ANSYS对航空器电子产品天线及隐身设计解决方案

2013-06-06  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

1.综述
天线设计就是根据无线电系统提出的要求设计满足性能指标的天线,其典型的设计过程一般分为选型阶段、详细设计阶段、测试阶段、定型阶段和生产阶段五个过程。特殊的航空航天器,如军用航空航天器,还要求有隐身或部分隐身能力(通过雷达散射截面评估),以提高其在战场上的存活率。隐身设计需要计算雷达散射截面(RCS),是散射问题。
由于电磁场仿真软件不仅可以代替试验获得天线性能和飞机的RCS指标,节省大量的人力、物力和财力,而且可以大大缩短产品研发时间,从而在天线设计和RCS中得到了广泛的应用。电磁场仿真软件主要应用在选型论证阶段与方案设计阶段:在选型阶段可以利用仿真软件对意向型号进行初步分析论证,从而保证选择可行的方案;在详细设计阶段可以利用仿真软件,一方面可以分析不同方案的天线电性能指标,另一方面可以针对特定目标对感兴趣的参数进行优化设计,从而提高产品的性能、缩短设计时间。

2.天线及RCS设计对仿真软件的要求
工程应用中,天线具有很多种类与结构类型。从结构上看,有线天线、面天线与阵列天线;从天线电尺寸上看,天线的电尺寸从不到一个波长到上千个波长,覆盖了很大的范围;此外,由于天线都是安装在一定的载体上,放置在一定的环境中,天线设计时最好还能考虑载体与环境对天线辐射性能的影响;当多个天线放置在同一载体上时,还必须考虑天线之间的耦合影响,进行优化布局。而对于RCS设计,飞机结构巨大,对于雷达波长来说,是典型的电大尺寸问题。综合以上各种因素,在基于仿真技术的现代天线及RCS设计中,要求用于辅助设计的电磁仿真软件必须具有:

    能够分析三维任意结构;
    具有电大尺寸分析能力;
    支持多种激励方式;
    能够分析各种电性能参数:辐射方向图、方向性系数、天线效率、天线增益、输入阻抗、驻波系数、极化特性、天线带宽;
    能够考虑载体与环境对天线辐射性能的影响;
    能够对天线布局进行分析;
    能够分析天线对周围物体的影响;
ANSYS FEKO是针对天线设计、天线布局、RCS与电磁兼容性分析而开发的专业电磁场分析软件,满足上面提到的各种要求:它基于矩量法(Method of Moment,MoM),拥有高效的多层快速多极子法,并将矩量法与高频分析方法(物理光学:Physical Optics,PO,一致性绕射理论:Uniform Theory of Diffraction,UTD)完美结合,从而非常适合于分析天线设计中的各类电磁场分析问题:对于电小结构的天线,FEKO中可以采用完全的矩量法进行分析;对于具有电小与电大尺寸混合结构的天线,FEKO中既可以采用多层快速多极子法,又可以采用混合方法:用矩量法分析电小结构部分,而用高频方法分析电大结构部分。
3.电大尺寸问题
天线设计中的电大尺寸问题主要有两类:一类是反射面天线,如卫星通信天线、雷达天线等等;另一类是天线布局,如机载天线、舰载天线、星载天线等等。而对于RCS问题来说,飞机结构和雷达波长之比通常都在10以上。对于电大尺寸问题的分析,低频方法(积分方程法、微分方程法)由于要求按照一个波长至少划分成10等份的标准对几何结构进行网格划分,从而产生巨大的未知量数目,导致高阶线性方程组而无法求解,因此无能为力。对于电大尺寸问题的有效求解方法是高频方法,如物理光学法、一致性绕射理论等等,高频方法不需要求解线性方程组,内存要求低,计算速度快、结果精确。

ANSYS FEKO提供多种方案处理电大尺寸电磁场分析问题,以及电大尺寸与电小尺寸混合结构的电磁场分析问题:
(1)多层快速多极子法(MLFMM):假定N为未知量的数目,矩量法所需的内存规模是N*N,CPU运行时间是N*N*N;而多层快速多极子法内存需求量是N*log(N),CPU运行时间是N*log(N)*log(N),同时多层快速多极子法具有与矩量法相同的精度。可见,多层快速多极子法具有矩量法的精度,同时具有少得多的内存需求量,很适合于处理电大尺寸问题。

(2)物理光学法(矩量法与物理光学混合法):对于电大尺寸结构,如反射面天线的反射面、机载天线的机身、舰载天线的舰体,以及星载天线的星体等,FEKO可以采用物理光学法进行分析。此外,FEKO还可以将物理光学与矩量法混合使用,从而将反射面天线的馈源部分和反射面部分作为一个整体进行分析。FEKO中对物理光学的改进,如边缘修正、尖劈修正,以及计入爬行波影响等,保证了物理光学计算结果的良好精度。

    (3)一致性绕射理论(矩量法与一致性绕射理论混合法):由于一致性绕射理论不需要对几何结构进行网格划分,几何结构的尺寸并不影响内存的需求,影响内存需求和计算量的是反射点、边和角的绕射数目,因此它可以用来分析电尺寸特别巨大的电磁场分析问题,如星载天线中太阳板对卫星天线辐射性能的影响等。

(4)问题分解法:FEKO处理电大尺寸问题的一个突出特色是可以将大问题分解成子问题进行分别处理,大大降低计算的复杂度。例如,对于反射面天线,用户可以将馈源部分与反射面部分分开考虑:首先分析馈源部分,并将馈源的辐射结果以辐射近场或远场的形式存储起来;然后分析电大尺寸的反射面部分,这时只需将馈源的辐射结果作为反射面的激励源即可分析出整个反射面天线的辐射结果。这样做的一个好处是,用户可以选择其它的软件分析馈源部分,而用FEKO分析电大尺寸的结构部分。

以卡塞格仑天线分析为例,用户可以将原问题分解成两个子问题,即馈源的辐射特性分析与整体辐射特性分析。这有两种解决方案:
用近场作为二次激励源(近场等效)
先对喇叭和次反射面用矩量法求解,计算出包围它们的闭合面(这里用一个圆柱面和两个半球帽)上的近场分布,见图8-3-11(a)与(b);然后将计算所得的近场作为激励,对主反射面用物理光学法进一步求解,得出卡塞格仑天线整体的辐射特性。
用远场作为二次激励源(远场等效)
先对喇叭和次反射面用矩量法求解,与方案1不同的是,这里计算喇叭与次反射面的远场辐射方向图,见图8-3-11(a)与(c);然后将计算所得的远场辐射方向图作为激励,并对主反射面应用物理光学法进一步求解,得出卡塞格仑天线整体的辐射特性。

图8-3-11

比较两种方案的分析结果,如图8-3-11(d)所示,其中MoM/PO是指喇叭与次反射面用矩量法,主反射面用PO的整体方法分析结果,PO with near-field aperture是方案一的分析结果,PO with far-field aperture是方案二的分析结果。由图中可以看出,近场等效与整体方法结果较为吻合。远场等效在后向( )存在较大的误差,原因在于近场方法只需满足小耦合条件即可获得较好的结果;而远场方法除了忽略了耦合,还忽略了激励(这里是远场方向图转化为近场作为激励)对整个方向图的贡献,另外远场到近场的变化会引入较大的误差。
    (5)并行计算:FEKO具有卓越的并行计算能力,对于电尺寸特别巨大的工程问题,除了上述的各种解决方案之外,还可以利用并行计算进行处理。如图8-3-12所示,FEKO的并行计算效率因子是0.8,也就是说,在32个节点的并行系统计算时,计算时间比单个节点要缩短0.8*32倍。

4.天线仿真中的关键问题
4.1. 线天线
线天线在结构上具有大的纵横比,这对于基于微分方法的有限元、时域有限差分等方法而言,由于精确分析中网格划分时必须考虑细线,从而导致网格数量较大,求解实现起来比较困难,但对于矩量法则可以进行快速而精确地处理:矩量法只要求对线段进行网格划分,然后就可以采用线型基函数进行精确分析。因此,基于矩量法的ANSYS FEKO应用于线天线分析时,几何建模和计算设置都很简单,计算速度快、求解精度高,因此在各种类型的线天线分析中都得到了成功的应用。

4.2. 微带天线
微带天线具有薄形贴片与接地面,有些情况下还采用多层介质基片,由于网格划分等因素,这些结构对于基于体积剖分的方法是一种比较难以精确处理的结构。ANSYS FEKO采用多层平面格林函数分析微带天线,其优点在于建模简单、分析精确、快速,而且很容易考虑多层介质基片,贴片与接地板的有限厚度,以及有限大地板等因素的影响等等。

4.3. 阵列天线
阵列天线一般由多个天线单元组成,每个单元都单独激励,而激励振幅与相位也可能不同,因此要求分析软件能满足相应的多个激励源设置功能。在ANSYS FEKO中允许同时设置多个相同类型或不同类型的激励源,而且每个激励源的振幅和相位都可以单独设置,从而在分析各类阵列天线以及相控阵天线时,使用起来十分方便。

4.4. 环境影响
天线设计者通常都是按照天线工作在自由空间情形下来设计天线的,但实际上天线总是放置在一个特定的环境中,安装在一定的载体上,环境与载体不可避免地会对天线的工作性能有所影响,有时候甚至影响很大,影响天线的正常运行。如果在天线设计时就考虑天线实际的工作环境,那么设计者就可以设计出性能更加优异的天线。另一方面,分析天线在不同架设情况下环境对天线辐射性能的影响还可以指导工程师优化天线的安装配置,使得环境对天线的工作性能影响最小。

但这种要求普通分析软件通常无法满足,这是因为环境中物体的电尺寸往往非常巨大,例如移动通信基站中的建筑物等等。同其他电大尺寸问题的处理方法一样,FEKO采取矩量法与高频分析方法相结合的分析方法可以快速而精确分析这类问题。

另外,很多天线都是架设在地面附近,因此必须考虑地面对天线辐射性能的影响。ANSYS FEKO中有两种方法可以用来精确分析地面对天线辐射性能的影响,一种方法是反射系数法,另一种方法是格林函数法。

图8-4-11

4.5.天线电磁兼容问题
天线在工作中总是不断地往外界辐射能量,它的辐射一方面可能会对安放在其周围的设备带来破坏性的影响,另一方面也可能会对位于其周围的生物体带去伤害。利用FEKO可以分析天线对其周围设备的耦合影响,还可以分析天线辐射对生物体损伤程度,如生物体的SAR分析。

4.6.天线布局
天线通常是安装在一定载体上的,这些载体往往会影响天线在理想的“自由空间”辐射特性;另一方面,在飞机、舰船等大系统中往往需要安装很多副天线,天线之间不可避免地会相互影响,工程人员面临的挑战是如何确定平台对天线辐射特性的影响,以及在大平台上如何布置天线,才使得天线之间的耦合影响最小。对安装在非常大尺寸平台上的天线进行测量往往是不实际的,因此求助于计算机仿真分析方法。对于电小尺寸载体上的天线布局问题,FEKO中采取矩量法进行分析;对于电大尺寸载体(如飞机、舰船、卫星等)上的天线布局问题,FEKO中可以采用多层快速多极子方法或矩量法与高频方法的混合方法进行高效、精确地分析。  

 
图8-4-14 机载天线仿真

4.7.天线的集总参数加载、分布参数加载
在天线设计中,为了改善某些天线的性能,在天线上加载了一些电阻、电容、电感等集总或分布元件。ANSYS FEKO中可以在天线分析时设置这些元件,从而分析加载后天线的性能。

图8-4-17

4.8.介质涂覆对天线性能的影响
裸露在空中的天线,在雨雪天气中会被罩上一层水或冰;另一方面,为了保护天线,可能会在天线上涂覆一层薄薄的介质保护层,FEKO中可以分析这类介质涂覆问题,从而分析涂覆介质对天线性能的影响,对天线进行优化设计。

4.9.天线的宽频带响应
天线带宽是天线设计中必须考虑的一个重要参数。虽然可以在感兴趣的频带范围内通过等间距离散频率采样分析,获得天线的宽频响应,但如果想得到精确的响应曲线,这种方法要求频带范围内的采样间隔很小,从而需要较大的计算量。ANSYS FEKO采取自适应频率采样分析方法,自动跟踪响应曲线的变化,在变化平缓的地方采用较大的采样步长,在响应曲线变化剧烈的地方采用较小的采样步长,从而在关心的频带内只需要分析较少频率采样点,就可以获得宽带范围内系统性能变化的精确结果。

5. 雷达散射截面(RCS)
对于特殊的航空航天器,如军用航空航天器,还要求有隐身或部分隐身能力(通过雷达散射截面评估),以提高其在战场上的存活率。因此,在设计中分析航空航天器的雷达散射截面具有重要的参考价值。ANSYS可以进行任意形状目标体的雷达散射截面计算,并且能够计及地面反射、遮挡效应和各种涂层的影响。而且除了能够计算目标的远场特性RCS外,还能计算目标的近场分布。即使是对于求解困难的电大尺寸目标体雷达散射截面的计算,ANSYS也可以利用矩量法与高频近似方法混合求解的优点进行快速精确的计算。   

   
图8-4-24 飞机雷达散射截面计算

图8-4-25 地面坦克目标的双站RCS

6. 时域分析
随着超宽带技术的发展,作为脉冲信号的发射与接收装置,时域天线的设计要求辅助分析软件具有时域分析能力。ANSYS FEKO采用频域分析与傅立叶变换的方法,先在感兴趣的频段内进行频率采样分析,然后将频域的分析结果进行逆傅立叶变换得到系统的时域响应。

7. 优化设计
天线或RCS设计中,一旦方案确定下来以后,设计人员需要对天线或结构的形状进行详细设计。传统的基于经验的“试错”设计方式,费钱、费力而且费时,不适合于现代的产品研发需要。ANSYS FEKO提供多种优化方法,从而设计者可以针对特定的目标(如增益、输入阻抗,辐射近场等),对感兴趣的参数进行优化设计,大大提高研发效率。      

8. 结语
设计性能优越的设计离不开性能优越的仿真工具,ANSYS FEKO正是为设计者提供了这样一个功能强大而使用方便的仿真工具。FEKO基于完全的矩量法,拥有高效的多层快速多极子法,并将矩量法与高频分析方法相结合,因此可以快速、精确地分析各种类型天线,即使是对于分析具有极大挑战性的电大尺寸问题,FEKO也从分析方法和分析策略上提供了多种解决方案给出令人满意的结果。

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