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委托单位: 722所 报告人: 徐利明 校 对: 王 军 审 核: 批 准: 日 期: 2003/11/12 ANSYS公司成都办事处 摘 要 利用本公司FEKO软件对722所提供的舰载天线系统进行了分析计算。根据模型草图，利用Ansys前处理器以及FEKO自带的建模/分网器进行了几何建模。然后利用FEKO软件计算了45～135MHz频段内的远场方向图、输入阻抗以及驻波系数。计算结果表明，采用FEKO软件能够比较方便地实现复杂舰船载体影响下天线辐射问题的建模及求解。 关键词：FEKO软件，舰载天线，辐射方向图，输入阻抗，驻波系数 一、问题来源和目的 受722所委托,由ANSYS公司成都办事处对其提供的舰载天线模型的辐射特性进行了计算。要求计算45MHz、90MHz和135MHz三个频点的远场方向图，以及45～135MHz频带内的输入阻抗和驻波系数。 二、问题描述及几何建模 2.1 给定的几何模型草图(见图1) 
图1 舰载天线模型草图 说明重解 辐射机构：由图中具体位置确定的铜线天线网，最外侧一条长0.9m 载 体：某型号军舰部分结构 附加天线：4只铜管单极子天线 细微结构：天线座和绝缘子，材料为聚四氟乙烯(介电常数取 )和陶瓷材料(高介电常数材料 )。 2.2 天线模型以及馈电结构 利用FEKO自带的建模/分网工具创建了铜线天线网以及附加的铜管天线结构。FEKO本身能对线天线模型进行精确分析，避免了一般有限元电磁仿真软件在模拟该类结构时存在的困难。天线连接器采用导电体(PEC)三角贴片(Triangles)模拟。考虑到馈电端口附近的结构可能对输入阻抗产生较大影响，我们用介质六面体(Cuboids)模拟天线座子和绝缘子(陶瓷和聚四氟乙烯)。整个辐射结构如图2所示(未包括4根附加铜管天线)。在我们建立的模型中，最外侧天线长度为0.898m。 
图2 铜线天线以及馈电结构 2.2 舰船载体以及其它天线结构 舰船是较为复杂的模型，采用本公司的ANSYS的几何建模工具(ANSYS前处理器)建立了舰船模型并进行网格划分，通过ANSYS-FEKO数据接口，很容易将网格模型输入到FEKO中进行处理。图3给出了ANSYS中建立的舰船载体(已分网)。 
2.3 关于网格划分的说明 由于工作频率45～135MHz在VHF波段，波长大于2米，而载体约在2米左右，按照单元边长为0.1米划分载体表面(相当于每波长划分20份网格)，满足矩量法对电磁精度和几何精度的要求。 到此为止，完成几何模型的创建。 三、FEKO求解及结果分析 3.1 输入几何模型 天线结构和介质绝缘子以及天线座采用FEKO建模。用Ansys建立的舰船模型数据可以很方便地输入到FEKO。经过预处理后的舰船载体天线系统在WinFEKO显示如图4。得到的网格单元如下： 292 metallic wire segments in free space(金属线段) 3127 metallic triangles in free space(三角贴片) 488 cuboids for a dielectric or magnetic volume(介质立方体) 
3.2 求解参数设置 FEKO可以自动混合运用多种积分方程来求解不同的复杂结构(例如Pocklington积分方程求解线天线结构、表面积分方程求解金属表面结构以及体积分方程或面积分方程求解介质体结构)，用户可以方便的进行参数设置和计算。 3.3 计算结果及讨论 辐射方向图 三个特征面内的方向图，如图5，6，7所示。每组图分别用直角坐标系说明同一特征面内不同频率时结果以及用极坐标系说明同一频率时有无舰体的结果。 
输入阻抗 由于FEKO采用线源的激励方式，若想正确仿真馈电阻抗，需要建立与真实馈电结构完全一样的数学物理模型。现实中输入阻抗的测试往往比仿真还要方便些。作为计算功能的体现，FEKO软件按照一定的假设，选择激励电压的馈电点为观测点，共计算了21个频率点的阻抗，结果如图8所示。 
需要说明的是，其中阻抗的虚部经过了缩放平移变换(*0.001+100)。 驻波系数 
由于阻抗计算没有得到较为真实的反映，因此驻波系数不能在较为理想的1～3的范围。 内存使用量 Number of metallic triangles: 3127 max. triangles:MAXNDR = 3127 Number of dielectric triangles: 0 Number of metallic segments: 292 max. segments: MAXNSEG = 292 Number dielectr./magnet. cuboids: 488 max. cuboids: MAXNQUA = 488 Number of edges in PO region: 0 max. edges: MAXPOKA = 0 Number of wedges in PO region: 0 max. wedges: MAXPOKL = 0 Number of Fock regions: 0 max. Fock reg.:MAXFOGE = 0 Number of polygonal surfaces: 0 max. surfaces: MAXPOLYF = 0 max. corner p.:MAXPOLYP = 0 Number of UTD cylinders: 0 Number of metallic edges (MoM): 4649 unknown: 4649 max. edges: MAXNKA = 5336 Number of metallic edges (PO): 0 unknown: 0 (electr.) 0 (magnet.) Number of dielectric edges (MoM): 0 unknown: 0 (electr.) 0 0 (magnet.) Number of dielectric edges (PO): 0 unknown: 0 (electr.) 0 (magnet.) Number of nodes between segments: 274 unknown: 274 max. nodes: MAXNKNO = 448 Number of connection points: 5 unknown: 5 max. conn.: MAXNV = 25 Number of dielectric cuboids: 488 unknown: 488 max. cuboids: MAXNQUA = 488 Number of magnetic cuboids: 0 unknown: 0 Number of basis funct. for MoM: 6392 unknown: 6392 max. basisf. MAXNZEILE = 7273 Number of basis funct. for PO: 0 unknown: 0 max. basisf. MAXNKAPO = 0 Memory requirement for MoM matrix: 6400 rows * 6392 columns = 40908800 complex numbers For the matrix, a memory of NMAT = 40908800 complex numbers is available (i.e. 624.219 MByte) Storing the matrix and solving the linear set of equations in main memory (case 1) A total memory of 625.810 MByte has been allocated dynamically 可以看出,对于3127个金属贴片、292条金属线段和488个介质立方体，总共用内存626MB。 计算时间 SUMMARY OF REQUIRED TIMES IN SECONDS CPU-time runtime Reading and constructing the geometry 0.750 0.750 Checking the geometry 1.343 1.344 Initialisation of the Greens function 0.390 0.390 Calcul. of coupling for PO/Fock 0.093 0.094 Calcul. of MoM matrix elements 4278.474 4278.466 Calcul. of MoM right-hand side vector 0.282 0.279 Preconditioning system of linear eqns. 372.546 372.548 Solution of the system of linear eqns. 9984.281 9984.298 Determination of surface currents 8.203 8.201 Calcul. of impedances/powers/losses 1.251 1.251 Calcul. of electric near field 0.000 0.000 Calcul. of magnetic near field 0.000 0.000 Calcul. of far field 103.825 103.831 other 4.093 4.080 ----------- ----------- total times: 14755.531 14755.532 (total times in hours: 4.099 4.099) 由于共计算了21频率点，平均每一频率点所用时间为14755.531/21/60=12(分钟)，是相当迅速的。 几点说明 1.几何模型 由于给定的舰船模型与实际模型存在较大差异，将会影响仿真结果的正确性。我们在根据模型草图建立几何模型的过程中，忽略了部分细微结构。 2. 激励方式的真实模拟 不同的激励方式，将很大程度上影响感应电流的分布，因此将对计算结果尤其是近场结果(包括近场分布、输入阻抗等)产生重大影响。在本题目中，采用线段电压源激励方式，与实际问题存在较大差异。可以通过对馈电点附近的结构进行细致模拟以及更换激励方式(例如使用对称辐射结构振子模拟同轴线馈电)，来改进激励方式的真实程度，进而得到较为真实的仿真结果。 3. 电大尺寸问题 对于舰载天线系统一类的模型，在HF、VHF波段属于电小尺寸范围，FEKO利用MOM方法能对其进行精确建模;对于电子战使用的天线，频率会更高，模型电尺寸将超过10个波长甚至达数百波长，成为电大尺寸问题，其他基于微分方程方法将无法求解，而FEKO可以使用MOM/PO/UTD混合方法进行求解，这也是FEKO软件的特点和优势所在。 4. 导体结构的模拟 在软件仿真的过程中，认为天线铜线结构、舰船表面都是理想导体(PEC)。对于有涂敷的情况，FEKO可以通过表面阻抗方法来考虑。 5. 考虑真实地/海界面的影响 半空间真实界面的存在将对舰载天线的电磁特性尤其是近场分布产生较大影响。FEKO软件内置了多种方法(如反射系数法、分层介质格林函数方法)来考虑地海界面环境因素的影响，为用户提供精确电磁仿真的可选方案。考虑到由于舰船甲板的遮挡作用以及计算时间的要求，本题目未考虑海面的影响。 三、结论 利用FEKO软件对舰载天线系统进行了模拟计算。计算了远场辐射方向图、输入阻抗和电压驻波系数。通过本软件，可以方便地实现几何建模和求解。由于基于积分方程方法，并且针对不同结构使用了适当的积分方程，从而使得大尺寸结构与细微结构的复杂混合系统的建模与求解变得较为容易。 感谢722所的熊泽灵工程师在分析计算时提供的指导和帮助。
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