1、天线罩电气分析程序的模块化设计莫锦军袁乃昌毛钧杰(国防科技大学电子工程学院长沙410073)摘要:研究了三维射线跟踪法分析天线罩电气特性的基本原理,开发了实用计算程序;模块化的程序设计技巧,使程序更为通用和强有力:实例计算表明结果良好。关健词:天线罩射线跟踪法电气分析模块化设计天线罩电气性能分析在各种有罩雷达系统的设计和测试中占有极为重要的地位。几十年来,如何正确高效地估算加罩天线的方向图畸变、功率传输系数以及瞄准误差等特性一直是天线罩研究设计人员的关心焦点。为此,人们先后发展了射线轨迹法、平面波谱法和表面积分法等多种分析方法:但,目前有关的报道大多基于某一具体的算法研究或应用。为建立一个通用
2、的天线罩分析程序,我们以成熟高效的几何光学射线跟踪法为技术背景,尝试用模块化方法进行程序设计,获得了较好的效果,达到了有效、通用和强有力的预期目的。1射线跟踪法分析天线罩严格地计算和分析“天线一天线罩”系统特性是非常困难的任何方法都必须是质量和效率的折衷。在分析天线罩的诸多:疗法中,几何光学射线跟踪法是发展最早最为成熟且商效直观均方法之一。它基于以下几点假设【1】:(1)电波在天线近区内为平面波,它从口径出发沿直线传播:(2)天线罩的曲率半径远大于波长,天线发出的电磁波与罩壁的作用l可看作平面波向介质平板入射;(3)罩壁材料是均匀、线性且各向同性的。因此,在忽略罩壁与天线之间多次反射的影响后,
3、我们近似认为天线产生的是一束垂直于天线口径的平面的平行波束,它们沿直线传播,大部分能量穿过天线罩后在罩外近区形成一个与原口径大小相等且平行的等效口径,远区辐射波瓣由等效口径上的场分布决定,如图l所示。可见,几何光学射线跟踪法分析天线罩的根本是求等效口径的场分布。等效口径场的求解一般采用离散化的方法。可以证明,:当采样间隔远小于波长时结果具有不变性。因此,设天线口径的场分布为Amexp(jo。)H1和n分别表示离散化序数。当序数为m、n的射线穿过天线罩时,幅度耍乖上IL。l,相位要滞后一插入相移俨D。,它们都是与此射线的入射角和极化角有关的量。则等效口径的场分布为-386-厶。I瓦。exp(,(
4、p。一PD。) (2)至此,加罩天线方向图可通过对(2)式力权辐射元网子后累加(积分)求得。2模块化程序实现由上节的分析,不难得出几何光学法计算天线罩特性的基本框图,如图2所示。强2计算过程方框图可见,整个计算程序可划分为几个相对独立的模块:(1)入射角、极化角求解模块对天线口径上的每一采样点,按扫描角大小和天线座结构转换到罩坐标并写出射线方程;不管罩体是什么形状,都可通过几何方法求出其与射线方程的交点;进而确定入射角和极化角。本模块的相对独立实现了罩体形状的可变性。(2)传输率l孙插入相移IPD求解模块罩壁局部近似为多层介质平板后,用等效网络理论分析【2,对任意层数和参量的罩壁,按模块(I)
5、求得的入射角只和极化角,可求得其复传输系数r。=IL。k儿,N则插入相移口jD=era。一ko cosOj以,、疵分别是波数和第n层介质厚度。n。!(3)由口径场求辐射方向图模块本模块对不同的天线形式调用不同的计算函数,可对微带帖片阵、开槽阵、纯粹电(磁)场口径及其它形式天线的仿真口径进行计算。(4)功率传输系数、瞄准误差等特征量计算模块本模块调用模块(3)。比较有无罩方向图主瓣大小得功率传输系数,瞄准误差则通过对加罩差波束方向圈一维搜索确定零深位置获得。可在此扩展其它特征量的计算。(5)计算结果可视化模块本模块实现计算结果的直观灵活显示,使用户从繁杂的数据中获取感兴趣的特征信息。基本功能有平
6、面曲线显示和着色比较等,进一步可开发三维数据可视化功能。鉴于Visual C+强大灵活的计算功能和完美齐全的可视化开发工具,并考虑到主流性,我们选用基于Windows 98的Visual c+60来实现所有模块,然后集成为一个界面良好的应用程序。3873计算实例及分析为验证程序的有效性,我们进行了多个实例计算,这里给出其中一个的结果。此例中,罩体是长细比为25的正切尖拱形外壳长17,选用等激励的单脉种圆形天线(半径为5 x);单层壁:厚O28,介电常数为40,损耗角正切为0015。当频率为lOG1z对,零扫描角辐射方向图如图3所示,图4和图5则分别反映天线罩功率传输系数和瞄准误差随扫描角的变化
7、曲线。图3显示,加罩后的变化趋势与文献3基本吻合,其中一个显著特点是副瓣电平明显提高。图4的理论解释是扫描角较小时射线的入射角都较大,因此传输效率最小:随扫描角加大, 图3无罩和加罩天线方向图比较入射角变小,传输效率也不断增大:到一定的角度后,插入相移的不一致成为主要影响,传输效率缓慢变小。图5的瞄准误差在零扫摧角时,完全轴对称,为零:然后随不对称程度的增加而加大:最后,归于对称丽下落。angle(degree)图4天线罩功率传输系数4结论bse(degree)1:嫩:基j:燃:一4一一4一一一m一_一一、o一jI。!一ZI一;一囊一一 ,:!:ll,划:嚣:薯:。“。”。”嚣“嚣)圈5瞄准误差实例计算表明,本文所用方法是有效可行的,模块化的设计方法使程序更为通用强大。可容易地实现多种罩壁结构、多种罩体外形和多种天线形式组合的天线一天线罩系统的多种电气特性预估适用于各种有罩雷达系统的性能分析和选形设计。本课题是合同项目,待进步完善操作界面后,将交付甲方实践使用。参考文献【l】张开信运用射线跟踪技术计算天线罩对天线辐射性能的影响现代雷达,1992(2):9097【2】D-J,KozakoffAnalysis ofradomeenclosed antennasBoston:ArtcchHouse,1997【3】AD-I004355