陳 曦 彭維雪 崔宏磊

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

基于FEKO的艦載多天線耦合計(jì)算分析*

陳 曦 彭維雪 崔宏磊

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

針對(duì)電大復(fù)雜艦船環(huán)境下多天線間耦合計(jì)算的實(shí)際問題,采用FEKO軟件在船體平臺(tái)上對(duì)艦載天線進(jìn)行建模與仿真,分別應(yīng)用MOM、MLFMM等混合算法計(jì)算天線S參數(shù);并通過共軛匹配阻抗的方法來預(yù)測(cè)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(shí)并存的狀況已成為艦船電磁環(huán)境仿真計(jì)算的一大難點(diǎn)。本文基于FEKO軟件,針對(duì)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(jì)算復(fù)雜度[1];并和經(jīng)典的MOM方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(jì)算出發(fā)射天線的損耗功率(Loss Power),為解決實(shí)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(duì)電大、超電大尺寸的復(fù)雜艦船環(huán)境下多天線間耦合計(jì)算的電磁特性仿真時(shí),首先要建立艦船平臺(tái)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(gè)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(duì)不足,所以一般需要先基于ANSYS、HyperMesh等專業(yè)三維建模軟件進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jì)算這兩副天線之間的電磁耦合特性。在短波頻段仿真計(jì)算時(shí),我們一般取天線工作波長(zhǎng)的1/8～1/10長(zhǎng)度作為網(wǎng)格剖分的基函數(shù)邊長(zhǎng)[4]。按照此方法對(duì)整個(gè)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(duì)整個(gè)船體模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分,最終生成大約11500個(gè)剖分網(wǎng)格;采用MOM方法對(duì)如此數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,對(duì)于個(gè)人計(jì)算機(jī)還是比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力的?？梢钥紤]對(duì)非關(guān)鍵部位進(jìn)行粗略剖分的方法,減少剖分網(wǎng)格數(shù)量,降低運(yùn)算復(fù)雜度。對(duì)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(duì)天線的電磁特性影響較小;故可以采用1/5波長(zhǎng)對(duì)這些面進(jìn)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(gè),大幅度地降低了運(yùn)算復(fù)雜度,減少了計(jì)算時(shí)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(duì)天線端口加載激勵(lì)并設(shè)置求解項(xiàng);然后就可以運(yùn)行Run FEKO進(jìn)行仿真計(jì)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(jì)算方法;此方法的特點(diǎn)是計(jì)算精度高,但是會(huì)占用較大的內(nèi)存資源,計(jì)算效率低。我們可以通過剖分?jǐn)?shù)量計(jì)算MOM需要占用的內(nèi)存資源,計(jì)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(jì)算精度值,例如P=8對(duì)應(yīng)單精度計(jì)算,P=16對(duì)應(yīng)雙精度計(jì)算;在Run FEKO完成后可以在.out文件中查看計(jì)算的內(nèi)存報(bào)告,如圖5所示。

圖5 MOM計(jì)算內(nèi)存報(bào)告

FEKO計(jì)算內(nèi)存報(bào)告驗(yàn)證了式(1)計(jì)算的正確性。在MOM方法中,采用電對(duì)稱或磁對(duì)稱能夠進(jìn)一步降低計(jì)算內(nèi)存消耗,其中每一個(gè)對(duì)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(jiǎn)MOM的運(yùn)算量,但是整體上MOM的計(jì)算復(fù)雜度還是較大,尤其在大型工程應(yīng)用中計(jì)算效率低;為了進(jìn)一步提高計(jì)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(jìn)行計(jì)算,計(jì)算完成后,同樣通過.out文件查看技術(shù)內(nèi)存報(bào)告,如圖6所示。

圖6 MLFMM計(jì)算內(nèi)存報(bào)告

MLFMM計(jì)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(chǎng)矩陣計(jì)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(duì)高頻段的計(jì)算方法,在低頻段計(jì)算占用的峰值內(nèi)存有可能比MOM還大;所以我們?cè)诠こ虒?shí)踐中一般在低頻段計(jì)算采用MOM法,而在高頻段計(jì)算采用MLFMM法。本案例分別采用MOM和MLFMM計(jì)算S參數(shù)結(jié)果如圖7所示,可以看出MOM和MLFMM計(jì)算結(jié)果的偏差在3%以內(nèi)。

圖7 S參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 最壞耦合情況預(yù)測(cè)

進(jìn)行仿真計(jì)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(xiǎn)。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(jìn)行最壞耦合情況預(yù)測(cè)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(jì)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(dú)激勵(lì)接收天線,把它當(dāng)作發(fā)射天線使用,這時(shí)即可計(jì)算其阻抗值,如圖8所示。

圖8 接收天線激勵(lì)時(shí)的阻抗計(jì)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(lì)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(jì)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(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

本文針對(duì)艦載多天線的耦合計(jì)算問題,基于FEKO仿真平臺(tái),通過多網(wǎng)格剖分、MOM與MLFMM混合計(jì)算的方法解決了超電大尺寸的艦船平臺(tái)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的天線模型并存的計(jì)算問題;并通過計(jì)算共軛匹配阻抗的方法預(yù)測(cè)收發(fā)天線最壞耦合情況,為解決實(shí)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(duì)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