基于FEKO軟件的中波天線方向圖建模與仿真*

劉又銘　洪承聰　馮　奇　劉　磊　林　瑜

(1.海軍航空工程學(xué)院　煙臺(tái)　264001)(2.91604部隊(duì)　龍口　265700)

基于FEKO軟件的中波天線方向圖建模與仿真*

劉又銘1洪承聰2馮奇1劉磊1林瑜1

(1.海軍航空工程學(xué)院煙臺(tái)264001)(2.91604部隊(duì)龍口265700)

摘要對(duì)空通信系統(tǒng)中的中波導(dǎo)航臺(tái)站所處環(huán)境日益復(fù)雜，測(cè)試其戰(zhàn)術(shù)性能變得日益困難，論文利用FEKO軟件將中波導(dǎo)航天線進(jìn)行建模，得到其計(jì)算模型后，導(dǎo)入FEKO軟件，仿真出理想的中波導(dǎo)航天線的仿真模型，得出天線圖仿真圖像，與實(shí)際情況類似，驗(yàn)證了模型的正確性。

關(guān)鍵詞中波導(dǎo)航天線; 方向圖測(cè)試; FEKO

Class NumberTN951

1引言

當(dāng)前，由于國(guó)際形勢(shì)及我國(guó)周邊環(huán)境所發(fā)生的變化，海洋爭(zhēng)端日益增多，未來(lái)遂行空中封鎖、空中突擊、島嶼爭(zhēng)奪等多形式行動(dòng)日益增多，因此，在信息化條件下空天一體作戰(zhàn)、一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的實(shí)際需要下，海軍航空兵作為海軍的重要作戰(zhàn)力量，在未來(lái)維護(hù)我國(guó)領(lǐng)海主權(quán)之戰(zhàn)中的地位和作用越來(lái)越突出，從而對(duì)對(duì)空通信導(dǎo)航系統(tǒng)必須有必備的戰(zhàn)術(shù)性能。

對(duì)于中波導(dǎo)航天線而言，其所處的環(huán)境比較復(fù)雜，測(cè)試環(huán)境復(fù)雜，如何在計(jì)算機(jī)上將中波導(dǎo)航天線的方向圖準(zhǔn)確地計(jì)算和仿真是亟待解決的問(wèn)題。

2仿真軟件的選擇

隨著電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法發(fā)展的不斷成熟，基于各種算法的商用電磁仿真計(jì)算軟件也日趨完善。

論文采用FEKO仿真軟件FEKO是由美國(guó)著名的仿真軟件公司ANSYS開發(fā)的一款產(chǎn)品。FEKO是基于嚴(yán)格的積分方程方法，用戶無(wú)需對(duì)傳播空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分；由于積分方程基于格林函數(shù)構(gòu)建，用戶無(wú)需設(shè)置吸收邊界條件；只要硬件條件許可，矩量法可以求解任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁問(wèn)題。對(duì)于超電大尺寸的問(wèn)題，使用FEKO的混合方法來(lái)進(jìn)行仿真模擬FEKO具有以下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需對(duì)傳播空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分；由于積分方程基于格林函數(shù)構(gòu)建，用戶無(wú)需設(shè)置吸收邊界條件；只要硬件條件許可，矩量法可以求解任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁問(wèn)題。

當(dāng)然在使用FEKO軟件時(shí)，要注意根據(jù)計(jì)算機(jī)CPU的計(jì)算能力進(jìn)行可行性的建模處理；盡量使用對(duì)稱性運(yùn)算，可以大大降低運(yùn)算時(shí)間，提高效率；注意選擇好仿真精度，可以降低運(yùn)算的難度。

3天線仿真模型的建立

對(duì)于一般的天線來(lái)說(shuō)，其建模和計(jì)算的過(guò)程如圖1所示。

圖1　一般天線仿真計(jì)算的流程圖

本文也將沿用此流程對(duì)于中波天線的方向圖進(jìn)行繪制。

4中波天線的參數(shù)設(shè)置

根據(jù)國(guó)家和軍隊(duì)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定，中波天線采取了垂直的鐵塔天線，一般采取單個(gè)偶極子形式的采用底部饋源的天線形式，其中還包括地網(wǎng)、地線等配套措施。

根據(jù)前面對(duì)于矩量法和仿真軟件FEKO的介紹，可以發(fā)現(xiàn)FEKO計(jì)算仿真過(guò)程極其復(fù)雜且耗費(fèi)時(shí)間，所以在建立仿真模型的時(shí)候要注意簡(jiǎn)潔，方便而又不能失去準(zhǔn)確性。考慮到中波天線鐵塔的復(fù)雜性，其實(shí)可以用豎直的金屬線段來(lái)代替天線的鐵塔，并且在天線底部加上饋電電源，設(shè)為單個(gè)偶極子形式。這樣的天線符合了中波天線的沒(méi)有方向性的特點(diǎn)，發(fā)出的電磁波也是垂直極化波，契合了中波導(dǎo)航臺(tái)天線的要求。

這一小節(jié)解決了天線的幾何模型和參數(shù)設(shè)置問(wèn)題，由于所用軟件為FEKO仿真模型，其仿真并不需要邊界條件的設(shè)置，所以將此過(guò)程忽略。

中波發(fā)射天線的主要形式是垂直振子。根據(jù)電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)知識(shí)，可以把單塔中波天線看成由很多電基本振子所組成。中波發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)為所有電基本振子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的矢量疊加。

取天線地面投影的幾何中心為原點(diǎn)，大地為XOY平面，X軸向?yàn)檎龞|，Y軸向?yàn)檎保琙軸向?yàn)榇怪毕蛏希⑷鐖D2所示坐標(biāo)系。

圖2　中波理論計(jì)算模型

線元的坐標(biāo)為(0，0，z)，矢徑為

(1)

(2)

電基本振子的場(chǎng)強(qiáng)表達(dá)式為

(3)

(4)

考慮到塔形天線的中波近場(chǎng)，對(duì)各個(gè)電基本振子進(jìn)行矢量積分，得到：

(5)

(6)

(7)

根據(jù)上式對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度在空間x，y，z方向上的分量求和得到Ex，Ey，Ez，該處中波天線處場(chǎng)強(qiáng)為

(8)

5遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的計(jì)算

如圖2～圖3所示，中波導(dǎo)航天線所等效的面元S分布著電流JS和磁流MS，它們所產(chǎn)生的電位和磁位分別為

圖3　遠(yuǎn)區(qū)等效輻射圖

(9)

(10)

因?yàn)槲覀円蟮氖沁h(yuǎn)區(qū)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，可以使用下面的簡(jiǎn)化來(lái)減小計(jì)算難度。

R≈r-r′cosΦ

(11)

R≈r

(12)

式中Φ為激勵(lì)點(diǎn)和待求點(diǎn)之間的矢量半徑的夾角，可以將式(11)，式(12)簡(jiǎn)化：

(13)

(14)

根據(jù)麥克斯韋方程和靜電學(xué)的基本知識(shí)，知道對(duì)于確定一點(diǎn)的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的求解方程為

(15)

(16)

將式(15)、式(16)代入后，所得方程便是遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的近似計(jì)算公式。本文在此處使用球坐標(biāo)表示遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)，具體如下所示：

(17)

(18)

當(dāng)然，在需要的情況下，球坐標(biāo)和直角坐標(biāo)可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，滿足不同模型計(jì)算時(shí)的需要。得到遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射場(chǎng)后，利用仿真軟件畫出中波天線方向圖即可。

6仿真結(jié)果與分析

根據(jù)計(jì)算模型，將中波天線模型導(dǎo)入進(jìn)FEKO軟件，天線頻率為600kHz，當(dāng)僅僅存在一副50m的中波發(fā)射天線時(shí)，將地面設(shè)定為理想化的無(wú)限大地面，地面材料為理想導(dǎo)體，電導(dǎo)率為無(wú)窮大，電位為零電位。其建模情況如下圖4所示。

圖4　只存在一副天線的建模仿真圖

經(jīng)過(guò)一系列的POSTFEKO的模型處理、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，將其方向圖仿真結(jié)果展示如圖5所示。

圖5　中波天線水平方向方向圖

此時(shí)是在理想狀況下中波導(dǎo)航天線的方向圖。根據(jù)中波天線的特點(diǎn)，其發(fā)射的電磁波為無(wú)極性的垂直極化波，水平方向圖為圓形，與仿真所得圖像一致。

7結(jié)語(yǔ)

本文立足于中波天線的建模方法，將所建立的中波天線模型導(dǎo)入FEKO軟件之中，得到了中波天線方向圖的仿真圖像，與實(shí)際方向圖一致，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可行性，為以后中波導(dǎo)航臺(tái)站的方向圖測(cè)量提供了便利的途徑。

在以后的研究中，可以著眼于中波導(dǎo)航臺(tái)站所處環(huán)境的典型干擾物的建模，將中波導(dǎo)航臺(tái)站所受干擾仿真得出后，建立成體系的中波導(dǎo)航臺(tái)站方向圖預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 呂英華編著.計(jì)算電磁學(xué)的數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006:1-5.

[2] K. Donahue, G.K a n g, et al. “Higher-order MOM implemented to solve integral equations”[J].IEEE Antennas and Propagation Symons Hum, 1999(3)：1716-1719.

[3] Alan M.Chrisman.Using Elevated Radials With Grounded Towers[J].IEEE Transactions on broad casting,2001,47(3):292-296.

[4] 李文亮.中波天線電磁環(huán)境影響分析[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2012(8)：70-71.

[5] 黃康,王劍平.常用電磁場(chǎng)仿真軟件及其應(yīng)用[C]// 中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)，中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)電氣信息與自動(dòng)化專委會(huì)、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)農(nóng)村電氣化分會(huì)科技與教育專委會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2010.

[6] 倪光正,楊仕友等編著.工程電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[7] 徐翠薇，孫繩武編著.計(jì)算方法引論(第二版)[M].北京：高等教育出版社,2004.

[8] 光正,楊仕友等編著.工程電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[9] 聞?dòng)臣t.天線與電波傳播理論[M].北京:清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)，2005.

[10] C.W. Texan, S.J. Kabana, Numerical Colin Potation of the Eradiation from Power Line sat MF Frequencies[J]. IEEE Transaction son Broadcasting, 1988,27:40-42.

[11] RAO S M,WILTON D R. GLISSON A W.Electro-magnetic scattering by surefaces of arbitrary shape[J].IEEE Trans Antennas opag,1982,30(3):409-418.

Simulation of Mid-wave Antenna Pattern Based on FEKO

LIU Youming1HONG Chengcong2FENG Qi1LIU Lei1LIN Yu1

(1.Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)(2.No.91604 Troops of PLA, Longkou265700)

AbstractWith the increasingly complex environment of medium wave navigation station in airport communication system, the tactical performance is becoming difficult to be tested. In this paper, FEKO software is used to model mediam wave antenna. After getting calculation model. FEKO software is introduced to simulate ideal medium wave antenna, and get antenna simulation map, which is similar to actual situation, verifying the correctness of the model.

Key Wordsnavigation medium wave antenna, direction diagram test, FEKO

*收稿日期：2015年12月7日,修回日期：2016年1月30日

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金(編號(hào)：61471383)資助。

作者簡(jiǎn)介：劉又銘,男,博士研究生,研究方向：數(shù)字信息傳輸與處理。洪承聰,男,工程師,研究方向：電子測(cè)試工作。

中圖分類號(hào)TN951

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.018

馮奇,男,博士研究生,研究方向：數(shù)字信息傳輸與處理。