W波段平板缝隙阵天线的多场耦合分析

张盛华 冯小明 李绪平

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

W波段电磁波由于频率高，波长短，具有反隐身效果好，绝对带宽大的特点，特别是可以用小孔径实现窄波束，提高测角精度，因此常用于毫米波成像设备和高精度弹载雷达导引头[1-2]。

平板缝隙阵天线结构紧凑、剖面低、辐射效率高，容易实现低副瓣，目前已成为毫米波雷达导引头和机载火控雷达的主要天线形式[3]。在设计传统的低频段平板缝隙阵天线时，首先要进行电气方面的仿真计算，然后再依据使用环境并结合天线的电气仿真结果进行相应的结构设计。以上设计方法的不足在于无法预测和评估天线使用过程中的环境应力等引起的天线尺寸变化对其电气性能的影响，只能通过实际使用环境的测试得到天线的真实电气性能指标。由于W波段频率高，波长短，其电气性能对环境应力引起的天线尺寸变化非常敏感，此时电气理论仿真结果与实际情况使用会存在较大的差异，因此传统的天线设计方法已不能满足W波段平板缝隙阵天线的设计要求。

多物理场耦合是指多个物理场相互叠加、相互作用形成的物理现象[4]。本文研究的W波段平板缝隙阵天线的设计过程主要涉及到由力学、热学以及电磁学构成的一个多物理场耦合系统，多场耦合情况下的设计方法选择及基于使用环境的电气性能优化对天线结构和性能影响重大。

为满足W波段平板缝隙阵天线在复杂弹载环境下的使用要求，本文采用多物理场耦合仿真方法对一种W波段低副瓣平板缝隙阵天线进行了结构和电气性能的设计，重点研究了复杂弹载环境下的热-结构-电磁多场耦合的仿真设计技术，研究工作对提升弹载环境下W波段平板缝隙阵天线的电气指标具有重要的意义。

1 天线多场耦合分析流程

1.1 天线多场耦合关系

天线的多物理场耦合分析主要以电磁场、位移场和温度场为基础进行分析，其统一的数学表达式为[5]：

f(Xi,Y,Zj)=0(i,j=1,2,…n)

(1)

式(1)中，Xi是物理场变量，可以是1个或2个以上，可以是标量或矢量；Y是物理场的源，一般只有1个；Zj是材料的属性变量，可以有1个或多个；f是微分算子。

本文研究的W波段平板缝隙阵天线主要处于电磁场、位移场及温度场的多物理场耦合环境中，其相互关系如图1所示。

图1 天线的多场耦合关系图

1.2 天线多场耦合分析框架

天线多场耦合仿真技术是指不同专业领域的电气设计师、结构设计师采用不同的计算机平台，用不同的建模方式、不同仿真软件建立天线的混合有限元模型，并在分布式环境中进行仿真计算和分析的复杂有限元模拟方法[6]。

天线多场耦合分析框架如图2所示，根据设计输入，依次进行CAD建模、电磁初次仿真、模型转换、结构设计、热分析、结构分析、模型转换、电磁二次仿真等，电气设计师与结构设计师密切配合，电磁仿真软件HFSS、力学分析软件ANSYS、三维设计软件PRO/E相互关联，达到数据共享、资源统一调配，并使任何数据调整同时对其他节点进行相应的及时更改，达到仿真结果准确一致。

图2 天线多场耦合分析框架

1.3 天线多场耦合分析流程

使用该框架进行天线多场耦合分析流程为：

1)根据设计输入，建模专家完成几何模型的建立，用某种通用格式sat或iges存储模型文件；

2)电磁分析专家得到模型文件后，导入电磁分析软件HFSS软件中进行电磁仿真，将仿真结果与设计输入进行比对，如有差距，修改参数化模型，再仿真，直到仿真结果满意为止，最后将满意的模型保存；

3)将电磁初次仿真得到的满意结果导入到三维设计软件Pro/e软件中，根据天线环境使用要求，进行相应的实体结构设计；

4)在有限元分析软件ANSYS软件中，根据环境温度等边界条件对设计的天线结构模型进行热仿真；

5)以热仿真得到的计算结果作为天线的温度载荷，并以天线的实际安装接口为边界约束条件，对天线进行应力分析得到天线在温度场和位移场综合作用下的变形模型；

6)将天线的最终变形模型导入HFSS电磁分析软件中进行电磁二次仿真，得到天线在实际工作环境下的电气指标；

7)将电磁二次仿真的结果与初次仿真结果进行比对，根据对比结果进行相应修正，使最终天线产品满足设计要求。

2 W波段平板缝隙阵天线耦合分析

依据天线多场耦合分析框架及分析流程，本文介绍了一种针对W波段平板缝隙阵天线的协同仿真方法，即根据弹载W波段平板缝隙阵天线的使用要求，重点分析天线在电磁场、温度场以及位移场等综合作用下的电气指标，从而能有效预测天线在实际使用过程中的电气指标，并对此进行有针对性的设计与完善，最后优化出天线结构。

2.1 电磁初次仿真

根据设计输入，在仿真软件HFSS中建立电气模型并进行电磁仿真，该天线主要由馈电波导、馈电缝隙、辐射波导、辐射缝隙和H-T功分器组成，如图3所示。仿真得到图4所示的电气指标。

图3 W波段平板缝隙阵电气模型

图4 电磁初次仿真结果

2.2 实体结构设计

在电磁仿真软件HFSS中将天线电气模型保存后缀为sat格式的文件，然后在三维设计软件Pro/e软件中读取该文件，进行模型转换，再根据环境使用条件、安装接口、加工工艺性等输入条件对该天线进行实体结构设计，其模型如图5所示。该天线由缝隙阵列、波导阵列、合成网络及输出层组成，整体尺寸为长63mm、宽32.3mm、厚6mm，重量为35g。

图5 W波段平板缝隙阵结构模型

2.3 热仿真分析

天线在使用过程中，由于实现了射频前端集成，而目前的3mm波段T/R组件工艺不够成熟，效率较低，发热量较大，使得天线温度逐渐升高，为了准确预测天线在实际工作过程中的电气性能，首先对天线所处的温度场进行仿真。

在结构设计中，将天线的三维结构模型在Pro/e软件中保存后缀为iges格式的文件，然后将该文件导入ANSYS软件中，选择实体单元，对该模型划分网格，输入材料相关特性以及温度边界条件，最后求解得到该天线的温度场分布如图6所示。

图6 天线温度场分布(单位：℃)

2.4 实体结构分析

天线的热应力是由于天线结构在温度的变化下发生形变，同时受到一定的约束而产生的，采用多功能有限元分析软件ANSYS，将热分析的数据输入到力学分析中，并加入力学分析所需要的弹性模量、热膨胀系数等相关参数即可求解热应力，其仿真分析流程如图7所示。

图7 热应力仿真分析流程图

ANYSY热应力分析模块对天线仿真结果如图8所示。图8(a)是等效应力云图，天线与外界安装部位应力最大，约355MPa，远离安装部位的边缘处应力最小，约303.6kPa。图8(b)是形变图，安装部位形变最小，边缘处形变最大，最大变形量大约0.01mm。

图8 热应力仿真结果

2.5 电磁二次仿真

在ANSYS软件中将天线结构分析后的最终模型保存后缀为sat格式的文件，将该文件导入到电磁仿真软件HFSS中进行仿真计算得到天线在实际使用过程中的电气指标。

图9 电磁仿真辐射方向图的初次与二次仿真结果

如图9所示，从电磁一次和二次仿真结果对比可以看到，W波段平板天线单一电磁场的仿真结果与热-结构-电磁多场耦合分析的结果有一定的改变：其中方向图的第一零点抬高，天线主瓣展宽，导致雷达测角精度降低，作用距离下降。引起这一改变的主要原因是环境温度升高使天线阵尺寸变大，边缘缝隙单元产生滞后相位。天线在实际工作中必然同时受到温度、环境应力、电磁场等多物理场的作用，因此W波段平板天线多场耦合分析得到的电气指标更具有实际意义。

3 结束语

采用多物理场耦合仿真方法对一部W波段低副瓣平板缝隙阵天线进行了仿真分析研究，重点开展了热-结构-电磁多物理场耦合分析，研究表明：随着环境温度等因素的变化，受约束状态下的天线会产生环境应力，使天线的电气尺寸发生改变，从而使天线的电气指标发生相应的改变，环境应力越大，电气尺寸改变也越大，电气指标恶化的程度也越大，对于高频天线而言，这种现象更为明显。因此，在高频天线的设计中，首先应进行天线多场耦合分析，根据分析的结果来修正天线的电磁仿真模型和结构设计，从而逐步逼近天线在实际使用环境下的电气指标要求，这对预测和优化复杂弹载环境下W波段平板缝隙阵天线的电气性能具有重要的意义。