陈 曦 彭维雪 崔宏磊

(中国舰船研究设计中心 武汉 430064)

基于FEKO的舰载多天线耦合计算分析*

陈 曦 彭维雪 崔宏磊

(中国舰船研究设计中心 武汉 430064)

针对电大复杂舰船环境下多天线间耦合计算的实际问题,采用FEKO软件在船体平台上对舰载天线进行建模与仿真,分别应用MOM、MLFMM等混合算法计算天线S参数;并通过共轭匹配阻抗的方法来预测最坏情况下的天线间耦合情况。

电大尺寸; 天线耦合; 共轭匹配; FEKO

ClassNumberTN82

1 引言

现代水面舰船尺度庞大,舰船上的各种雷达、通信、电子战等系统天线林立,种类和样式繁多[6]。电大甚至是超电大尺寸的复杂舰船环境与各种精细结构的天线模型同时并存的状况已成为舰船电磁环境仿真计算的一大难点。本文基于FEKO软件,针对舰船特定的天线状态,采用MLFMM和多种网格剖分等方法降低计算复杂度[1];并和经典的MOM方法的计算结果进行对比分析。通过共轭匹配阻抗的方法来模拟最坏情况下的天线间耦合情况[2],计算出发射天线的损耗功率(Loss Power),为解决实际工程中存在的多天线相互干扰等问题提供了重要支撑。

2 船体建模与网格剖分

针对电大、超电大尺寸的复杂舰船环境下多天线间耦合计算的电磁特性仿真时,首先要建立舰船平台的三维几何模型。由于水面舰船表面结构较为复杂,需要建立的面单元的种类和数量庞大;很容易出现面与面之间不完全拟合,从而破坏了整个船体表面电流连续性的问题[3];而FEKO软件的模型处理能力相对不足,所以一般需要先基于ANSYS、HyperMesh等专业三维建模软件进行船体结构的几何建模和模型处理,然后再将模型导入到FEKO软件中进行舰载天线的建模和网格剖分的工作。如图1所示为本文仿真计算建立的船体模型。

图1 船体结构三维模型

在该船体模型的船艏和船艉位置各布置一副短波线状天线,计算这两副天线之间的电磁耦合特性。在短波频段仿真计算时,我们一般取天线工作波长的1/8～1/10长度作为网格剖分的基函数边长[4]。按照此方法对整个船体模型剖分后的结果如图2所示。

图2 船体结构网格剖分模型

按照这种尺度对整个船体模型进行网格剖分,最终生成大约11500个剖分网格;采用MOM方法对如此数量的网格进行计算,对于个人计算机还是比较费时费力的。可以考虑对非关键部位进行粗略剖分的方法,减少剖分网格数量,降低运算复杂度。对于舰载天线,主船体的侧面和底部都属于非关键部位,如图3所示,对天线的电磁特性影响较小;故可以采用1/5波长对这些面进行局部剖分[5],如图4所示。如此剖分后生成的网格数量大约为7950个,大幅度地降低了运算复杂度,减少了计算时间。

图3 选取非关键面单元示意图

图4 面单元局部剖分示意图

3 算法比较分析

网格剖分完成后,对天线端口加载激励并设置求解项;然后就可以运行Run FEKO进行仿真计算了。FEKO软件中默认的算法是MOM(矩量法)[7],即所谓的全波分析计算方法;此方法的特点是计算精度高,但是会占用较大的内存资源,计算效率低。我们可以通过剖分数量计算MOM需要占用的内存资源,计算公式如式(1)所示:

(1)

在式(1)中,T表示剖分单元数量,P表示计算精度值,例如P=8对应单精度计算,P=16对应双精度计算;在Run FEKO完成后可以在.out文件中查看计算的内存报告,如图5所示。

图5 MOM计算内存报告

FEKO计算内存报告验证了式(1)计算的正确性。在MOM方法中,采用电对称或磁对称能够进一步降低计算内存消耗,其中每一个对称都能减少两倍的内存资源。虽然采取了一系列方法精简MOM的运算量,但是整体上MOM的计算复杂度还是较大,尤其在大型工程应用中计算效率低;为了进一步提高计算效率,就由此产生了MLFMM(多层快速多极子算法)。在FEKO软件中可以选取MLFMM进行计算,计算完成后,同样通过.out文件查看技术内存报告,如图6所示。

图6 MLFMM计算内存报告

MLFMM计算平均内存为87.75MByte,其峰值内存大约为总内存加上三倍的近场矩阵计算内存,等于212MByte;内存消耗和MOM相比较具有显著提升。MLFMM是针对高频段的计算方法,在低频段计算占用的峰值内存有可能比MOM还大;所以我们在工程实践中一般在低频段计算采用MOM法,而在高频段计算采用MLFMM法。本案例分别采用MOM和MLFMM计算S参数结果如图7所示,可以看出MOM和MLFMM计算结果的偏差在3%以内。

图7 S参数计算结果

4 最坏耦合情况预测

进行仿真计算需要考虑最坏的可能情况,这样才能较好地控制工程风险。多天线耦合的最坏情况发生在发射天线采用最大功率发射而接收天线具有与发射天线共轭匹配的阻抗[8]。所以,进行最坏耦合情况预测最为关键的是求得接收天线与发射天线的共轭匹配阻抗值。

为了计算接收天线与发射天线的共轭匹配阻抗值,首先需要单独激励接收天线,把它当作发射天线使用,这时即可计算其阻抗值,如图8所示。

图8 接收天线激励时的阻抗计算结果

然后将图8中所示的阻抗值取共轭赋给接收天线,并激励发射天线施加最大功率;即是收发天线间最坏耦合情况,这样就可计算得到发射天线的损耗功率(Loss power),如图9所示。

图9 最坏耦合情况下的发射天线的损耗功率计算结果

5 结语

本文针对舰载多天线的耦合计算问题,基于FEKO仿真平台,通过多网格剖分、MOM与MLFMM混合计算的方法解决了超电大尺寸的舰船平台与精细结构的天线模型并存的计算问题;并通过计算共轭匹配阻抗的方法预测收发天线最坏耦合情况,为解决实际工程中存在的多天线相互干扰等问题提供了重要支撑,并对舰船电磁兼容研究具有一定的指导意义。

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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

陈曦,男,硕士,助理工程师,研究方向:无线通信技术。彭维雪,女,硕士,工程师,研究方向,无线通信技术。崔宏磊,男,硕士,工程师,研究方向,无线通信技术。

TN82DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.012