舰船天线辐射仿真计算研究＊

郭 霄 熊 勇 陈德喜 王 立

（中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

1 引言

天线辐射环境是关系到电子电气设备以及人员安全、正常工作的一种重要环境条件。准确预测天线辐射环境数据对于总体电磁兼容设计至关重要［1～4］。随着高性能计算机和计算电磁学的发展，开发出了许多成熟的电磁场仿真软件，运用软件仿真已经成为预测电磁场环境数据的重要手段。目前国外已经有比较成熟的电磁场仿真软件，例如FEKO、HFSS和CST等等，其中FEKO软件是常用软件之一。利用FEKO软件，国内外已经进行了很多涉及众多领域的仿真研究，包括航空、电子仪器等等［5～12］。

论文以FEKO软件为基础，针对特殊的舰船天线产生的电磁场环境，开展了基于FEKO软件的天线辐射环境仿真方法研究，解决了仿真过程中模型的建立，以及电磁解算方法和网格剖分尺寸等参数的合理设置问题，形成了可供工程应用的天线辐射环境的仿真预测方法。

2 仿真计算基本理论

2.1 电磁场基本理论

麦克斯韦（Maxwell）方程是任何电磁计算的基础。从麦克斯韦方程式出发，对于正弦电磁场和线性、各向同性的均匀媒质的情况，求解非齐次赫姆霍兹（Helmho1tz）方程，带入天线辐射条件，即可求出其电（磁）矢量位，再由电（磁）矢量位求出辐射电磁场。

对于电偶极子天线来说，其近区场强可表示为

式中，Er、Eθ、Eφ、Hr、Hθ、Hφ为电场、磁场分量在球坐标系下的三个分量。r、θ、φ为球坐标系的三个坐标，I为电偶极子中电流，l为偶极子长度。

对于小电流环构成的磁偶极子天线来说，其近区场可表示为

式中，S为小环面积，I为小环电流，其余参量如上。

在实际应用中，通常可以采用上述电偶极子天线、磁偶极子天线去等效计算长、中、短及超短波发射天线的电磁辐射场。

上述模型主要用于描述理想边界条件下的天线辐射问题。当天线近场区内有金属物体的存在，这些金属物体会使天线的近场分布发生改变。为了解决具有金属物体的天线辐射问题，常常采用数值方法。

2.2 天线的辐射特性参数表征

天线的方向性，直接反映天线辐射场的幅值或辐射功率的空间分布，无疑这是天线最重要的特征参数。

方向函数是天线方向性的数学表示，就是天线的辐射强度于空间坐标之间的函数关系。

天线的功率方向函数P（θ，φ）可由r方向（辐射波传播方向）坡印廷矢量与方向的关系求得，对于天线的辐射场我们只考虑横向场分量，因此它们才构成r方向的坡印廷矢量，对与正弦时变场，有

因此

即天线的功率方向函数正比于场强方向函数的平方，有

3 组合天线模型建立

3.1 组合天线基本模型分析

本研究中组合天线集中布置在舰船平台上，在天线工作时，其周围的部分装置也会同时工作，导致天线部分方向被遮挡，致使通信效果大打折扣，因此获取各种工况下天线辐射方向图、天线近场等特性参数对于天线总体布置设计来说是十分重要的。同时空间内布置的装置和金属表面本身也会对天线的电磁辐射产生一定的影响，不仅会使得表面区域的电磁环境非常复杂，甚至可能会使天线的方向图发生畸变从而影响天线的空间覆盖性能。

本研究主要关心天线在垂直上半平面的波束覆盖范围，即其在垂直方向上的辐射方向图（通常考虑θ＝－90°～90°，φ＝0°，180°）。该组合天线分为两部分，一部分为折倒状天线，外形为圆柱体，也可以看成是鞭天线，体内层为玻璃钢杆（仅用作导电层的支撑），杆外包导电层，天线体通过根部的绝缘子固定在平台上；另一部分为四臂螺旋线天线，作为天线辐射体四条螺旋线缠绕在超短波天线的天线体外，天线体外为保护层，如图1所示。

在电磁仿真软件FEKO中天线建模包括建立三维空间模型和电激励模型。三维空间模型是指根据短波折倒天线的空间尺寸建立的优化仿真模型。电激励模型即天线的馈电方式的建模。

由于组合天线在超短波频段的辐射体均为杆状，其电磁辐射主体实质等效为鞭天线。因此其电磁仿真模型通常用柱状或线状模型来代替。本研究首先在无限大导体地平面上的半空间中分别建立柱状模型和线状模型，仿真计算两种天线模型的方向图，选择计算结果较准确且容易实现的模型为该组合天线的最优化仿真模型。天线电磁模型即天线的馈电，在FEKO软件中通过设置激励源来实现。本课题根据所用的物理模型并比较可用的激励源方式来选择激励源，确定电磁模型。

3.2 鞭天线三维空间建模

令天线底部位于原点，在无障碍物的无限大导体地平面上的半空间中分别建立柱状模型和线状模型，见表1。

图1 组合天线模型

表1 无限大导体地平面上半空间中的天线模型

无限大导体地平面上半空间中采用柱状模型和线状模型的远场方向图。通过比较仿真得出的线状模型和柱状模型的方向图图形可以看出，在无限大导电地平面上，柱状模型和线状模型的计算结果具有很好的一致性。由此可知，线状模型和柱状模型都可以代替鞭天线，但是建立线状模型更加简单方便且易于实现，所以本课题选用线状模型代替型天线和折倒天线。

3.3 鞭天线电激励建模

在FEKO软件中天线的电磁模型即天线的馈电是通过设置激励源来实现的。FEKO软件中有多种激励源可以选择，如电压源、电流源、波导口激励、平面波激励等，应根据实际模型情况并对各种可用激励源进行比较来选择激励源。

对于天线辐射模型来说可用电压源和电流源进行激励。本研究对同一天线分别采用电压源激励和电流源激励，观察比较不同激励源对天线远场方向图计算的影响。

分别采用电压源激励和电流源激励的仿真模型示意图，以及采用两种激励方式时，仿真计算得到的远场方向图。通过仿真研究比较发现，电压源激励和电流源激励得到的天线远场方向图一致性很高，分别改变天线长度和频率，结论不变。

而FEKO软件中电压源激励具有设置简单、模型修改方便的优点。故本设计采用电压源激励模拟射频天线的馈电。

由以上的仿真算例，本设计用线状模型代替原天线，根据天线物理尺寸建立模型，并在天线底部用电压源激励模拟天线的馈电。本模型具有建模简单方便，易于实现的优点，同时模型误差也较小，不失准确性。

3.4 螺旋天线建模

螺旋天线工作在UHF频段，工作方式为右旋圆极化，为一种四臂螺旋天线。在CADFEKO中，可以建立标准的螺旋线模型，四臂螺旋线可由单螺旋线旋转得到，于是就建立了四壁螺旋天线的线状模型，同样的，根据四臂螺旋天线的天线体物理尺寸，在CADFEKO中通过改变建模工作平面和沿指定路径拉伸等命令，可以在FEKO中建立四臂螺旋天线的柱状模型，如图2所示。

图2 四壁螺旋天线线状、柱状模型

根据四臂螺旋天线的电磁特性，其馈电方式在FEKO中简化为在四臂螺旋天线的四个臂的输入端口分别施加电压源激励，四个端口的相位差逆时针方向依次为90°。其中port1的相位设置为0，port2的相位设置为90°，port3的相位设置为180°，port4的相位设置为270°。据此分别计算线状模型的四臂螺旋天线和柱状模型的四臂螺旋天线的铅垂面方向图。

通过比较仿真得出的线状模型和柱状模型的方向图图形可以看出，在无限大导电地平面上，柱状模型和线状模型的计算结果具有很好的一致性。

由此可知，线状模型和柱状模型都可以代替四臂螺旋天线，但是建立线状模型更加简单方便且易于实现，所以本研究用线状的四臂螺旋线模型代替螺旋天线。根据天线的物理尺寸建立模型，并在天线底部用四个相差为90°的电压源激励模拟天线的馈电。本模型具有建模简单方便，易于实现的优点，同时模型误差也较小，不失准确性。

4 射频天线辐射仿真计算

确定了仿真计算的电磁模型后，需要设置求解的工作频率、功率等激励参数，设定计算区域，选择电磁解算方法，进行网格剖分，最后才能进行计算得到相关电磁辐射数据。

FEKO软件中有多种电磁解算方法，电磁解算方法对仿真时间和计算内存需求有一定影响，不同的电磁解算方法也有各自的适用范围。对于网格剖分尺寸，一般来说，FEKO软件中网格剖分尺寸越疏，计算时间越短，计算结果精度越低；网格剖分尺寸越密，计算时间越长，相应的计算结果精度也越高。根据已有的计算资源和计算精度要求，本课题研究的舰船平台相对于天线工作频段尺寸相比，均选择MoM解算方法，网格的剖分也按设定好进行，不做干预。

状况一和状况二是该舰船平台的两种典型工作状态，分别模拟两种工作状态的环境模型。两种状态下，周围环境都会发生变化，其中状态一会在天线侧方周围环境中产生障碍，状态二会在天线前方环境中产生障碍。

4.1 工作状态一仿真计算

根据工程实际需求，建立状况一启动、停止时的仿真模型。分别考察天线在超短波低频段水平方向图变化情况和超短波高频段时垂直方向图的变化情况。

超短波低频段时，状况一启动、停止状态下，天线水平方向图（θ＝90°、φ＝0～360°）变化如图3所示。

图3 超短波低频段状况—启动、停止状态下天线平面方向图的比较

超短波高频段时，状况一启动、停止状态下，天线的铅垂面方向图（θ＝－90°～90°、φ＝0°，180°）的变化如图4所示。

图4 超短波高频时工况—启动、停止状态下天线Ⅱ垂直方向图（φ＝0°）

4.2 工作状态二仿真计算

根据工程实际需求，建立状况二启动、停止时的仿真模型。考察天线在UHF频段垂直方向图的变化情况。

频率为UHF时，工况二启动、停止状态下，天线垂直方向图（θ＝－90°～90°、φ＝0°，180°）变化，如图5所示。

图5 UHF频段时状况二启动、停止状态下天线垂直面方向图

5 结语

通过仿真计算，本研究得出以下结论：

1）仿真计算中，天线安装到舰船环境中，天线的水平方向图发生了一定的改变，形状变得不规则，畸变得波瓣增多。组合天线铅垂面的方向图受到工作状态产生障碍的影响，上半平面的波束角有所减小。

2）超短波频带工作时，由于电磁波波长相对于该障碍可比，障碍的遮挡效应显现出来，造成了天线在障碍方向约3～5dB的辐射效能下降。

3）UHF频带工作时，工作状态一的启动、停止对天线垂直方向图有一定的影响。启动时，天线上半平面波束范围有所减小，但基本不影响上半平面的覆盖。因此天线进行UHF通信时，应结合舰船和卫星的相对位置来判定是否需要开启工作状态。

4）工作状况二开启状态时，天线垂直方向图有一定的影响，天线上半平面波束范围有所减小，但不影响上半平面的覆盖。

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