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窄波束，提高測角精度，因此常用于毫米波成像設備和高精度彈載雷達導引頭[1-2]。

平板縫隙陣天線結構緊湊、剖面低、輻射效率高，容易實現低副瓣，目前已成為毫米波雷達導引頭和機載火控雷達的主要天線形式[3]。在設計傳統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，然后再依據使用環境并結合天線的電氣仿真結果進行相應的結構設計。以上設計方法的不足在于無法預測和評估天線使用過程中的環境應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境的測試得到天線的真實電氣性能指標。由于W波段頻率高，波長短，其電氣性能對環境應力引起的天線尺寸變化非常敏感，此時電氣理論仿真結果與實際情況使用會存在較大的差異，因此傳統的天線設計方法已不能滿足W波段平板縫隙陣天線的設計要求。

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象[4]。本文研究的W波段平板縫隙陣天線的設計過程主要涉及到由力學、熱學以及電磁學構成的一個多物理場耦合系統，多場耦合情況下的設計方法選擇及基于使用環境的電氣性能優化對天線結構和性能影響重大。

為滿足W波段平板縫隙陣天線在復雜彈載環境下的使用要求，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構和電氣性能的設計，重點研究了復雜彈載環境下的熱-結構-電磁多場耦合的仿真設計技術，研究工作對提升彈載環境下W波段平板縫隙陣天線的電氣指標具有重要的意義。

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進行分析，其統一的數學表達式為[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境中，其相互關系如圖1所示。

圖1 天線的多場耦合關系圖

1.2 天線多場耦合分析框架

天線多場耦合仿真技術是指不同專業領域的電氣設計師、結構設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，并在分布式環境中進行仿真計算和分析的復雜有限元模擬方法[6]。

天線多場耦合分析框架如圖2所示，根據設計輸入，依次進行CAD建模、電磁初次仿真、模型轉換、結構設計、熱分析、結構分析、模型轉換、電磁二次仿真等，電氣設計師與結構設計師密切配合，電磁仿真軟件HFSS、力學分析軟件ANSYS、三維設計軟件PRO/E相互關聯，達到數據共享、資源統一調配，并使任何數據調整同時對其他節點進行相應的及時更改，達到仿真結果準確一致。

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)根據設計輸入，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，導入電磁分析軟件HFSS軟件中進行電磁仿真，將仿真結果與設計輸入進行比對，如有差距，修改參數化模型，再仿真，直到仿真結果滿意為止，最后將滿意的模型保存；

3)將電磁初次仿真得到的滿意結果導入到三維設計軟件Pro/e軟件中，根據天線環境使用要求，進行相應的實體結構設計；

4)在有限元分析軟件ANSYS軟件中，根據環境溫度等邊界條件對設計的天線結構模型進行熱仿真；

5)以熱仿真得到的計算結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境下的電氣指標；

7)將電磁二次仿真的結果與初次仿真結果進行比對，根據對比結果進行相應修正，使最終天線產品滿足設計要求。

2 W波段平板縫隙陣天線耦合分析

依據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同仿真方法，即根據彈載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，從而能有效預測天線在實際使用過程中的電氣指標，并對此進行有針對性的設計與完善，最后優化出天線結構。

2.1 電磁初次仿真

根據設計輸入，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、饋電縫隙、輻射波導、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。

圖3 W波段平板縫隙陣電氣模型

圖4 電磁初次仿真結果

2.2 實體結構設計

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，然后在三維設計軟件Pro/e軟件中讀取該文件，進行模型轉換，再根據環境使用條件、安裝接口、加工工藝性等輸入條件對該天線進行實體結構設計，其模型如圖5所示。該天線由縫隙陣列、波導陣列、合成網絡及輸出層組成，整體尺寸為長63mm、寬32.3mm、厚6mm，重量為35g。

圖5 W波段平板縫隙陣結構模型

2.3 熱仿真分析

天線在使用過程中，由于實現了射頻前端集成，而目前的3mm波段T/R組件工藝不夠成熟，效率較低，發熱量較大，使得天線溫度逐漸升高，為了準確預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。

在結構設計中，將天線的三維結構模型在Pro/e軟件中保存后綴為iges格式的文件，然后將該文件導入ANSYS軟件中，選擇實體單元，對該模型劃分網格，輸入材料相關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 實體結構分析

天線的熱應力是由于天線結構在溫度的變化下發生形變，同時受到一定的約束而產生的，采用多功能有限元分析軟件ANSYS，將熱分析的數據輸入到力學分析中，并加入力學分析所需要的彈性模量、熱膨脹系數等相關參數即可求解熱應力，其仿真分析流程如圖7所示。

圖7 熱應力仿真分析流程圖

ANYSY熱應力分析模塊對天線仿真結果如圖8所示。圖8(a)是等效應力云圖，天線與外界安裝部位應力最大，約355MPa，遠離安裝部位的邊緣處應力最小，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 熱應力仿真結果

2.5 電磁二次仿真

在ANSYS軟件中將天線結構分析后的最終模型保存后綴為sat格式的文件，將該文件導入到電磁仿真軟件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。

圖9 電磁仿真輻射方向圖的初次與二次仿真結果

如圖9所示，從電磁一次和二次仿真結果對比可以看到，W波段平板天線單一電磁場的仿真結果與熱-結構-電磁多場耦合分析的結果有一定的改變：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境溫度升高使天線陣尺寸變大，邊緣縫隙單元產生滯后相位。天線在實際工作中必然同時受到溫度、環境應力、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更具有實際意義。

3 結束語

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-結構-電磁多物理場耦合分析，研究表明：隨著環境溫度等因素的變化，受約束狀態下的天線會產生環境應力，使天線的電氣尺寸發生改變，從而使天線的電氣指標發生相應的改變，環境應力越大，電氣尺寸改變也越大，電氣指標惡化的程度也越大，對于高頻天線而言，這種現象更為明顯。因此，在高頻天線的設計中，首先應進行天線多場耦合分析，根據分析的結果來修正天線的電磁仿真模型和結構設計，從而逐步逼近天線在實際使用環境下的電氣指標要求，這對預測和優化復雜彈載環境下W波段平板縫隙陣天線的電氣性能具有重要的意義。