搜索ANSYS對(duì)航空器電子產(chǎn)品天線及隱身設(shè)計(jì)解決方案
2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
1.綜述
天線設(shè)計(jì)就是根據(jù)無(wú)線電系統(tǒng)提出的要求設(shè)計(jì)滿足性能指標(biāo)的天線,其典型的設(shè)計(jì)過(guò)程一般分為選型階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、測(cè)試階段、定型階段和生產(chǎn)階段五個(gè)過(guò)程。特殊的航空航天器,如軍用航空航天器,還要求有隱身或部分隱身能力(通過(guò)雷達(dá)散射截面評(píng)估),以提高其在戰(zhàn)場(chǎng)上的存活率。隱身設(shè)計(jì)需要計(jì)算雷達(dá)散射截面(RCS),是散射問(wèn)題。
由于電磁場(chǎng)仿真軟件不僅可以代替試驗(yàn)獲得天線性能和飛機(jī)的RCS指標(biāo),節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力,而且可以大大縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間,從而在天線設(shè)計(jì)和RCS中得到了廣泛的應(yīng)用。電磁場(chǎng)仿真軟件主要應(yīng)用在選型論證階段與方案設(shè)計(jì)階段:在選型階段可以利用仿真軟件對(duì)意向型號(hào)進(jìn)行初步分析論證,從而保證選擇可行的方案;在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段可以利用仿真軟件,一方面可以分析不同方案的天線電性能指標(biāo),另一方面可以針對(duì)特定目標(biāo)對(duì)感興趣的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從而提高產(chǎn)品的性能、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。
2.天線及RCS設(shè)計(jì)對(duì)仿真軟件的要求
工程應(yīng)用中,天線具有很多種類與結(jié)構(gòu)類型。從結(jié)構(gòu)上看,有線天線、面天線與陣列天線;從天線電尺寸上看,天線的電尺寸從不到一個(gè)波長(zhǎng)到上千個(gè)波長(zhǎng),覆蓋了很大的范圍;此外,由于天線都是安裝在一定的載體上,放置在一定的環(huán)境中,天線設(shè)計(jì)時(shí)最好還能考慮載體與環(huán)境對(duì)天線輻射性能的影響;當(dāng)多個(gè)天線放置在同一載體上時(shí),還必須考慮天線之間的耦合影響,進(jìn)行優(yōu)化布局。而對(duì)于RCS設(shè)計(jì),飛機(jī)結(jié)構(gòu)巨大,對(duì)于雷達(dá)波長(zhǎng)來(lái)說(shuō),是典型的電大尺寸問(wèn)題。綜合以上各種因素,在基于仿真技術(shù)的現(xiàn)代天線及RCS設(shè)計(jì)中,要求用于輔助設(shè)計(jì)的電磁仿真軟件必須具有:
能夠分析三維任意結(jié)構(gòu);
具有電大尺寸分析能力;
支持多種激勵(lì)方式;
能夠分析各種電性能參數(shù):輻射方向圖、方向性系數(shù)、天線效率、天線增益、輸入阻抗、駐波系數(shù)、極化特性、天線帶寬;
能夠考慮載體與環(huán)境對(duì)天線輻射性能的影響;
能夠?qū)μ炀€布局進(jìn)行分析;
能夠分析天線對(duì)周圍物體的影響;
ANSYS FEKO是針對(duì)天線設(shè)計(jì)、天線布局、RCS與電磁兼容性分析而開(kāi)發(fā)的專業(yè)電磁場(chǎng)分析軟件,滿足上面提到的各種要求:它基于矩量法(Method of Moment,MoM),擁有高效的多層快速多極子法,并將矩量法與高頻分析方法(物理光學(xué):Physical Optics,PO,一致性繞射理論:Uniform Theory of Diffraction,UTD)完美結(jié)合,從而非常適合于分析天線設(shè)計(jì)中的各類電磁場(chǎng)分析問(wèn)題:對(duì)于電小結(jié)構(gòu)的天線,FEKO中可以采用完全的矩量法進(jìn)行分析;對(duì)于具有電小與電大尺寸混合結(jié)構(gòu)的天線,FEKO中既可以采用多層快速多極子法,又可以采用混合方法:用矩量法分析電小結(jié)構(gòu)部分,而用高頻方法分析電大結(jié)構(gòu)部分。
3.電大尺寸問(wèn)題
天線設(shè)計(jì)中的電大尺寸問(wèn)題主要有兩類:一類是反射面天線,如衛(wèi)星通信天線、雷達(dá)天線等等;另一類是天線布局,如機(jī)載天線、艦載天線、星載天線等等。而對(duì)于RCS問(wèn)題來(lái)說(shuō),飛機(jī)結(jié)構(gòu)和雷達(dá)波長(zhǎng)之比通常都在10以上。對(duì)于電大尺寸問(wèn)題的分析,低頻方法(積分方程法、微分方程法)由于要求按照一個(gè)波長(zhǎng)至少劃分成10等份的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,從而產(chǎn)生巨大的未知量數(shù)目,導(dǎo)致高階線性方程組而無(wú)法求解,因此無(wú)能為力。對(duì)于電大尺寸問(wèn)題的有效求解方法是高頻方法,如物理光學(xué)法、一致性繞射理論等等,高頻方法不需要求解線性方程組,內(nèi)存要求低,計(jì)算速度快、結(jié)果精確。
ANSYS FEKO提供多種方案處理電大尺寸電磁場(chǎng)分析問(wèn)題,以及電大尺寸與電小尺寸混合結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)分析問(wèn)題:
(1)多層快速多極子法(MLFMM):假定N為未知量的數(shù)目,矩量法所需的內(nèi)存規(guī)模是N*N,CPU運(yùn)行時(shí)間是N*N*N;而多層快速多極子法內(nèi)存需求量是N*log(N),CPU運(yùn)行時(shí)間是N*log(N)*log(N),同時(shí)多層快速多極子法具有與矩量法相同的精度。可見(jiàn),多層快速多極子法具有矩量法的精度,同時(shí)具有少得多的內(nèi)存需求量,很適合于處理電大尺寸問(wèn)題。
(2)物理光學(xué)法(矩量法與物理光學(xué)混合法):對(duì)于電大尺寸結(jié)構(gòu),如反射面天線的反射面、機(jī)載天線的機(jī)身、艦載天線的艦體,以及星載天線的星體等,FEKO可以采用物理光學(xué)法進(jìn)行分析。此外,FEKO還可以將物理光學(xué)與矩量法混合使用,從而將反射面天線的饋源部分和反射面部分作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。FEKO中對(duì)物理光學(xué)的改進(jìn),如邊緣修正、尖劈修正,以及計(jì)入爬行波影響等,保證了物理光學(xué)計(jì)算結(jié)果的良好精度。
(3)一致性繞射理論(矩量法與一致性繞射理論混合法):由于一致性繞射理論不需要對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,幾何結(jié)構(gòu)的尺寸并不影響內(nèi)存的需求,影響內(nèi)存需求和計(jì)算量的是反射點(diǎn)、邊和角的繞射數(shù)目,因此它可以用來(lái)分析電尺寸特別巨大的電磁場(chǎng)分析問(wèn)題,如星載天線中太陽(yáng)板對(duì)衛(wèi)星天線輻射性能的影響等。
(4)問(wèn)題分解法:FEKO處理電大尺寸問(wèn)題的一個(gè)突出特色是可以將大問(wèn)題分解成子問(wèn)題進(jìn)行分別處理,大大降低計(jì)算的復(fù)雜度。例如,對(duì)于反射面天線,用戶可以將饋源部分與反射面部分分開(kāi)考慮:首先分析饋源部分,并將饋源的輻射結(jié)果以輻射近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)的形式存儲(chǔ)起來(lái);然后分析電大尺寸的反射面部分,這時(shí)只需將饋源的輻射結(jié)果作為反射面的激勵(lì)源即可分析出整個(gè)反射面天線的輻射結(jié)果。這樣做的一個(gè)好處是,用戶可以選擇其它的軟件分析饋源部分,而用FEKO分析電大尺寸的結(jié)構(gòu)部分。
以卡塞格侖天線分析為例,用戶可以將原問(wèn)題分解成兩個(gè)子問(wèn)題,即饋源的輻射特性分析與整體輻射特性分析。這有兩種解決方案:
用近場(chǎng)作為二次激勵(lì)源(近場(chǎng)等效)
先對(duì)喇叭和次反射面用矩量法求解,計(jì)算出包圍它們的閉合面(這里用一個(gè)圓柱面和兩個(gè)半球帽)上的近場(chǎng)分布,見(jiàn)圖8-3-11(a)與(b);然后將計(jì)算所得的近場(chǎng)作為激勵(lì),對(duì)主反射面用物理光學(xué)法進(jìn)一步求解,得出卡塞格侖天線整體的輻射特性。
用遠(yuǎn)場(chǎng)作為二次激勵(lì)源(遠(yuǎn)場(chǎng)等效)
先對(duì)喇叭和次反射面用矩量法求解,與方案1不同的是,這里計(jì)算喇叭與次反射面的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖,見(jiàn)圖8-3-11(a)與(c);然后將計(jì)算所得的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖作為激勵(lì),并對(duì)主反射面應(yīng)用物理光學(xué)法進(jìn)一步求解,得出卡塞格侖天線整體的輻射特性。
圖8-3-11
比較兩種方案的分析結(jié)果,如圖8-3-11(d)所示,其中MoM/PO是指喇叭與次反射面用矩量法,主反射面用PO的整體方法分析結(jié)果,PO with near-field aperture是方案一的分析結(jié)果,PO with far-field aperture是方案二的分析結(jié)果。由圖中可以看出,近場(chǎng)等效與整體方法結(jié)果較為吻合。遠(yuǎn)場(chǎng)等效在后向( )存在較大的誤差,原因在于近場(chǎng)方法只需滿足小耦合條件即可獲得較好的結(jié)果;而遠(yuǎn)場(chǎng)方法除了忽略了耦合,還忽略了激勵(lì)(這里是遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖轉(zhuǎn)化為近場(chǎng)作為激勵(lì))對(duì)整個(gè)方向圖的貢獻(xiàn),另外遠(yuǎn)場(chǎng)到近場(chǎng)的變化會(huì)引入較大的誤差。
(5)并行計(jì)算:FEKO具有卓越的并行計(jì)算能力,對(duì)于電尺寸特別巨大的工程問(wèn)題,除了上述的各種解決方案之外,還可以利用并行計(jì)算進(jìn)行處理。如圖8-3-12所示,FEKO的并行計(jì)算效率因子是0.8,也就是說(shuō),在32個(gè)節(jié)點(diǎn)的并行系統(tǒng)計(jì)算時(shí),計(jì)算時(shí)間比單個(gè)節(jié)點(diǎn)要縮短0.8*32倍。
4.天線仿真中的關(guān)鍵問(wèn)題
4.1. 線天線
線天線在結(jié)構(gòu)上具有大的縱橫比,這對(duì)于基于微分方法的有限元、時(shí)域有限差分等方法而言,由于精確分析中網(wǎng)格劃分時(shí)必須考慮細(xì)線,從而導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量較大,求解實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難,但對(duì)于矩量法則可以進(jìn)行快速而精確地處理:矩量法只要求對(duì)線段進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后就可以采用線型基函數(shù)進(jìn)行精確分析。因此,基于矩量法的ANSYS FEKO應(yīng)用于線天線分析時(shí),幾何建模和計(jì)算設(shè)置都很簡(jiǎn)單,計(jì)算速度快、求解精度高,因此在各種類型的線天線分析中都得到了成功的應(yīng)用。
4.2. 微帶天線
微帶天線具有薄形貼片與接地面,有些情況下還采用多層介質(zhì)基片,由于網(wǎng)格劃分等因素,這些結(jié)構(gòu)對(duì)于基于體積剖分的方法是一種比較難以精確處理的結(jié)構(gòu)。ANSYS FEKO采用多層平面格林函數(shù)分析微帶天線,其優(yōu)點(diǎn)在于建模簡(jiǎn)單、分析精確、快速,而且很容易考慮多層介質(zhì)基片,貼片與接地板的有限厚度,以及有限大地板等因素的影響等等。
4.3. 陣列天線
陣列天線一般由多個(gè)天線單元組成,每個(gè)單元都單獨(dú)激勵(lì),而激勵(lì)振幅與相位也可能不同,因此要求分析軟件能滿足相應(yīng)的多個(gè)激勵(lì)源設(shè)置功能。在ANSYS FEKO中允許同時(shí)設(shè)置多個(gè)相同類型或不同類型的激勵(lì)源,而且每個(gè)激勵(lì)源的振幅和相位都可以單獨(dú)設(shè)置,從而在分析各類陣列天線以及相控陣天線時(shí),使用起來(lái)十分方便。
4.4. 環(huán)境影響
天線設(shè)計(jì)者通常都是按照天線工作在自由空間情形下來(lái)設(shè)計(jì)天線的,但實(shí)際上天線總是放置在一個(gè)特定的環(huán)境中,安裝在一定的載體上,環(huán)境與載體不可避免地會(huì)對(duì)天線的工作性能有所影響,有時(shí)候甚至影響很大,影響天線的正常運(yùn)行。如果在天線設(shè)計(jì)時(shí)就考慮天線實(shí)際的工作環(huán)境,那么設(shè)計(jì)者就可以設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)異的天線。另一方面,分析天線在不同架設(shè)情況下環(huán)境對(duì)天線輻射性能的影響還可以指導(dǎo)工程師優(yōu)化天線的安裝配置,使得環(huán)境對(duì)天線的工作性能影響最小。
但這種要求普通分析軟件通常無(wú)法滿足,這是因?yàn)榄h(huán)境中物體的電尺寸往往非常巨大,例如移動(dòng)通信基站中的建筑物等等。同其他電大尺寸問(wèn)題的處理方法一樣,FEKO采取矩量法與高頻分析方法相結(jié)合的分析方法可以快速而精確分析這類問(wèn)題。
另外,很多天線都是架設(shè)在地面附近,因此必須考慮地面對(duì)天線輻射性能的影響。ANSYS FEKO中有兩種方法可以用來(lái)精確分析地面對(duì)天線輻射性能的影響,一種方法是反射系數(shù)法,另一種方法是格林函數(shù)法。
圖8-4-11
4.5.天線電磁兼容問(wèn)題
天線在工作中總是不斷地往外界輻射能量,它的輻射一方面可能會(huì)對(duì)安放在其周圍的設(shè)備帶來(lái)破壞性的影響,另一方面也可能會(huì)對(duì)位于其周圍的生物體帶去傷害。利用FEKO可以分析天線對(duì)其周圍設(shè)備的耦合影響,還可以分析天線輻射對(duì)生物體損傷程度,如生物體的SAR分析。
4.6.天線布局
天線通常是安裝在一定載體上的,這些載體往往會(huì)影響天線在理想的“自由空間”輻射特性;另一方面,在飛機(jī)、艦船等大系統(tǒng)中往往需要安裝很多副天線,天線之間不可避免地會(huì)相互影響,工程人員面臨的挑戰(zhàn)是如何確定平臺(tái)對(duì)天線輻射特性的影響,以及在大平臺(tái)上如何布置天線,才使得天線之間的耦合影響最小。對(duì)安裝在非常大尺寸平臺(tái)上的天線進(jìn)行測(cè)量往往是不實(shí)際的,因此求助于計(jì)算機(jī)仿真分析方法。對(duì)于電小尺寸載體上的天線布局問(wèn)題,FEKO中采取矩量法進(jìn)行分析;對(duì)于電大尺寸載體(如飛機(jī)、艦船、衛(wèi)星等)上的天線布局問(wèn)題,FEKO中可以采用多層快速多極子方法或矩量法與高頻方法的混合方法進(jìn)行高效、精確地分析。
圖8-4-14 機(jī)載天線仿真
4.7.天線的集總參數(shù)加載、分布參數(shù)加載
在天線設(shè)計(jì)中,為了改善某些天線的性能,在天線上加載了一些電阻、電容、電感等集總或分布元件。ANSYS FEKO中可以在天線分析時(shí)設(shè)置這些元件,從而分析加載后天線的性能。
圖8-4-17
4.8.介質(zhì)涂覆對(duì)天線性能的影響
裸露在空中的天線,在雨雪天氣中會(huì)被罩上一層水或冰;另一方面,為了保護(hù)天線,可能會(huì)在天線上涂覆一層薄薄的介質(zhì)保護(hù)層,FEKO中可以分析這類介質(zhì)涂覆問(wèn)題,從而分析涂覆介質(zhì)對(duì)天線性能的影響,對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
4.9.天線的寬頻帶響應(yīng)
天線帶寬是天線設(shè)計(jì)中必須考慮的一個(gè)重要參數(shù)。雖然可以在感興趣的頻帶范圍內(nèi)通過(guò)等間距離散頻率采樣分析,獲得天線的寬頻響應(yīng),但如果想得到精確的響應(yīng)曲線,這種方法要求頻帶范圍內(nèi)的采樣間隔很小,從而需要較大的計(jì)算量。ANSYS FEKO采取自適應(yīng)頻率采樣分析方法,自動(dòng)跟蹤響應(yīng)曲線的變化,在變化平緩的地方采用較大的采樣步長(zhǎng),在響應(yīng)曲線變化劇烈的地方采用較小的采樣步長(zhǎng),從而在關(guān)心的頻帶內(nèi)只需要分析較少頻率采樣點(diǎn),就可以獲得寬帶范圍內(nèi)系統(tǒng)性能變化的精確結(jié)果。
5. 雷達(dá)散射截面(RCS)
對(duì)于特殊的航空航天器,如軍用航空航天器,還要求有隱身或部分隱身能力(通過(guò)雷達(dá)散射截面評(píng)估),以提高其在戰(zhàn)場(chǎng)上的存活率。因此,在設(shè)計(jì)中分析航空航天器的雷達(dá)散射截面具有重要的參考價(jià)值。ANSYS可以進(jìn)行任意形狀目標(biāo)體的雷達(dá)散射截面計(jì)算,并且能夠計(jì)及地面反射、遮擋效應(yīng)和各種涂層的影響。而且除了能夠計(jì)算目標(biāo)的遠(yuǎn)場(chǎng)特性RCS外,還能計(jì)算目標(biāo)的近場(chǎng)分布。即使是對(duì)于求解困難的電大尺寸目標(biāo)體雷達(dá)散射截面的計(jì)算,ANSYS也可以利用矩量法與高頻近似方法混合求解的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行快速精確的計(jì)算。
圖8-4-24 飛機(jī)雷達(dá)散射截面計(jì)算
圖8-4-25 地面坦克目標(biāo)的雙站RCS
6. 時(shí)域分析
隨著超寬帶技術(shù)的發(fā)展,作為脈沖信號(hào)的發(fā)射與接收裝置,時(shí)域天線的設(shè)計(jì)要求輔助分析軟件具有時(shí)域分析能力。ANSYS FEKO采用頻域分析與傅立葉變換的方法,先在感興趣的頻段內(nèi)進(jìn)行頻率采樣分析,然后將頻域的分析結(jié)果進(jìn)行逆傅立葉變換得到系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)。
7. 優(yōu)化設(shè)計(jì)
天線或RCS設(shè)計(jì)中,一旦方案確定下來(lái)以后,設(shè)計(jì)人員需要對(duì)天線或結(jié)構(gòu)的形狀進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的“試錯(cuò)”設(shè)計(jì)方式,費(fèi)錢、費(fèi)力而且費(fèi)時(shí),不適合于現(xiàn)代的產(chǎn)品研發(fā)需要。ANSYS FEKO提供多種優(yōu)化方法,從而設(shè)計(jì)者可以針對(duì)特定的目標(biāo)(如增益、輸入阻抗,輻射近場(chǎng)等),對(duì)感興趣的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),大大提高研發(fā)效率。
8. 結(jié)語(yǔ)
設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的設(shè)計(jì)離不開(kāi)性能優(yōu)越的仿真工具,ANSYS FEKO正是為設(shè)計(jì)者提供了這樣一個(gè)功能強(qiáng)大而使用方便的仿真工具。FEKO基于完全的矩量法,擁有高效的多層快速多極子法,并將矩量法與高頻分析方法相結(jié)合,因此可以快速、精確地分析各種類型天線,即使是對(duì)于分析具有極大挑戰(zhàn)性的電大尺寸問(wèn)題,FEKO也從分析方法和分析策略上提供了多種解決方案給出令人滿意的結(jié)果。
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