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

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

針對電大復雜艦船環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,分別應用MOM、MLFMM等混合算法計算天線S參數;并通過共軛匹配阻抗的方法來預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

現代水面艦船尺度龐大,艦船上的各種雷達、通信、電子戰等系統天線林立,種類和樣式繁多[6]。電大甚至是超電大尺寸的復雜艦船環境與各種精細結構的天線模型同時并存的狀況已成為艦船電磁環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,采用MLFMM和多種網格剖分等方法降低計算復雜度[1];并和經典的MOM方法的計算結果進行對比分析。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 船體建模與網格剖分

針對電大、超電大尺寸的復雜艦船環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構較為復雜,需要建立的面單元的種類和數量龐大;很容易出現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等專業三維建模軟件進行船體結構的幾何建模和模型處理,然后再將模型導入到FEKO軟件中進行艦載天線的建模和網格剖分的工作。如圖1所示為本文仿真計算建立的船體模型。

圖1 船體結構三維模型

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長度作為網格剖分的基函數邊長[4]。按照此方法對整個船體模型剖分后的結果如圖2所示。

圖2 船體結構網格剖分模型

按照這種尺度對整個船體模型進行網格剖分,最終生成大約11500個剖分網格;采用MOM方法對如此數量的網格進行計算,對于個人計算機還是比較費時費力的。可以考慮對非關鍵部位進行粗略剖分的方法,減少剖分網格數量,降低運算復雜度。對于艦載天線,主船體的側面和底部都屬于非關鍵部位,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格數量大約為7950個,大幅度地降低了運算復雜度,減少了計算時間。

圖3 選取非關鍵面單元示意圖

圖4 面單元局部剖分示意圖

3 算法比較分析

網格剖分完成后,對天線端口加載激勵并設置求解項;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存資源,計算效率低。我們可以通過剖分數量計算MOM需要占用的內存資源,計算公式如式(1)所示:

(1)

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

圖5 MOM計算內存報告

FEKO計算內存報告驗證了式(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存消耗,其中每一個對稱都能減少兩倍的內存資源。雖然采取了一系列方法精簡MOM的運算量,但是整體上MOM的計算復雜度還是較大,尤其在大型工程應用中計算效率低;為了進一步提高計算效率,就由此產生了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文件查看技術內存報告,如圖6所示。

圖6 MLFMM計算內存報告

MLFMM計算平均內存為87.75MByte,其峰值內存大約為總內存加上三倍的近場矩陣計算內存,等于212MByte;內存消耗和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參數結果如圖7所示,可以看出MOM和MLFMM計算結果的偏差在3%以內。

圖7 S參數計算結果

4 最壞耦合情況預測

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險。多天線耦合的最壞情況發生在發射天線采用最大功率發射而接收天線具有與發射天線共軛匹配的阻抗[8]。所以,進行最壞耦合情況預測最為關鍵的是求得接收天線與發射天線的共軛匹配阻抗值。

為了計算接收天線與發射天線的共軛匹配阻抗值,首先需要單獨激勵接收天線,把它當作發射天線使用,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,并激勵發射天線施加最大功率;即是收發天線間最壞耦合情況,這樣就可計算得到發射天線的損耗功率(Loss power),如圖9所示。

圖9 最壞耦合情況下的發射天線的損耗功率計算結果

5 結語

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結構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測收發天線最壞耦合情況,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意義。

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[7]吳楠,宋東安,鄭生全.艦船射頻綜合系統的電磁兼容分析[J].艦船科學技術,2007,29(6):101-103.

[8]王亮明,王月清,李方.艦船電子設備電磁兼容性預測分析[J].艦船電子對抗,2008,31(5):38-40.

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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。彭維雪,女,碩士,工程師,研究方向,無線通信技術。崔宏磊,男,碩士,工程師,研究方向,無線通信技術。

TN82DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.012