电大尺寸目标远场雷达特性分析

Large Target, Far-Field Radar Signature Analysis

ANSYS，Canonsburg, Pa.

ANSYS HFSS 19.0具备了一项重要的新功能，即利用集成的HFSS SBR+求解器对电大尺寸目标和场景的雷达特性进行仿真。弹跳射线法（SBR）是物理光学（PO）框架中的一种射线跟踪技术，适合于高效求解电尺寸高达成千上万个波长的电磁（EM）问题。ANSYS Electronics Desktop中提供的高频EM求解器结合HFSS SBR+求解器，能够帮助雷达设计人员应用最好的分析技术来预测各种结构（从亚波长至千米波长）的雷达特性。

利用ANSYS 19.0，现有的HFSS客户不仅可使用久经验证的旗舰HFSS有限元（FEM）和积分方程（IE）求解器，还能使用SBR+求解器。凭借物理绕射理论（PTD）和一致性绕射理论（UTD）的扩展物理场功能，HFSS SBR+可针对各种结构进行精确高效的大规模EM仿真，比如包含金属和介质的结构，具有介电损耗、多层介质和吸波材料的结构。ANSYS现可提供面向所有高频EM求解器的统一图形界面，有助于通过统一顺畅的工作流程来求解复杂的EM问题。就雷达特性分析而言，HFSS SBR+可利用平面波激励的实现方案提供单站和双站雷达散射截面（RCS）的仿真功能。

ANSYS HFSS SBR+的高效RCS仿真有助于确定和控制商用和军用平台的雷达信号特性，如飞机、船舶、弹道导弹、潜水艇、地面车辆和卫星等。对整车进行RCS测量是一个成本高昂且耗时的过程；仿真不仅能减少原型测量，而且能缩短车辆概念设计周期。对于雷达隐身技术而言，缩小大型飞机、船舶和导弹的RCS至关重要，能够降低其被探测概率；仿真技术在上述的研究中非常重要，通过仿真可得到RCS数据进而预测被探测概率。

此外，仿真还有助于制定雷达的规范标准，以用于检测商用海运船舶，和确定相应的方法来减少风力涡轮机对航空交通管制雷达造成的杂波。ANSYS Electronics Desktop可提供目标模型构建、计算机辅助设计（CAD）导入和恢复、仿真、分布式计算和后处理等功能。

通过ANSYS高性能计算（HPC）技术，即利用CPU进行多核并行运算和高端GPU设备以及消费类视频图形适配器上的图形处理单元（GPU）进行加速，这些仿真技术可使得仿真效率显著提升。利用这种高效的解决方案，ANSYS HFSS SBR+用户可以仿真众多设计方案，从而彻底研究和优化大型车辆的复杂雷达特性。

举例而言，我们思考一下ANSYS Electronics Desktop中的导弹RCS分析，如图1所示。结果显示了电尺寸为385λ×70λ×70λ导弹的单站RCS，并将标准SBR得到的单站RCS解与使用PTD和UTD理论的SBR+求解器获得的结果进行比较。增加了SBR+的扩展物理场功能后，一些区域显示出更大的单站RCS响应，在导弹前端附近尤为明显。即使应用了扩展物理场功能，仿真仍然非常快速高效。在具有0.075GB RAM的四核计算机上只需要9分钟即可完成单独的SBR仿真。如图1(c)中的结果所示，高级绕射物理功能对于获得准确的迎头（nose-on）角度结果非常重要。

图1：10GHz下11.5m×2m×2m导弹的RCS：导弹的主极化响应(a)、主极化轴向切面图(b)、主极化SBR与SBR+PTD+UTD的对比(c)。

第二个实例显示了在1GHz下分析的运输船舶双站RCS，其平面波入射角为θ=-45度，φ=-45度（图2）。首先将船舶单独建模，然后与第二个添加了少量海水的船舶仿真进行比较。为了考虑水面的反射，研究人员模拟了一个具有适当损耗材料属性的400m×400m海水表面。在一台只需0.5GB RAM的四核计算机上，研究人员利用ANSYS HFSS SBR+求解器仅在86秒内就解决了这个1333λ×1333λ的电大尺寸问题。

图2：1GHz下104.6m×16m×18.5m船舶的双站RCS (a)、单独船舶的RCS (b)与考虑海水影响时船舶RCS(c)的对比。

最后一个实例显示了2.8GHz和10GHz下空客380飞机的RCS，而且图3中显示了共极化和交叉极化单站RCS响应。利用0.1GB RAM，在2.8GHz条件下，求解743λ×680λ×202λ的结构仅需2个小时。在10GHz下，电尺寸为2,654λ×2,428λ×721λ。

图3：2.8GHz(a)和10GHz(b)下79.62m×72.84m×21.62m空客380飞机的主极化和交叉极化RCS仿真。

在产品系列中增加HFSS SBR+求解器，意味着HFSS用户可以扩展求解频率范围，从而有助于分析设计方案的雷达特性。该流程高度自动化，而且与HFSS一样被紧密集成到相同的Electronics Desktop中，因此用户在仿真流程中可轻松采用这种新的求解器技术。如果在设计流程中需要对很高频率下的电大尺寸结构进行隐身和雷达特性分析，并将分析结果作为系统的关键性能指标，则HFSS SBR+就有用武之地。