ANSYS對航空器電子產(chǎn)品天線及隱身設(shè)計解決方案

2013-06-06  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

1.綜述
天線設(shè)計就是根據(jù)無線電系統(tǒng)提出的要求設(shè)計滿足性能指標的天線,其典型的設(shè)計過程一般分為選型階段、詳細設(shè)計階段、測試階段、定型階段和生產(chǎn)階段五個過程。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(通過雷達散射截面評估),以提高其在戰(zhàn)場上的存活率。隱身設(shè)計需要計算雷達散射截面(RCS),是散射問題。
由于電磁場仿真軟件不僅可以代替試驗獲得天線性能和飛機的RCS指標,節(jié)省大量的人力、物力和財力,而且可以大大縮短產(chǎn)品研發(fā)時間,從而在天線設(shè)計和RCS中得到了廣泛的應(yīng)用。電磁場仿真軟件主要應(yīng)用在選型論證階段與方案設(shè)計階段:在選型階段可以利用仿真軟件對意向型號進行初步分析論證,從而保證選擇可行的方案;在詳細設(shè)計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,另一方面可以針對特定目標對感興趣的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計,從而提高產(chǎn)品的性能、縮短設(shè)計時間。

2.天線及RCS設(shè)計對仿真軟件的要求
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波長到上千個波長,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)計時最好還能考慮載體與環(huán)境對天線輻射性能的影響;當多個天線放置在同一載體上時,還必須考慮天線之間的耦合影響,進行優(yōu)化布局。而對于RCS設(shè)計,飛機結(jié)構(gòu)巨大,對于雷達波長來說,是典型的電大尺寸問題。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)計中,要求用于輔助設(shè)計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)境對天線輻射性能的影響;
    能夠?qū)μ炀€布局進行分析;
    能夠分析天線對周圍物體的影響;
ANSYS FEKO是針對天線設(shè)計、天線布局、RCS與電磁兼容性分析而開發(fā)的專業(yè)電磁場分析軟件,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: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)計中的各類電磁場分析問題:對于電小結(jié)構(gòu)的天線,FEKO中可以采用完全的矩量法進行分析;對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.電大尺寸問題
天線設(shè)計中的電大尺寸問題主要有兩類:一類是反射面天線,如衛(wèi)星通信天線、雷達天線等等;另一類是天線布局,如機載天線、艦載天線、星載天線等等。而對于RCS問題來說,飛機結(jié)構(gòu)和雷達波長之比通常都在10以上。對于電大尺寸問題的分析,低頻方法(積分方程法、微分方程法)由于要求按照一個波長至少劃分成10等份的標準對幾何結(jié)構(gòu)進行網(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法求解,因此無能為力。對于電大尺寸問題的有效求解方法是高頻方法,如物理光學法、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分析問題,以及電大尺寸與電小尺寸混合結(jié)構(gòu)的電磁場分析問題:
(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運行時間是N*N*N;而多層快速多極子法內(nèi)存需求量是N*log(N),CPU運行時間是N*log(N)*log(N),同時多層快速多極子法具有與矩量法相同的精度。可見,多層快速多極子法具有矩量法的精度,同時具有少得多的內(nèi)存需求量,很適合于處理電大尺寸問題。

(2)物理光學法(矩量法與物理光學混合法):對于電大尺寸結(jié)構(gòu),如反射面天線的反射面、機載天線的機身、艦載天線的艦體,以及星載天線的星體等,FEKO可以采用物理光學法進行分析。此外,FEKO還可以將物理光學與矩量法混合使用,從而將反射面天線的饋源部分和反射面部分作為一個整體進行分析。FEKO中對物理光學的改進,如邊緣修正、尖劈修正,以及計入爬行波影響等,保證了物理光學計算結(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幾何結(jié)構(gòu)進行網(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)存需求和計算量的是反射點、邊和角的繞射數(shù)目,因此它可以用來分析電尺寸特別巨大的電磁場分析問題,如星載天線中太陽板對衛(wèi)星天線輻射性能的影響等。

(4)問題分解法:FEKO處理電大尺寸問題的一個突出特色是可以將大問題分解成子問題進行分別處理,大大降低計算的復(fù)雜度。例如,對于反射面天線,用戶可以將饋源部分與反射面部分分開考慮:首先分析饋源部分,并將饋源的輻射結(jié)果以輻射近場或遠場的形式存儲起來;然后分析電大尺寸的反射面部分,這時只需將饋源的輻射結(jié)果作為反射面的激勵源即可分析出整個反射面天線的輻射結(jié)果。這樣做的一個好處是,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,用戶可以將原問題分解成兩個子問題,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:
用近場作為二次激勵源(近場等效)
先對喇叭和次反射面用矩量法求解,計算出包圍它們的閉合面(這里用一個圓柱面和兩個半球帽)上的近場分布,見圖8-3-11(a)與(b);然后將計算所得的近場作為激勵,對主反射面用物理光學法進一步求解,得出卡塞格侖天線整體的輻射特性。
用遠場作為二次激勵源(遠場等效)
先對喇叭和次反射面用矩量法求解,與方案1不同的是,這里計算喇叭與次反射面的遠場輻射方向圖,見圖8-3-11(a)與(c);然后將計算所得的遠場輻射方向圖作為激勵,并對主反射面應(yīng)用物理光學法進一步求解,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,近場等效與整體方法結(jié)果較為吻合。遠場等效在后向( )存在較大的誤差,原因在于近場方法只需滿足小耦合條件即可獲得較好的結(jié)果;而遠場方法除了忽略了耦合,還忽略了激勵(這里是遠場方向圖轉(zhuǎn)化為近場作為激勵)對整個方向圖的貢獻,另外遠場到近場的變化會引入較大的誤差。
    (5)并行計算:FEKO具有卓越的并行計算能力,對于電尺寸特別巨大的工程問題,除了上述的各種解決方案之外,還可以利用并行計算進行處理。如圖8-3-12所示,FEKO的并行計算效率因子是0.8,也就是說,在32個節(jié)點的并行系統(tǒng)計算時,計算時間比單個節(jié)點要縮短0.8*32倍。

4.天線仿真中的關(guān)鍵問題
4.1. 線天線
線天線在結(jié)構(gòu)上具有大的縱橫比,這對于基于微分方法的有限元、時域有限差分等方法而言,由于精確分析中網(wǎng)格劃分時必須考慮細線,從而導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量較大,求解實現(xiàn)起來比較困難,但對于矩量法則可以進行快速而精確地處理:矩量法只要求對線段進行網(wǎng)格劃分,然后就可以采用線型基函數(shù)進行精確分析。因此,基于矩量法的ANSYS FEKO應(yīng)用于線天線分析時,幾何建模和計算設(shè)置都很簡單,計算速度快、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)點在于建模簡單、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天線單元組成,每個單元都單獨激勵,而激勵振幅與相位也可能不同,因此要求分析軟件能滿足相應(yīng)的多個激勵源設(shè)置功能。在ANSYS FEKO中允許同時設(shè)置多個相同類型或不同類型的激勵源,而且每個激勵源的振幅和相位都可以單獨設(shè)置,從而在分析各類陣列天線以及相控陣天線時,使用起來十分方便。

4.4. 環(huán)境影響
天線設(shè)計者通常都是按照天線工作在自由空間情形下來設(shè)計天線的,但實際上天線總是放置在一個特定的環(huán)境中,安裝在一定的載體上,環(huán)境與載體不可避免地會對天線的工作性能有所影響,有時候甚至影響很大,影響天線的正常運行。如果在天線設(shè)計時就考慮天線實際的工作環(huán)境,那么設(shè)計者就可以設(shè)計出性能更加優(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法滿足,這是因為環(huán)境中物體的電尺寸往往非常巨大,例如移動通信基站中的建筑物等等。同其他電大尺寸問題的處理方法一樣,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天線輻射性能的影響。ANSYS FEKO中有兩種方法可以用來精確分析地面對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對安放在其周圍的設(shè)備帶來破壞性的影響,另一方面也可能會對位于其周圍的生物體帶去傷害。利用FEKO可以分析天線對其周圍設(shè)備的耦合影響,還可以分析天線輻射對生物體損傷程度,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,這些載體往往會影響天線在理想的“自由空間”輻射特性;另一方面,在飛機、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相互影響,工程人員面臨的挑戰(zhàn)是如何確定平臺對天線輻射特性的影響,以及在大平臺上如何布置天線,才使得天線之間的耦合影響最小。對安裝在非常大尺寸平臺上的天線進行測量往往是不實際的,因此求助于計算機仿真分析方法。對于電小尺寸載體上的天線布局問題,FEKO中采取矩量法進行分析;對于電大尺寸載體(如飛機、艦船、衛(wèi)星等)上的天線布局問題,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行高效、精確地分析。  

 
圖8-4-14 機載天線仿真

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)涂覆對天線性能的影響
裸露在空中的天線,在雨雪天氣中會被罩上一層水或冰;另一方面,為了保護天線,可能會在天線上涂覆一層薄薄的介質(zhì)保護層,FEKO中可以分析這類介質(zhì)涂覆問題,從而分析涂覆介質(zhì)對天線性能的影響,對天線進行優(yōu)化設(shè)計。

4.9.天線的寬頻帶響應(yīng)
天線帶寬是天線設(shè)計中必須考慮的一個重要參數(shù)。雖然可以在感興趣的頻帶范圍內(nèi)通過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,從而需要較大的計算量。ANSYS FEKO采取自適應(yīng)頻率采樣分析方法,自動跟蹤響應(yīng)曲線的變化,在變化平緩的地方采用較大的采樣步長,在響應(yīng)曲線變化劇烈的地方采用較小的采樣步長,從而在關(guān)心的頻帶內(nèi)只需要分析較少頻率采樣點,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. 雷達散射截面(RCS)
對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(通過雷達散射截面評估),以提高其在戰(zhàn)場上的存活率。因此,在設(shè)計中分析航空航天器的雷達散射截面具有重要的參考價值。ANSYS可以進行任意形狀目標體的雷達散射截面計算,并且能夠計及地面反射、遮擋效應(yīng)和各種涂層的影響。而且除了能夠計算目標的遠場特性RCS外,還能計算目標的近場分布。即使是對于求解困難的電大尺寸目標體雷達散射截面的計算,ANSYS也可以利用矩量法與高頻近似方法混合求解的優(yōu)點進行快速精確的計算。   

   
圖8-4-24 飛機雷達散射截面計算

圖8-4-25 地面坦克目標的雙站RCS

6. 時域分析
隨著超寬帶技術(shù)的發(fā)展,作為脈沖信號的發(fā)射與接收裝置,時域天線的設(shè)計要求輔助分析軟件具有時域分析能力。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)進行頻率采樣分析,然后將頻域的分析結(jié)果進行逆傅立葉變換得到系統(tǒng)的時域響應(yīng)。

7. 優(yōu)化設(shè)計
天線或RCS設(shè)計中,一旦方案確定下來以后,設(shè)計人員需要對天線或結(jié)構(gòu)的形狀進行詳細設(shè)計。傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗的“試錯”設(shè)計方式,費錢、費力而且費時,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)計者可以針對特定的目標(如增益、輸入阻抗,輻射近場等),對感興趣的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計,大大提高研發(fā)效率。      

8. 結(jié)語
設(shè)計性能優(yōu)越的設(shè)計離不開性能優(yōu)越的仿真工具,ANSYS FEKO正是為設(shè)計者提供了這樣一個功能強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,即使是對于分析具有極大挑戰(zhàn)性的電大尺寸問題,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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