基于FEKO的艦載多天線耦合計算分析*

陳 曦 彭維雪 崔宏磊

(中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064)

基于FEKO的艦載多天線耦合計算分析*

陳 曦 彭維雪 崔宏磊

(中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064)

針對電大復(fù)雜艦船環(huán)境下多天線間耦合計算的實際問題,采用FEKO軟件在船體平臺上對艦載天線進行建模與仿真,分別應(yīng)用MOM、MLFMM等混合算法計算天線S參數(shù);并通過共軛匹配阻抗的方法來預(yù)測最壞情況下的天線間耦合情況。

電大尺寸; 天線耦合; 共軛匹配; FEKO

ClassNumberTN82

1 引言

現(xiàn)代水面艦船尺度龐大,艦船上的各種雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)天線林立,種類和樣式繁多[6]。電大甚至是超電大尺寸的復(fù)雜艦船環(huán)境與各種精細(xì)結(jié)構(gòu)的天線模型同時并存的狀況已成為艦船電磁環(huán)境仿真計算的一大難點。本文基于FEKO軟件,針對艦船特定的天線狀態(tài),采用MLFMM和多種網(wǎng)格剖分等方法降低計算復(fù)雜度[1];并和經(jīng)典的MOM方法的計算結(jié)果進行對比分析。通過共軛匹配阻抗的方法來模擬最壞情況下的天線間耦合情況[2],計算出發(fā)射天線的損耗功率(Loss Power),為解決實際工程中存在的多天線相互干擾等問題提供了重要支撐。

2 船體建模與網(wǎng)格剖分

針對電大、超電大尺寸的復(fù)雜艦船環(huán)境下多天線間耦合計算的電磁特性仿真時,首先要建立艦船平臺的三維幾何模型。由于水面艦船表面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,需要建立的面單元的種類和數(shù)量龐大;很容易出現(xiàn)面與面之間不完全擬合,從而破壞了整個船體表面電流連續(xù)性的問題[3];而FEKO軟件的模型處理能力相對不足,所以一般需要先基于ANSYS、HyperMesh等專業(yè)三維建模軟件進行船體結(jié)構(gòu)的幾何建模和模型處理,然后再將模型導(dǎo)入到FEKO軟件中進行艦載天線的建模和網(wǎng)格剖分的工作。如圖1所示為本文仿真計算建立的船體模型。

圖1 船體結(jié)構(gòu)三維模型

在該船體模型的船艏和船艉位置各布置一副短波線狀天線,計算這兩副天線之間的電磁耦合特性。在短波頻段仿真計算時,我們一般取天線工作波長的1/8～1/10長度作為網(wǎng)格剖分的基函數(shù)邊長[4]。按照此方法對整個船體模型剖分后的結(jié)果如圖2所示。

圖2 船體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分模型

按照這種尺度對整個船體模型進行網(wǎng)格剖分,最終生成大約11500個剖分網(wǎng)格;采用MOM方法對如此數(shù)量的網(wǎng)格進行計算,對于個人計算機還是比較費時費力的?？梢钥紤]對非關(guān)鍵部位進行粗略剖分的方法,減少剖分網(wǎng)格數(shù)量,降低運算復(fù)雜度。對于艦載天線,主船體的側(cè)面和底部都屬于非關(guān)鍵部位,如圖3所示,對天線的電磁特性影響較小;故可以采用1/5波長對這些面進行局部剖分[5],如圖4所示。如此剖分后生成的網(wǎng)格數(shù)量大約為7950個,大幅度地降低了運算復(fù)雜度,減少了計算時間。

圖3 選取非關(guān)鍵面單元示意圖

圖4 面單元局部剖分示意圖

3 算法比較分析

網(wǎng)格剖分完成后,對天線端口加載激勵并設(shè)置求解項;然后就可以運行Run FEKO進行仿真計算了。FEKO軟件中默認(rèn)的算法是MOM(矩量法)[7],即所謂的全波分析計算方法;此方法的特點是計算精度高,但是會占用較大的內(nèi)存資源,計算效率低。我們可以通過剖分?jǐn)?shù)量計算MOM需要占用的內(nèi)存資源,計算公式如式(1)所示:

(1)

在式(1)中,T表示剖分單元數(shù)量,P表示計算精度值,例如P=8對應(yīng)單精度計算,P=16對應(yīng)雙精度計算;在Run FEKO完成后可以在.out文件中查看計算的內(nèi)存報告,如圖5所示。

圖5 MOM計算內(nèi)存報告

FEKO計算內(nèi)存報告驗證了式(1)計算的正確性。在MOM方法中,采用電對稱或磁對稱能夠進一步降低計算內(nèi)存消耗,其中每一個對稱都能減少兩倍的內(nèi)存資源。雖然采取了一系列方法精簡MOM的運算量,但是整體上MOM的計算復(fù)雜度還是較大,尤其在大型工程應(yīng)用中計算效率低;為了進一步提高計算效率,就由此產(chǎn)生了MLFMM(多層快速多極子算法)。在FEKO軟件中可以選取MLFMM進行計算,計算完成后,同樣通過.out文件查看技術(shù)內(nèi)存報告,如圖6所示。

圖6 MLFMM計算內(nèi)存報告

MLFMM計算平均內(nèi)存為87.75MByte,其峰值內(nèi)存大約為總內(nèi)存加上三倍的近場矩陣計算內(nèi)存,等于212MByte;內(nèi)存消耗和MOM相比較具有顯著提升。MLFMM是針對高頻段的計算方法,在低頻段計算占用的峰值內(nèi)存有可能比MOM還大;所以我們在工程實踐中一般在低頻段計算采用MOM法,而在高頻段計算采用MLFMM法。本案例分別采用MOM和MLFMM計算S參數(shù)結(jié)果如圖7所示,可以看出MOM和MLFMM計算結(jié)果的偏差在3%以內(nèi)。

圖7 S參數(shù)計算結(jié)果

4 最壞耦合情況預(yù)測

進行仿真計算需要考慮最壞的可能情況,這樣才能較好地控制工程風(fēng)險。多天線耦合的最壞情況發(fā)生在發(fā)射天線采用最大功率發(fā)射而接收天線具有與發(fā)射天線共軛匹配的阻抗[8]。所以,進行最壞耦合情況預(yù)測最為關(guān)鍵的是求得接收天線與發(fā)射天線的共軛匹配阻抗值。

為了計算接收天線與發(fā)射天線的共軛匹配阻抗值,首先需要單獨激勵接收天線,把它當(dāng)作發(fā)射天線使用,這時即可計算其阻抗值,如圖8所示。

圖8 接收天線激勵時的阻抗計算結(jié)果

然后將圖8中所示的阻抗值取共軛賦給接收天線,并激勵發(fā)射天線施加最大功率;即是收發(fā)天線間最壞耦合情況,這樣就可計算得到發(fā)射天線的損耗功率(Loss power),如圖9所示。

圖9 最壞耦合情況下的發(fā)射天線的損耗功率計算結(jié)果

5 結(jié)語

本文針對艦載多天線的耦合計算問題,基于FEKO仿真平臺,通過多網(wǎng)格剖分、MOM與MLFMM混合計算的方法解決了超電大尺寸的艦船平臺與精細(xì)結(jié)構(gòu)的天線模型并存的計算問題;并通過計算共軛匹配阻抗的方法預(yù)測收發(fā)天線最壞耦合情況,為解決實際工程中存在的多天線相互干擾等問題提供了重要支撐,并對艦船電磁兼容研究具有一定的指導(dǎo)意義。

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AnalysisoftheMultipleAntennaCouplingBasedonFEKO

CHEN Xi PENG Weixue CUI Honglei

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

In view of the actual problem of electrically large complex coupling calculation of multiple antennas, shipborne antenna in the platform is modelled and simulated using the FEKO software. MOM, MLFMM algorithm are applied to compute and predict the coupling antenna worst-case by conjugate impedance matching method.

electrically large size, antenna coupling, conjugate matching, FEKO

2013年10月4日,

:2013年11月24日

陳曦,男,碩士,助理工程師,研究方向:無線通信技術(shù)。彭維雪,女,碩士,工程師,研究方向,無線通信技術(shù)。崔宏磊,男,碩士,工程師,研究方向,無線通信技術(shù)。

TN82DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.012