FEKO仿真原理与直升机天线工程应用

2023-10-31 理论教育版权反馈

【摘要】：直升机平台上3副单极子天线分别位于直升机的前、中、后3个位置，本节将分析天线安装在不同位置的方向图以及三副天线之间的互耦。图7-44 修改模型名称与模型布尔操作设定线端口和激励在左侧的树形浏览器中，选中模型“Helicopter_antenna”，在其“Details”中，展开“Wires”结点，选择直升机前部天线的棱边编号“Wire406”，单击鼠标右键，选择“Greate port”→“Wire port”选项，弹出“Create wire port”对话框，进行如下设置。

直升机平台上3副单极子天线分别位于直升机的前、中、后3个位置，本节将分析天线安装在不同位置的方向图以及三副天线之间的互耦。计算方法采用多层快速多极子（MLFMM）。

启动CADFEKO，新建工程文件，保存为“helicopter_antenna_placement.cfx”，单位采用默认的m（米）。

（1）定义变量

在左侧的树形浏览器中，双击“Variables”结点，变量如下。

工作频率：freq=200e6。

波长：lam=c0/freq，如图7-41所示。

图7-41 定义变量

（2）模型导入

通过几何模型接口导入“…/chapter07/app3/include/helicopter.x_t”文件，在“Home”菜单中，单击“Import”按钮下的“Geometry”，弹出“Import geometry”对话框，如图7-42所示，单击“Browse”按钮，读入模型“helicopter.x_t”，如图7-43所示。

图7-42 读入几何模型

图7-43 直升机几何模型

在左侧的树形浏览器中，展开“Model”→“Geometry”结点，将“GeomImport1”名称修改为“Helicopter”，将“GeomImport2”名称修改为“front”，将“GeomImport3”名称修改为“back”，将“GeomImport4”名称修改为“mid”。选中所有模型，单击鼠标右键，选择“Apply”→“Union”选项（或直接按〈U〉键），把新生成的模型更名为“Helicopter_antenna”，如图7-44所示。

图7-44 修改模型名称与模型布尔操作

（3）设定线端口和激励

在左侧的树形浏览器中，选中模型“Helicopter_antenna”，在其“Details”中，展开“Wires”结点，选择直升机前部天线的棱边编号“Wire406”，单击鼠标右键，选择“Greate port”→“Wire port”选项，弹出“Create wire port(geometry)”对话框，进行如下设置。

Location on wire：Start。

Label：front_ant_Port1。

单击“Add”按钮，如图7-45所示。

图7-45 定义直升机前部天线端口front_ant_port1

保持“Create wire port(geometry)”对话框打开，在“Details”中的“Wires”结点下选中直升机尾部天线的棱边编号“Wire407”，在“Create wire port(geometry)”对话框，中进行如下设置。

Edge自动修正为：Helicopter_antenna.Wire407。

Label：back_ant_Port2。

单击“Create”按钮，如图7-46所示。

图7-46 定义直升机尾部天线端口back_ant_Port2

在左侧“Details”中的“Wires”结点下，选择直升机中部天线的棱边编号“Wire408”，单击鼠标右键，选择“Create port”→“Wire port”选项，弹出“Create wire port(geometry)”对话框，进行如下设置。

Location on wire：Start。

Label：mid_ant_Port3。

单击“Create”按钮，如图7-47所示。

图7-47 定义直升机中部天线端口mid_ant_Port3

添加多个求解配置：进入“Request”菜单，单击“Standard configuration”按钮两次，添加两个标准求解配置，名称分别修改为Front、Back、Mid，分别对应3副天线单独工作状态，如图7-48所示。

图7-48 定义多求解配置

前部天线激励加载：在左侧的树形浏览器上方的“Configurations”区域内，单击选中“Front”，进入“Configuration”选项卡，选中“Configuration specific”结点，单击鼠标右键，选择“Specify sources per configuration”选项，“Sources”结点会移到“Configuration specific”结点中，选中“Sources”结点，单击鼠标右键，选择“Voltage source”选项，弹出“Add voltage source”对话框，进行如下设置。

Port：front_ant_Port1。

Label：front_ant_VoltageSource1。

单击“Create”按钮，如图7-49所示。

图7-49 设置前部天线电压源为1V，端口参考阻抗为50Ohm

尾部天线激励加载：在左侧的树形浏览器上方的“Configurations”区域内，单击选中“Back”，在“Configuration”选项卡中，展开“Configuration specific”结点，选中“Sources”结点，单击鼠标右键，选择“Voltage source”选项，弹出“Add voltage source”对话框。

Port：back_ant_Port2。

Label：back_ant_VoltageSource2。

单击“Create”按钮，如图7-50所示。

图7-50 设置尾部天线电压源为1V，端口参考阻抗为50Ohm

中部天线激励加载：在左侧的树形浏览器上方的“Configurations”区域内，单击选中“Mid”，在“Configuration”选项卡，展开“Configuration specific”结点，选中“Sources”结点，单击鼠标右键，选择“Voltage source”选项，弹出“Add voltage source”对话框。

Port：mid_ant_Port3。

Label：mid_ant_VoltageSource3。

单击“Create”按钮，如图7-51所示。

图7-51 设置机身中部天线电压源为1V，端口参考阻抗为50Ohm

（4）设置计算方法

进入“Solve/Run”菜单，单击“Solver settings”按钮，弹出“Solver settings”对话框，选择“MLFMM/ACA”选项卡，进行如下设置。

勾中：Solve model with the multilevel fast multipole method(MLFMM)。

单击“OK”按钮，如图7-52所示。

图7-52 设置计算方法为MLFMM

（5）设置频率

在左侧的树形浏览器的“Configuration”选项卡中进行如下设置。

工作频率设置：展开“Global”结点，双击“Frequency”结点，弹出“Solution frequency”对话框，进行如下设置。

选择：Single frequency。

Frequency(Hz)：freq。

单击“OK”按钮，如图7-53所示。

图7-53 设置工作频率

（6）求解设置

求解设置：在左侧的树形浏览器上方的“Configurations”区域内，单击选中“Front”，在“Configuration”选项卡中展开“Configuration specific”结点，选中“Requests”结点，单击鼠标右键，选择“Far fields”选项，弹出“Request far fields”对话框，进行如下设置。

在“Position”选项卡中：

单击“3D pattern”按钮。

theta的Increment：2。

Phi的Increment：5.0。

Label：Front_3D。

切换到“Workplane”选项卡中：

将光标定位在“Origin”区域，按住〈Ctrl+Shift〉键，在3D视图中选中“Front”天线与直升机交点的位置，保证U轴平行于X轴，V轴平行于Y轴，拾取完成后，设置如下。

Origin：（X：0,Y：5.8610440834,Z：1.1）。

U vector：(X：1,Y：0,Z：0)。

V vector：(X：0,Y：1,Z：0)。

单击“Create”按钮，如图7-54和图7-55所示。

图7-54 前部远场方向图求解设置（3D pattern）

图7-55 添加机身前部天线3D方向图“Front_3D”

设置尾部天线方向图：在左侧的树形浏览器上方的“Configurations”区域内，单击选中“Back”，在“Configuration”选项卡中展开“Configuration specific”结点，选中“Requests”结点，单击鼠标右键，选择“Far fields”选项，弹出“Request far fields”对话框，进行如下设置。

在“Position”选项卡中：

单击“3D pattern”按钮。

theta的Increment：2。

Phi的Increment：5.0。

Label：Back_3D。

切换到“Workplane”选项卡中：

将光标定位在“Origin”区域，按住〈Ctrl+Shift〉快捷键，在3D视图中选中“Back”天线与直升机交点的位置，保证U轴平行于X轴，V轴平行于Y轴，拾取完成后，设置如下。

Origin：（X：-0.0016242583,Y：-8.2227625053,Z：2.8226580328）。

U vector：(X：1,Y：0,Z：0)。

V vector：(X：0,Y：1,Z：0)。

单击“Create”按钮，如图7-56和图7-57所示。

(www.chuimin.cn)

图7-56 尾部远场方向图求解设置（3D pattern）

图7-57 添加机身尾部天线3D方向图“Back_3D”

设置机身中部天线方向图：在左侧的树形浏览器上方的“Configurations”区域内，单击选中“Mid”，在“Configuration”选项卡中展开“Configuration specific”结点，选中“Requests”结点，单击鼠标右键，选择“Far fields”选项，弹出“Request far fields”对话框，进行如下设置。

在“Position”选项卡中：

单击“3D pattern”按钮。

theta的Increment：2。

Phi的Increment：5.0。

Label：Mid_3D。

切换到“Workplane”选项卡：

将光标定位在“Origin”区域，按住〈Ctrl+Shift〉快捷键，在3D视图中选中“Mid”天线与直升机交点的位置，保证U轴平行于X轴，V轴平行于Y轴，拾取完成后，设置如下。

Origin：（X：0,Y：0.8132486541,Z：4）。

U vector：(X：1,Y：0,Z：0)。

V vector：(X：0,Y：1,Z：0)。

单击“Create”按钮，如图7-58和图7-59所示。

图7-58 中部远场方向图求解设置（3D pattern）

图7-59 添加机身中部天线3D方向图“Mid_3D”

（7）网格划分

进入“Mesh”菜单，单击“Create Mesh”按钮，弹出“Create mesh”对话框，设置如下。网格剖分方法“Mesh size”：Coarse。

Wire segment radius：1e-3。

单击“Mesh”按钮，如图7-60所示。

图7-60 定义网格划分（左）与直升机网格模型（右）

（8）提交计算

进入“Solve/Run”菜单，单击“FEKO Solver”按钮，提交计算。可以选择并行模式。

（9）后处理显示结果

计算完成后，单击“Solve/Run”菜单中的“POSTFEKO”按钮或按〈Alt+3〉快捷键，启动后处理模块POSTFEKO显示结果。

显示3D结果：在“Home”菜单中单击“Far field”按钮下的“Front_3D”，在右侧的控制面板中勾选“dB”复选框。

进入“Result”菜单，单击“Grid”按钮。

进入“Display”菜单，单击“Legends”区域右下角的“”按钮，弹出“3D view legend range settings”对话框，不勾选“Round off legend range and step size”复选框，单击“OK”按钮关闭对话框。机身前部天线3D方向图如图7-61所示。

图7-61 机身前部天线3D方向图（Front_3D）

在“Home”菜单中单击“3D view”按钮下的“Back”，新建尾部天线3D视图，单击“Far field”按钮下的“Back_3D”，在右侧的控制面板中勾选“dB”复选框。

进入“Result”菜单，单击“Grid”按钮，在“Size”按钮下选择20%。

进入“Display”菜单，单击“Legends”区域右下角的“”按钮，弹出“3D view legend range settings”对话框，不勾选“Round off legend range and step size”复选框，单击“OK”按钮关闭对话框。机身尾部天线3D方向图7-62所示。

图7-62 机身尾部天线3D方向图（Back_3D）

在“Home”菜单中单击“3D view”按钮下的“Mid”，新建尾部天线3D视图，单击“Far field”按钮下的“Mid_3D”，在右侧的控制面板中，勾选“dB”复选框。

进入“Result”菜单，单击“Grid”按钮，在“Size”按钮下选择20%。

进入“Display”菜单，单击“Legends”区域右下角的“”按钮，弹出“3D view legend range settings”对话框，不勾选“Round off legend range and step size”复选框，单击“OK”按钮关闭对话框。机身中部天线3D方向图如图7-63所示。

图7-63 机身中部天线3D方向图（Mid_3D）

显示2D结果：在“Home”菜单，单击“Polar”，进入极坐标系“Polar Graph1”，单击“Far field”按钮，然后依次单击“Front_3D”“Back_3D”和“Mid_3D”，极坐标图中即显示不同安装位置的方向图。在右侧的控制面板中的“Traces”区域内，选中所有的Trace：Front_3D、Back_3D和Mid_3D，在控制面板中进行设置。

Independent axis(Angular)：Phi。

Theta：90 deg。

勾选：dB。

图7-64 直升机天线不同安装位置的水平面方向图

进入“Home”菜单，单击“Save project”按钮，保存计算结果文件为“helicopter_ antenna_placement.pfs”，关闭POSTFEKO。

上例仿真分析了天线安装在直升机平台不同位置的方向图，评估最佳的天线安装位置。下面将分析不同位置天线之间的隔离度，在CADFEKO将上一个工程文件另存为“helicopter_antenna_coupling.cfx”。

（1）多端口S参数设置

在树形浏览器上方的“Configurations”区域内，单击右上角的“”按钮，选择“Multiport S-parameter”选项，如图7-65所示，弹出“Request S-parameters”对话框，进行如下设置。

图7-65 添加多端口S参数求解

单击两次“Add port”按钮。

Port列：从上到下依次选择front_ant_Port1、back_ant_Port2、mid_ant_Port3。

Active列：只勾选第1行的复选框。

单击“Create”按钮，如图7-66所示。

图7-66 定义多端口S参数

在“Configurations”区域内，依次选中Front、Back、Mid，单击鼠标右键，选择“Delete”选项后，该区域只包含“SParameterConfiguration1”。

电参数设置：在左侧的树形浏览器中，由“Construct”切换到“Configuration”，进行如下设置。

工作频率设置：展开“Global”结点，双击“Frequency”结点，弹出“Solution frequency”对话框，进行如下设置。

选择：Linearly spaced discrete points。

Start frequency(Hz)：180e6。

End frequency(Hz)：200e6。

Number of frequencies：11。

单击“OK”按钮，如图7-67所示。

图7-67 设置扫频计算

设置混合场积分方程（CFIE），加快仿真模型计算收敛性，该直升机模型为封闭金属结构（法向已经统一朝外），因此可以设置为混合场积分方程求解。

检查模型法向朝外，在“Display options”菜单中，单击“Colour”→“Element Normal”。观察面的颜色确认模型的法向，绿色表示面元法向朝外侧，褐色表示法向朝内侧。检查显示如图7-68所示，直升机表面为绿色，表示所有直升机的面元均满足法向朝外。

图7-68 直升机模型表面呈现绿色表示法向朝外

在左侧的树形浏览器中的“Construct”选项卡中，展开“Model”→“Geometry”结点，选中模型“Helicopter_antenna”，在下方的“Details”中，展开“Faces”结点，选中直升机全部面元，单击鼠标右键，选择“Properties”选项，弹出“Face properties”对话框，选择“Solution”选项卡，在“Integral equation”下拉列表框中，选择“Combined field”选项，单击“OK”按钮，如图7-69所示。