相控阵天线的平台布局仿真设计Simulation and Design of the phased array antenna placement
智慧农业控制系统
王真刘志惠
(南京电子技术研究所南京210039)
半自动打包摘要: 随着相控阵天线技术的发展，天线设计工程师除了进行相控阵天线自身性能的详细设计以外，还更多地关注相控阵天线在载体平台上的布局设计，因为这样的载体平台布局设计才决定了相控阵天线最终可实现的性能特性，而非实验室的理论性能。相控阵天线与平台的一体化仿真也越来越借助FEKO等高频电磁仿真软件，本文从具体实例出发，论述了利用FEKO软件对相控阵天线的平台布局进行仿真优化设计。
关键词: 相控阵天线平台布局FEKO
Abstract:Along with the development of the phased array antenna technology, phased array antenna design engineers in addition to their own performance of detailed design, also pay more attention to the platform layout of the phased array antenna, because it determines the performance characteristics which the phased array antenna can realize, not the theoretical performance of laboratory. The platfor
m layout simulation of phased array antenna is becoming more and more with the help of a high frequency electromagnetic simulation software FEKO, etc, starting from the concrete examples, this paper discusses the platform layout of phased array antenna simulation optimization design by using FEKO.
Key words:phased array antenna，platform layout，FEKO
1 概述
随着相控阵天线技术的发展，天线设计工程师除了进行相控阵天线自身性能的详细设计以外，还更多地关注相控阵天线在载体平台上的布局设计，因为这样的载体平台布局设计才决定了相控阵天线最终可实现的性能特性，而非实验室的理论性能。
相控阵天线按照载体的不同可以分为地基固定、车载、机载、星载等不同类型，每一种类型的相控阵天线都会遇到需要连带载体一起进行的平台布局设计。而这样的平台布局设计所依赖的仿真软件一定要具备足够强大的仿真运算能力，可以进行平台级别的电磁仿真能力。相控阵天线按照工作体制可以分为无源相控阵天线和有源相控阵天线，其中有源相控阵
天线又可以分为模拟有源相控阵天线、数字有源相控阵天线以及半模拟半数字有源相控阵天线等等，
甚至还可以将光控相控阵天线加入这个体制分类。但是作为相控阵天线和载体平台之间的相互影响的仿真分析，可以将这些体制性的工作机理完全脱离，只剩下相控阵天线和载体简单的对接关系，使得电磁仿真工作简单而清晰。
FEKO是以矩量法（MOM）为核心的用于三维结构电磁场分析的仿真工具，并且引入多层快速多极子方法（MLFMM）、物理光学法（PO）、大面元物理光学法（LEPO）、一致性绕射理论法（UTD）、有限元法（FEM）、MLFMM/PO、MLFMM/LEPO等多种混合算法相结合的求解算法，可以很好地解决平台级别的电磁仿真设计问题。
2 地基相控阵天线平台布局设计（案列1）
2.1 平台布局设计需求
遇到的第一个案列是需要在一个大型地基相控阵天线的背瓣区域建立一个生活区，该生活区由于空间和地域的限制只能建立在距离相控阵天线地基平台背后约50米的位置，相控阵天线前向辐射区域为正负60度区域，背后的电磁环境特性对生活区的影响至关重要。在地基相控阵天线设计的初期就要考虑这个问题，所以，只能依赖于FEKO这样的电磁仿真软件进行整体布局和仿真设计工作。
2.2 模型的建立
用CADFEKO建立了地基平台的立体图形，并在平台上建立周期性的半波振子模拟真实的天线单元，每一个半波振子都有自己的馈电点，在EDITFEKO 里面对馈电点进行循环馈电。仿真的过程中，选择地面类型为一个无限大介质层，可以近似模拟地面对天线波瓣图的影响，在地基平台的背后50米位置设置一个弧形面区域作为电场分布的考核区域。并且为了优化设计，从平台的反射面大小、扼流槽的大小等方面对地基平台进行优化设计，得到不同的电场分布，选择电流分布较弱的位置进行生活区的布局设计。
2.3 模型的求解过程
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模型的求解利用的是矩量法和PO混合的求解算法，耗时时间约为5小时；
2.4 模型的解析结果
求解的具体结果参见下面的图形所示：
图1 地基相控阵天线平台布局实例
（1-1 正常规模；1-2 地基平台；1-3平台扩展；1-4 增加扼流）
3 机载相控阵天线平台布局设计（案例2）
3.1 平台布局设计需求
放电棒遇到的第二个案列是在飞机的机翼上放置一个相控阵天线，用以探测预警，这样的案例比较常见，因为涉及到相控阵天线的大角度波束扫描，所以优化放置的位置至关重要，实际案列中相控阵天线的单元数目为50个，扫描范围为正负60度，由于机翼的存在，对相控阵天线的波瓣形状、增益、副瓣电平、波瓣宽度等电性能指标都会造成一定的影响。这样的问题，也只能依赖于FEKO这样的电磁仿真软件进行建模和仿真优化设计工作。
3.2 模型的建立
用CADFEKO建立了相控阵天线的立体图形，其中机翼模型是由结构设计师提供的SAT 三维模型直接导入FEKO软件，同样用半波振子模拟真实天线单元的形式，排列成50个周期排列的天线阵列，并在EDITFEKO里面循环设置激励的幅度和相位参数，设置扫描角度和天线单元激励相位的对应关系等。
3.3 模型的求解过程
模型的求解利用的是标准的矩量法求解，耗时时间约为3小时。
猪肉精3.4 模型的解析结果
求解的具体结果参见下面的图形所示。
3.4.1 天线在机翼上方
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图2 机载相控阵天线平台布局实例（天线在机翼上）
（2-1 法向立体波瓣；2-2 方位切面波瓣；
2-3 方位扫描30度立体波瓣；2-4方位扫描30度切面波瓣；
2-5 方位扫描60度立体波瓣；2-6 方位扫描60度切面波瓣）3.4.2 天线在机翼下方
图3 机载相控阵天线平台布局实例（天线在机翼下）
（3-1 法向立体波瓣；3-2 方位切面波瓣；
3-3 方位扫描30度立体波瓣；3-4方位扫描30度切面波瓣；
3-5 方位扫描60度立体波瓣；3-6 方位扫描60度切面波瓣）
4 分析与结论
由以上两个案例可以看出，FEKO建立的模型可以给予用户一种非常合理和准确的仿真结果，指导用户进行相控阵天线在载体平台上的布局设计，文中给出的两个实例已经具有非常巨大的工程参考价值，并在实际工程设计中得到了广泛应用和推广。
5 参考文献
[1]张光义.相控阵雷达原理.北京：国防工业出版社，2009
[2]张祖稽，金林，束咸荣. 雷达天线技术. 北京：电子工业出版社，2004
[3]束咸荣，何炳发，高铁. 相控阵雷达天线. 北京：国防工业出版社，2007
[4]吴鸿超，万长宁，熊慎伟，王建明，刘国朝.《数字相控阵雷达发射多波束特性研究》.《微
波学报》，2014,1：6-9
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