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  • 共形天线阵列方向图分析与综合
  • 一种实用化宽频带共形天线的研究,高翔,王均宏,基于共面多谐振片技术,提出了一种适用于民用航空无线电导航通信系统(5~5.15GHz、5.15~5.25GHz和5.35~5.46GHz)中的宽频带共形天线。该
  • 共形天线阵弹载布局

    2020-08-18 07:13:00
    共形天线阵:12个微带贴片 工作频率:2.4GHz 计算相控阵天线方向图和表面电流 二、主要流程: 启动CadFEKO,打开工程:missile_Layout_start.cfx,另存为missile_Layout_start_Phased array 2.1:变量说明: ...

    一、模型描述

    1.1模型描述:

     

    图1:阵列天线+导弹全模型示意图

    1.2计算方法描述:

    采用FEM与MLFMM混合求解

    设置CFIE方法提高收敛性

    1.3计算参数:

    共形天线阵:12个微带贴片

    工作频率:2.4GHz

    计算相控阵天线方向图和表面电流 

    二、主要流程:

    启动CadFEKO,打开工程:missile_Layout_start.cfx ,另存为missile_Layout_start_Phased array

    2.1:变量说明:

    在CadFEKO中左侧的树型浏览器中双击“Variables”节点,依次定义如下变量:

    工作频率:freq=2.4e9

    工作波长:lam0= c0/freq

    天线激励幅度:m1、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10、m11、m12

    天线激励相位:p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8、p9、p10、p11、p12

    介电常数:patch_relative_permittivity=4.35

    介质损耗角正切:patch_tan_delta=0

     

    图2:变量定义

    2.2:模型导入:

    通过几何接口导入missile.x_t文件。

      

    图3:Parasolid几何接口读入文件

     

     

    图4:读入几何模型默认为PEC材料

    在左侧树型浏览器中,展开“Model->Geometry”节点,同时选中导入的模型“GeomImport1”和“GeomImport2”,点击鼠标右键“Apply->Union”(或直接点击键盘的U键),把新生成的模型更名为“Missle”;

    2.3:设置模型材料

    在左下角Details工程树中,选择region465,如右图,为空气材料,点击右键,选择Properties

        

    图5:选择Region465空气模型设置为Air材料

     

     

    图6:完成空气材料设置

    Region466保持默认材料Free space

     

     

     

      

    图7:选择Region467微带模型设置为patch_substrate材料

     

    图8:定义patch_substrate材料

    设置微带天线阵的贴片和地板为PEC,Display options,选择Cutplanes,选择Global ZX平面,勾选Active。

      

    图9:观察导弹切面模型

     

     

    图10:修改微带贴片和地面为PEC

     

    图11:微带天线贴片和地板设置为PEC模型

     

    图12:空气与弹体结合面设置为金属

    设置弹体与空气的公共面为PEC,选择弹体表面(如下图),点击右键,选择Properties,弹出face properties,点击solution菜单,Integral equation 下来菜单选择Combined field

     

    图13:选择弹体表面

     

    图14:设置弹体表面为混合场积分方程(提高求解收敛性)

    2.4:设置计算方法

    选择空气Air region,点击右键,选择Properties,弹出Region properties,Solution菜单下选择FEM方法

     

    图15:设置空气模型用FEM算法求解

    选择介质patch substrate region,选择Properties,弹出Region properties,Solution菜单下选择FEM方法

     

    图16:设置微带介质模型用FEM算法求解

     

    点击菜单“Solve/Run”中的“Solver Settings”,弹出“Solver Settings”对话框,进入“MLFMM/ACA”标签:

    勾选:Solve model with the multilevel fast multipole method (MLFMM)

    点击“OK”

     

    图17:设置计算方法为MLFMM

    “Solver Settings”对话框中,点击Preconditioner,Advanced solver下拉菜单中选择Iterative solver ,Stopping criterion for residuum :0.007

     

    图18: 设置模型迭代余量

    2.5:设定FEM Line端口:

    添加有限元Line port,选择几何Details对话框中,Wires中的金属线wire3931,点击右键,Create port 创建FEM Line port。依次对wire3932~wire3942定义FEM Line port

     

    图19:定义有限元线端口

    图20:阵列天线端口加载显示

    2.6:电参数设置:

    在左侧树型浏览器中,由“Construct”切换到“Configuration”:

    工作频率设置:展开“Global”,双击“Frequency”,弹出“Solution frequency”对话框:

    选择:Single frequency;

    Frequency (Hz): freq

    点击OK

    激励设置:在“Global”中,选中“Sources”点击鼠标右键选择“Current source”,弹出“Add Current source ”对话框:

     

    图21:定义天线1端口激励的幅度相位

    点击Add

    Label:CurrentSource1

    修改Port:port2,添加激励,点击Add,依次对port2~port12添加激励,幅度为M2,相位为P2; port3幅度为M3,相位为P3;port4幅度为M4,相位为P4;port5幅度为M5,相位为P5;port6幅度为M6,相位为P6;port7幅度为M7,相位为P7;port8幅度为M8,相位为P8;port9幅度为M9,相位为P9;port10幅度为M10,相位为P10;port11幅度为M11,相位为P11;port12幅度为M12,相位为P12。

     

    图22:定义天线2端口激励的幅度相位

     

    求解设置:在“Configuration specific”中,选中“Requests”点击鼠标右键选择“Far fields”,弹出“Request far fields”对话框:

    点击“3D Pattern”按钮;

    修改theta 的Increment:1

    Phi的Increment:2

    Label: 3D

    点击“Create”。

     

    图23:远场方向图求解设置-3D Pattern

    添加模型表面电流,在“Configuration specific”中,选中“Requests”点击鼠标右键选择“Far fields”,弹出“Request Currents”对话框:

     

    图24:添加表面电流分布

    2.7:网格划分:

    点击菜单“Mesh->Create mesh”弹出“Create mesh”对话框,设置如下:

    网格剖分方法Mesh size : Coarse

    点击:Mesh 生成网格。

     

    图25:定义网格划分

     

    图26:导弹网格模型

    2.8:提交计算:

    进入菜单“Solve/Run”,点击“FEKO Solver”,提交计算。可以选择并行模式。

    2.9:后处理显示结果:

    计算完成之后,点击“Solve/Run”菜单中的“PostFEKO”或快捷键“Alt+3”,启动后处理模块PostFEKO显示结果。

    显示3D结果:

    直接进入3D模型,在“Home”菜单,点击“Far field->3D”,会在模型中显示的3D增益方向图,在右侧控制面板的Traces区域,自动生成3D,选中3D View results: 3D,在控制面板中进行设置:

    可以看到并修改为:

    Quantity中勾选:dB

      

    图27:3D辐射方向图(线性显示)

     

    图28:3D辐射方向图(对数显示)

    显示3D结果:

    在“Home”菜单,点击3D view ,添加一个3D模型视图,点击“current->current1”,会在模型中显示的3D模型表面电流分布:

    Quantity 菜单

    选择Instantaneous magnitude

    选择dB

     

    图29:导弹表面电流对数设置

    点击Mesh-> Tetrahedra ,取消Face勾选

     

    图30:网格显示设置,关闭体网格显示

     

     

    图31:导弹表面电流分布

    显示2D结果

    在“Home”菜单,点击“Cartesian”,进入直角坐标系“Cartesian Graph1”,点击“Far field->3D”,在右侧控制面板的Traces区域,自动生成D,选中Trace:3D,在控制面板中进行设置:

    可以看到并修改为:

    Independent axis(Horizontal): Theta(wrapped)

    Phi: 0 deg(wrapped)

    勾选:dB

     

    图32:XOZ平面辐射方向图(俯仰面方向图)

    增加智能光标,Measure菜单下,点击point->global maximum,显示最大增益;Measure菜单下,点击beam width->half power(-3dB)

     

     

    图33:XOZ平面辐射方向图最大增益和3dB波束宽度显示

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  • 本文介绍了Ku波段12*12波导馈电微带共形阵列天线的设计,共形面为微带线串联馈电的微带线阵,轴向采用波导网络对微带线阵耦合馈电。提出的对称双缝耦合馈电有效抑制耦合缝的辐射,提高天线效率和极化纯度。
  • smart skin 共形天线

    2020-10-27 09:46:27
    待更新

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  • 1、引言在飞机、导弹等高速飞行的载体上,要求天线不能影响载体的动力学特性,除了将天线安装在天线罩中外,还可以使天线与载体物理共形,近年来可穿带技术也需要共形天线技术。微带天线具有易共形的特征,因此共形...

    1、引言

    在飞机、导弹等高速飞行的载体上,要求天线不能影响载体的动力学特性,除了将天线安装在天线罩中外,还可以使天线与载体物理共形,近年来可穿带技术也需要共形天线技术。微带天线具有易共形的特征,因此共形微带天线研究成为热点。目前,研究较多的为柱面[1]、球面[2]等规则形状微带天线,研究方法从简单的、精确度较差的传输线理论、腔模理论过度到复杂的、精确度高的全波分析理论。这里,我们采用全波分析理论,实现对共形微带天线的精确分析。

    积分方程法是全波分析理论中的一种常用方法,在分析共形微带天线时,主要采用两类积分方程法,应用较多的是体面积分方程法[3],这种方法适用范围广,理论上可以分析电小尺寸、任意曲面的共形微带天线,且计算过程简单。该方法对天线进行整体剖分,导体面和介质体一般采用三角面剖分和四面体剖分,采用矩量法求解表面等效电流和体等效电流。但其计算大尺寸阵列时会产生庞大的未知量,甚至容易产生内存溢出的现象。虽然,借助于快速算法可以扩大体面积分方程法的应用范围,但其消耗的计算机内存也是相当大的。在载体面规则的情况下可以采用另一类方法-基于分层媒质格林函数的面积分方程法[4],这种方法只需将导体面进行剖分,介质体不需要进行体剖分,其影响体现在该结构下的并矢格林函数里。这样,产生的未知量相比体面积分方程少的多,缓解了计算机内存压力,适用于较大尺寸的阵列分析。本文采用的即为第二类积分方程法。

    采用面积分方程法分析的重要环节是对相应载体结构的并矢格林函数的求解,以柱面、球面为例,本文采用面积分方程法分析了共形微带天线的性质。天线模型采用细条带等效探针激励的方式,通过引入半RWG 函数以及边界电荷,成功构建了一种可行的激励模型,重点分析了矩量法过程中阻抗矩阵以及电压向量的计算。另外,本文利用快速算法分析了共形微带天线阵列的辐射特性,为共形微带天线的研究提供了理论支撑。

    2、理论分析

    共形微带天线结构如图1 所示,分层结构第一层为空气层,第二层为介质层,最内层为金属接地导体。图中任意形状的贴片为不计厚度位于介质层与空气层的交界面上。

    804cb5f823f615821fb27359ca287348.png

    图1、共形微带天线示意图

    正如引言所述,本文采用面积分方程法对其进行分析,根据贴片与探针表面切向场为零,采用伽略金法的矩量法求解,其阻抗矩阵可以表达为

    a6e6cdd5bc9286d07bbd097d6f20f051.png

    (1)

    其中,fm为检验基函数,下标a,b,c 为相应坐标系的三个分量,分析柱面采用柱坐标系下的ρ, φ, z,分析球面采用球坐标系下的θ,φ, r。

    d864c0dcadca9ad5b32ed922e3a13b46.png

    为并矢格林函数。J 为贴片和探针表面的电流,需要对贴片和探针进行三角形离散,采用RWG 基函数模拟表面电流。在此过程中,并矢格林函数的求解是首先要解决的难点之一,目前,关于柱面,球面情况下并矢格林函数的求解已有不少成果[5-7],本课题组对两种情况下求解格林函数做了大量工作[8-11],这里归纳出两类格林函数之间的异同,它们在以下两个方面相似:

    (1) 除了细节差异,两者主体推导思路相似,都是基于复杂媒质中波的传播理论为基础。

    (2) 两者场型格林函数都表现出了收敛速度慢的缺陷,都可以采用相似的方法-格林函数渐近项提取的方法来改善格林函数的收敛速度。

    在以下两个方面有所不同:

    (1) 在函数形式上不同,柱面格林函数为积分形式,而球面格林函数为双级数和形式。

    (2) 在推导过程中,柱面结构中TE 波与TM 波发生耦合,而球面结构中TE 波与TM 波不发生耦合。

    鉴于篇幅限制,不再对两者详细的推导过程做出解释。根据矩量法,求解出天线表面的等效电流,即可得到天线特性。

    3、激励源的构建

    在分析过称中需要考虑的是激励源的构建,本文中采用RWG 函数来模拟贴片与探针的电流分布,激励源并不能采用常用的边馈法,RWG 函数边馈法要求在两个三角形的公共边上添加δ源。此处由于探针底部的边并不是三角形对的公共边,而是边界边,RWG 函数在边界边上并没有定义,如图2 所示。

    90a005d345154dc82b54fcc8bf12be69.png

    图2、探针底部示意图以及半RWG 函数

    这里,引入了半RWG 函数,顾名思义,半RWG 函数只在一个三角形上定义,其形式为[12]

    0b2df49de7ee766f999b43c4a23d9d5b.png

    (2)

    其中,Ak表示三角形Tk的面积;lk表示边界边的长度;ρk代表Tk边界边对应角点到三角形内任意点的矢量。该三角形上的电荷密度为

    9a177f3f56dbdc3fe4cf154e951033aa.png

    (3)

    则Tk三角形内的电荷为-lk/ jω,根据电荷守恒定律,边界边上的电荷为lk/ jω,电荷密度为

    d76f7b1c9557c52fe292c90af206dd80.png

    (4)

    δ(r-r’)表明电荷只分布在边界边上。需要说明的是,这里只在激励源处定义了半RWG 函数,其他边界边不需要定义。此时,可以添加电流源,也可以添加δ电压源,具体分析过程可参考文献[12]。在矩量法分析中,需要求解阻抗矩阵Z 和电压矩阵V。

    电流源激励是将稳定的电流源添加在探针底端的一个三角形上,可以采用半RWG 函数的形式,电流密度系数为1,为

    ef1fb1ffcbf71519aadd969c98664fb0.png

    (5)

    根据矩量法,V 矩阵可表示为

    39163c7cc17df6661e998f2ff71d00f9.png

    (6)

    电压源激励时的V 矩阵比较简单,在探针底端馈电边为lnV ,其他公共边上为零,即

    (7)

    在分析过程中,我们得到如下结论[12]:当天线剖分网格相同时,电流源激励比电压源激励少一个激励源处的基函数,得到的电流分布并不相等。电流源激励的阻抗矩阵为电压源阻抗矩阵的一部分,少了激励源处自阻抗元素以及互阻抗元素。电流源处的自阻抗元素和互阻抗元素用于求解V 矩阵以及输入阻抗。虽然电流源与电压源激励分析角度有所区别,但最终得到吻合一致的输入阻抗值。

    4、共形微带天线阵列的计算

    分析共形微带天线阵列会面临未知量多、计算效率低的缺陷,需要结合快速算法来改善效率。特征基函数法是适合分析本文对象的一种算法。目前,特征基函数法结合其他算法被广泛应用于对电大尺寸目标的散射与辐射分析[13]。它通过将目标分成若干子域,降低阻抗矩阵的维数,对各个分块操作提取主特征基函数与次特征基函数,进而构造一个降阶的阻抗矩阵。

    首先,将阵列天线进行分块,由于阵列天线是贴片个体组成的,可以将单个贴片视为一个子域,这样不需要考虑子域连接处电流的不连续性。

    其次,为了反映子域间的耦合作用,要对每个子域提取次特征基函数,第一阶次特征基函数通过其他所有子域主特征基函数产生的场计算出来的,同理,第二阶次特征基函数通过其他子域第一阶次特征基函数产生的场得到的,以此类推,可计算出任意高阶的次特征基函数。

    在分析过程中,有几点需要注意:

    (1) 由于贴片都是相同的,因此可以将贴片剖成相同的数据网格,这样所有子域的主特征基函数相同,降低了计算的复杂度。

    (2) 在得到次特征基函数时,需要计算子域间的互阻抗矩阵,对于周期性天线阵,我们可以根据子域间的相互位置关系以及矩阵本身的对称性来减少互阻抗矩阵的计算。

    (3) 通过设置门限进一步减少互阻抗矩阵的计算,门限的设置忽略了远距离或者耦合弱的子域产生的次特征基函数,多次试验经验表明,当两个子域间的距离超过2λ时,其产生的耦合作用即可忽略。

    (4) 对于非周期性天线阵列,子域间的相对位置关系并不固定,因此考虑子域间的互阻抗矩阵个数会跟多,这里可以采用等效偶极矩法进行近似计算,可以提高计算效率。限于篇幅,不再介绍等效偶极矩的原理。

    5、天线数值计算

    本文计算了一副条带馈电圆柱共形微带天线的输入阻抗和辐射特性。圆柱结构如图1 所示,接地圆柱半径a0=50mm,介质厚度h=0.795mm,介电常数ε1=2.3 , 贴片高度2d0=30mm, 宽度2a1φ0=40mm ,φs=0°,zs= 10mm。激励源采用电源激励。仿真计算输入阻抗结果如图3 所示,与文献[14]吻合较好,说明了本文处理的正确性。

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    图3、柱面共形微带天线的输入阻抗对比图

    另外,本文计算了一副球面非周期对称阵列微带天线,排列方式按照图4 的二十面体网格形式排列,矩形贴片的尺寸为7.2X5 mm2,金属球体半径为76 mm,介质厚度为0.25 mm,介电常数为2.94,探针距离贴片中心的弧长度为1 mm。围绕中心阵元的第一圈的弧长度为15 mm,第二圈的弧长度为30 mm,每一圈内的阵元之间的弧长度都相等,激励源采用等幅同相的电压源。工作频率为16.2 GHz。

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    图4、非周期排列的阵列模型俯视图

    这里采用FEKO 仿真结果加以对比,如图5所示。需要指出的是FEKO 软件采取天线整体全剖分方式,未知量数目多,接近计算机内存最大值,而本文内存消耗几十兆,节省了内存。从图中可以看出,本文分析计算的正确性。

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    图5、非周期排列的阵列E 面与H 面远区场图

    6、结论

    本文以两种曲面为例,采用了面积分方程法分析了共形微带天线的性质。天线模型采用细条带等效探针激励的方式,通过引入半RWG 函数以及边界电荷,成功构建了一种可行的激励模型,分析了矩量法过程中阻抗矩阵以及电压矩阵的计算。另外,本文利用快速算法分析了共形微带天线阵列的辐射特性。

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    在圆柱体侧面的共形贴片天线如何建模?

    使用HFSS的缠绕功能wrap sheet可一次性将分离的多个平面以某一待缠绕物体的表面为参考面进行缠绕操作,如图1.23(a)所示,先将待缠绕的平面与被缠绕的物体(黄色圆柱体)相交(某一边接触即可,从HFSS2015开始无需接触也可缠绕)。

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    1.23(a) 准备缠绕前工作

    通过modeler->surface->wrap sheet功能,一次性将贴片平面缠绕至圆柱体被缠绕体上。

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    1.23(b) 一键缠绕

    缠绕后的共形贴片天线,完成建模

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    1.23(c)

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  • 提出了一种新型超宽带(UWB)高增益的双频段口径天线阵。该天线阵由四个T组合的双极化天线、一个6×6的波导缝隙阵列天线和一块圆形金属基板组成。双极化天线工作于2.33~12 GHz,采用全金属Vivaldi天线T排列,...
  • 针对共形阵列天线方向图综合所需迭代次数大,且算法的收敛对初始值敏感问题,本文采用DPSO算法对半球共形阵赋形方向图综合进行了研究,通过对半球共球阵模型的建立,推导了所建模型的方向图函数。仿真结果表明,DPSO...
  • 文章对运载火箭共形相控阵卫星数据链传输过程中的自由空间衰减、大气衰减、火焰衰减、极化衰减、天线指向误差损耗、雨衰等进行了分析,并对火箭飞行过程中,S波段箭载共形相控阵卫星数据链的安全裕度进行了仿真。

空空如也

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共形天线