎(chǔ)進行分析，其統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達式為[5]：

f(Xi,Y,Zj)=0(i,j=1,2,…n)

(1)

式(1)中，Xi是物理場變量，可以是1個或2個以上，可以是標(biāo)量或矢量；Y是物理場的源，一般只有1個；Zj是材料的屬性變量，可以有1個或多個；f是微分算子。

本文研究的W波段平板縫隙陣天線主要處于電磁場、位移場及溫度場的多物理場耦合環(huán)境中，其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 天線的多場耦合關(guān)系圖

1.2 天線多場耦合分析框架

天線多場耦合仿真技術(shù)是指不同專業(yè)領(lǐng)域的電氣設(shè)計師、結(jié)構(gòu)設(shè)計師采用不同的計算機平臺，用不同的建模方式、不同仿真軟件建立天線的混合有限元模型，并在分布式環(huán)境中進行仿真計算和分析的復(fù)雜有限元模擬方法[6]。

天線多場耦合分析框架如圖2所示，根據(jù)設(shè)計輸入，依次進行CAD建模、電磁初次仿真、模型轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱分析、結(jié)構(gòu)分析、模型轉(zhuǎn)換、電磁二次仿真等，電氣設(shè)計師與結(jié)構(gòu)設(shè)計師密切配合，電磁仿真軟件HFSS、力學(xué)分析軟件ANSYS、三維設(shè)計軟件PRO/E相互關(guān)聯(lián)，達到數(shù)據(jù)共享、資源統(tǒng)一調(diào)配，并使任何數(shù)據(jù)調(diào)整同時對其他節(jié)點進行相應(yīng)的及時更改，達到仿真結(jié)果準(zhǔn)確一致。

圖2 天線多場耦合分析框架

1.3 天線多場耦合分析流程

使用該框架進行天線多場耦合分析流程為：

1)根據(jù)設(shè)計輸入，建模專家完成幾何模型的建立，用某種通用格式sat或iges存儲模型文件；

2)電磁分析專家得到模型文件后，導(dǎo)入電磁分析軟件HFSS軟件中進行電磁仿真，將仿真結(jié)果與設(shè)計輸入進行比對，如有差距，修改參數(shù)化模型，再仿真，直到仿真結(jié)果滿意為止，最后將滿意的模型保存；

3)將電磁初次仿真得到的滿意結(jié)果導(dǎo)入到三維設(shè)計軟件Pro/e軟件中，根據(jù)天線環(huán)境使用要求，進行相應(yīng)的實體結(jié)構(gòu)設(shè)計；

4)在有限元分析軟件ANSYS軟件中，根據(jù)環(huán)境溫度等邊界條件對設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)模型進行熱仿真；

5)以熱仿真得到的計算結(jié)果作為天線的溫度載荷，并以天線的實際安裝接口為邊界約束條件，對天線進行應(yīng)力分析得到天線在溫度場和位移場綜合作用下的變形模型；

6)將天線的最終變形模型導(dǎo)入HFSS電磁分析軟件中進行電磁二次仿真，得到天線在實際工作環(huán)境下的電氣指標(biāo)；

7)將電磁二次仿真的結(jié)果與初次仿真結(jié)果進行比對，根據(jù)對比結(jié)果進行相應(yīng)修正，使最終天線產(chǎn)品滿足設(shè)計要求。

2 W波段平板縫隙陣天線耦合分析

依據(jù)天線多場耦合分析框架及分析流程，本文介紹了一種針對W波段平板縫隙陣天線的協(xié)同仿真方法，即根據(jù)彈載W波段平板縫隙陣天線的使用要求，重點分析天線在電磁場、溫度場以及位移場等綜合作用下的電氣指標(biāo)，從而能有效預(yù)測天線在實際使用過程中的電氣指標(biāo)，并對此進行有針對性的設(shè)計與完善，最后優(yōu)化出天線結(jié)構(gòu)。

2.1 電磁初次仿真

根據(jù)設(shè)計輸入，在仿真軟件HFSS中建立電氣模型并進行電磁仿真，該天線主要由饋電波導(dǎo)、饋電縫隙、輻射波導(dǎo)、輻射縫隙和H-T功分器組成，如圖3所示。仿真得到圖4所示的電氣指標(biāo)。

圖3 W波段平板縫隙陣電氣模型

圖4 電磁初次仿真結(jié)果

2.2 實體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在電磁仿真軟件HFSS中將天線電氣模型保存后綴為sat格式的文件，然后在三維設(shè)計軟件Pro/e軟件中讀取該文件，進行模型轉(zhuǎn)換，再根據(jù)環(huán)境使用條件、安裝接口、加工工藝性等輸入條件對該天線進行實體結(jié)構(gòu)設(shè)計，其模型如圖5所示。該天線由縫隙陣列、波導(dǎo)陣列、合成網(wǎng)絡(luò)及輸出層組成，整體尺寸為長63mm、寬32.3mm、厚6mm，重量為35g。

圖5 W波段平板縫隙陣結(jié)構(gòu)模型

2.3 熱仿真分析

天線在使用過程中，由于實現(xiàn)了射頻前端集成，而目前的3mm波段T/R組件工藝不夠成熟，效率較低，發(fā)熱量較大，使得天線溫度逐漸升高，為了準(zhǔn)確預(yù)測天線在實際工作過程中的電氣性能，首先對天線所處的溫度場進行仿真。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將天線的三維結(jié)構(gòu)模型在Pro/e軟件中保存后綴為iges格式的文件，然后將該文件導(dǎo)入ANSYS軟件中，選擇實體單元，對該模型劃分網(wǎng)格，輸入材料相關(guān)特性以及溫度邊界條件，最后求解得到該天線的溫度場分布如圖6所示。

圖6 天線溫度場分布(單位：℃)

2.4 實體結(jié)構(gòu)分析

天線的熱應(yīng)力是由于天線結(jié)構(gòu)在溫度的變化下發(fā)生形變，同時受到一定的約束而產(chǎn)生的，采用多功能有限元分析軟件ANSYS，將熱分析的數(shù)據(jù)輸入到力學(xué)分析中，并加入力學(xué)分析所需要的彈性模量、熱膨脹系數(shù)等相關(guān)參數(shù)即可求解熱應(yīng)力，其仿真分析流程如圖7所示。

圖7 熱應(yīng)力仿真分析流程圖

ANYSY熱應(yīng)力分析模塊對天線仿真結(jié)果如圖8所示。圖8(a)是等效應(yīng)力云圖，天線與外界安裝部位應(yīng)力最大，約355MPa，遠離安裝部位的邊緣處應(yīng)力最小，約303.6kPa。圖8(b)是形變圖，安裝部位形變最小，邊緣處形變最大，最大變形量大約0.01mm。

圖8 熱應(yīng)力仿真結(jié)果

2.5 電磁二次仿真

在ANSYS軟件中將天線結(jié)構(gòu)分析后的最終模型保存后綴為sat格式的文件，將該文件導(dǎo)入到電磁仿真軟件HFSS中進行仿真計算得到天線在實際使用過程中的電氣指標(biāo)。

圖9 電磁仿真輻射方向圖的初次與二次仿真結(jié)果

如圖9所示，從電磁一次和二次仿真結(jié)果對比可以看到，W波段平板天線單一電磁場的仿真結(jié)果與熱-結(jié)構(gòu)-電磁多場耦合分析的結(jié)果有一定的改變：其中方向圖的第一零點抬高，天線主瓣展寬，導(dǎo)致雷達測角精度降低，作用距離下降。引起這一改變的主要原因是環(huán)境溫度升高使天線陣尺寸變大，邊緣縫隙單元產(chǎn)生滯后相位。天線在實際工作中必然同時受到溫度、環(huán)境應(yīng)力、電磁場等多物理場的作用，因此W波段平板天線多場耦合分析得到的電氣指標(biāo)更具有實際意義。

3 結(jié)束語

采用多物理場耦合仿真方法對一部W波段低副瓣平板縫隙陣天線進行了仿真分析研究，重點開展了熱-結(jié)構(gòu)-電磁多物理場耦合分析，研究表明：隨著環(huán)境溫度等因素的變化，受約束狀態(tài)下的天線會產(chǎn)生環(huán)境應(yīng)力，使天線的電氣尺寸發(fā)生改變，從而使天線的電氣指標(biāo)發(fā)生相應(yīng)的改變，環(huán)境應(yīng)力越大，電氣尺寸改變也越大，電氣指標(biāo)惡化的程度也越大，對于高頻天線而言，這種現(xiàn)象更為明顯。因此，在高頻天線的設(shè)計中，首先應(yīng)進行天線多場耦合分析，根據(jù)分析的結(jié)果來修正天線的電磁仿真模型和結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而逐步逼近天線在實際使用環(huán)境下的電氣指標(biāo)要求，這對預(yù)測和優(yōu)化復(fù)雜彈載環(huán)境下W波段平板縫隙陣天線的電氣性能具有重要的意義。