【成功案例】A*STAR 下屬 IHPC 研究所使用 Feko 實現電大平臺的天線布局

ALTAIR

2021年3月23日 10:48

【成功案例】A*STAR 下屬 IHPC 研究所使用 Feko 實現電大平臺的天線布局的圖1

主要亮點

行業：航空航天、國防

挑戰：電大平臺上的天線布局

Altair解決方案：Altair Feko?

效果：

- 與優化相結合高效的電磁求解器

- 替代天線模型方法

- 真正的混合求解器，為電大平臺上的天線布局提供了準確、高效的解決方案

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研究背景

高性能計算研究所（IHPC）成立于1998年，是新加坡知名科學、技術和研究機構 A*STAR 下屬的一個研究所。IHPC 致力于通過建模、仿真和可視化方面的先進方法、技術和新工具為發現提供動力。RF工程團隊開發的先進的計算電磁學和多物理場算法和工具，利用電磁兼容性(EMC)的豐富專業知識，廣泛應用于小規模和大規模問題，如高速電子、城市和空間 EMC。

IHPC 與國內外公司及政府機構合作了大量有影響力的項目，例如與跨國公司合作減輕電磁干擾，以及與財團成員合作開發航空航天應用的高效 EMC 工具。該研究所使用內部工具和商業軟件為客戶提供解決方案和定制設計。

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挑戰

IHPC 由日益復雜的電磁(EM)系統和環境驅動，以開發經濟高效的創新方法，用于建模、診斷并最終解決 EMC 問題。

典型的挑戰包括但不限于：

電大尺寸和多尺度EM問題，例如大平臺上的天線布局；
多物理場問題，如復合材料的電-熱-機械分析。

作為測量的補充，仿真在產品開發中發揮著越來越重要的作用。在研究所，從預研到設計優化和最終驗證，每個方面都采用仿真。在解決上述電大輻射問題時，除了開發內部仿真工具外，該研究所還使用像 Feko 這樣的軟件。

例如在涉及電大平臺的項目中，需要有效的建模工具來識別最佳天線位置并最小化各種天線之間的干擾。基本上有兩個挑戰：

專有天線的幾何模型很難從供應商處獲得，因此必須開發替代模型^[1-4]，以在平臺上的天線布局模擬中表示它；
平臺上的天線問題既是電大尺寸又是多尺度問題，僅用全波法已無法實際解決。全波和高頻漸近方法的混合方法是仿真這種情況的理想選擇。

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Scientist II, IHPC, A*STAR

Si-Ping Gao

仿真在產品研發中發揮著至關重要的作用。在我們研究所，從預研到設計優化和最終驗證，各個方面都采用了仿真技術。

解決方案

該團隊成功開發了替代模型，根據天線數據表中常見的幅相輻射模式信息來表示貼片陣列和開槽波導天線(見圖1)。替代模型代表原始天線的輻射和散射性能。在開發過程中，Altair Feko的精確全波仿真用于揭示天線上的電流分布，這對于識別對輻射起主要作用的電流至關重要。通過利用Feko強大的優化功能確定替代模型的設計參數。

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圖1 (a)用Feko創建的共形貼片天線陣列和(c)開槽波導天線及其各自的替代模型(b)和(d)

一旦獲得準確的替代模型，它就被安裝在平臺的不同位置，計算和比較安裝前后的輻射方向圖。對于電大尺寸平臺，Feko的混合求解器至關重要。例如，天線與天線周圍環境(包括在內)可以用MoM/MLFMM求解，而剩余的平臺幾何模型應用物理光學法(PO), 大面元物理光學法(LE-PO)或射線幾何光學法(RL-GO)同時求解。這種真正的混合方法意味著從根本上捕獲天線區域和平臺之間的電流直接耦合，從而確保準確性和高效性的完美解決方案。

構建的替代模型安裝在飛行器上(圖2)，以驗證其表示原始貼片天線陣列的能力。圖3顯示了貼片天線陣列的輻射方向圖及其計算的替代模型。良好的相似性證明了替代模型的能力。

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圖2 在15.5波長的飛行器上部署替代模型

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圖 3 在飛行器上安裝了貼片天線陣列及其替代模型的輻射方向圖

圖4顯示了使用替代天線方法安裝在機身平臺上的另一示例。Altair Feko 仿真結果通過IHPC開發的內部軟件進行驗證。

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圖4：在飛機上方的貼片天線的輻射圖，

其中Feko的混合MoM和LEPO求解器被用來解決結構問題 IHPC自有軟件與Feko所獲得結果之間有很大的一致性

參考文獻

[1] S.-P. Gao, B. Wang, H. Zhao, W.-J. Zhao, and C. Png, “Installed radiation pattern of patch antennas: Prediction based on a novel equivalent model,” IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 57, pp. 81–94, June 2015.

[2] S.-P. Gao, H. Zhao, H. W. Deng, B. F. Wang, and W.-J. Zhao, “Estimating interference to airborne patch antenna with limited information,” IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 58, pp. 631–634, April 2016.

[3] S.-P. Gao, H. Zhao, B. Wang, W.-J. Zhao, "Analysis of slotted waveguide antenna on large platforms using an equivalent model," Proc. of URSI GASS, Beijing, China, Aug 16-23, 2014.

[4] S.-P. Gao. H. Zhao, W.-J. Zhao, E.-X. Liu, "Equivalent model built with limited information: Predicting installed performance of slotted waveguide antennas," IEEE Antennas Propag. Mag.

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