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电大尺寸问题
2014-3-28

    天线设计中的电大尺寸问题主要有两类:一类是反射面天线,如卫星通信天线、雷达天线等等;另一类是天线布局,如机载天线、舰载天线、星载天线等等。而对于RCS问题来说,飞机结构和雷达波长之比通常都在10以上。对于电大尺寸问题的分析,低频方法(积分方程法、微分方程法)由于要求按照一个波长至少划分成10等份的标准对几何结构进行网格划分,从而产生巨大的未知量数目,导致高阶线性方程组而无法求解,因此无能为力。对于电大尺寸问题的有效求解方法是高频方法,如物理光学法、一致性绕射理论等等,高频方法不需要求解线性方程组,内存要求低,计算速度快、结果精确。
    ANSYS FEKO提供多种方案处理电大尺寸电磁场分析问题,以及电大尺寸与电小尺寸混合结构的电磁场分析问题:
    (1)多层快速多极子法(MLFMM):假定N为未知量的数目,矩量法所需的内存规模是N*N,CPU运行时间是N*N*N;而多层快速多极子法内存需求量是N*log(N),CPU运行时间是N*log(N)*log(N),同时多层快速多极子法具有与矩量法相同的精度。可见,多层快速多极子法具有矩量法的精度,同时具有少得多的内存需求量,很适合于处理电大尺寸问题。
                             

                            

    (2)物理光学法(矩量法与物理光学混合法):对于电大尺寸结构,如反射面天线的反射面、机载天线的机身、舰载天线的舰体,以及星载天线的星体等,FEKO可以采用物理光学法进行分析。此外,FEKO还可以将物理光学与矩量法混合使用,从而将反射面天线的馈源部分和反射面部分作为一个整体进行分析。FEKO中对物理光学的改进,如边缘修正、尖劈修正,以及计入爬行波影响等,保证了物理光学计算结果的良好精度。


                                 

                     

                                       

    (3)一致性绕射理论(矩量法与一致性绕射理论混合法):由于一致性绕射理论不需要对几何结构进行网格划分,几何结构的尺寸并不影响内存的需求,影响内存需求和计算量的是反射点、边和角的绕射数目,因此它可以用来分析电尺寸特别巨大的电磁场分析问题,如星载天线中太阳板对卫星天线辐射性能的影响等。 
 
                             

                   

    (4)问题分解法:FEKO处理电大尺寸问题的一个突出特色是可以将大问题分解成子问题进行分别处理,大大降低计算的复杂度。例如,对于反射面天线,用户可以将馈源部分与反射面部分分开考虑:首先分析馈源部分,并将馈源的辐射结果以辐射近场或远场的形式存储起来;然后分析电大尺寸的反射面部分,这时只需将馈源的辐射结果作为反射面的激励源即可分析出整个反射面天线的辐射结果。这样做的一个好处是,用户可以选择其它的软件分析馈源部分,而用FEKO分析电大尺寸的结构部分。

                                    
    以卡塞格仑天线分析为例,用户可以将原问题分解成两个子问题,即馈源的辐射特性分析与整体辐射特性分析。这有两种解决方案:
用近场作为二次激励源(近场等效)
    先对喇叭和次反射面用矩量法求解,计算出包围它们的闭合面(这里用一个圆柱面和两个半球帽)上的近场分布,见图8-3-11(a)与(b);然后将计算所得的近场作为激励,对主反射面用物理光学法进一步求解,得出卡塞格仑天线整体的辐射特性。
    用远场作为二次激励源(远场等效)
    先对喇叭和次反射面用矩量法求解,与方案1不同的是,这里计算喇叭与次反射面的远场辐射方向图,见图8-3-11(a)与(c);然后将计算所得的远场辐射方向图作为激励,并对主反射面应用物理光学法进一步求解,得出卡塞格仑天线整体的辐射特性。
                                      

                     

                         


                                                              图8-3-11

    比较两种方案的分析结果,如图8-3-11(d)所示,其中MoM/PO是指喇叭与次反射面用矩量法,主反射面用PO的整体方法分析结果,PO with near-field aperture是方案一的分析结果,PO with far-field aperture是方案二的分析结果。由图中可以看出,近场等效与整体方法结果较为吻合。远场等效在后向( )存在较大的误差,原因在于近场方法只需满足小耦合条件即可获得较好的结果;而远场方法除了忽略了耦合,还忽略了激励(这里是远场方向图转化为近场作为激励)对整个方向图的贡献,另外远场到近场的变化会引入较大的误差。
    (5)并行计算:FEKO具有卓越的并行计算能力,对于电尺寸特别巨大的工程问题,除了上述的各种解决方案之外,还可以利用并行计算进行处理。如图8-3-12所示,FEKO的并行计算效率因子是0.8,也就是说,在32个节点的并行系统计算时,计算时间比单个节点要缩短0.8*32倍。 

                       

                            

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