内部机载天线

作者:Arismar Cerqueira Sodré Junior,巴西Santa Rita do Sapuca巴西国家电信研究所(Inatel)副教授;Sidney Osses Nunes,巴西São José dos Campos巴西航空工业公司产品研发工程师

在现代喷气式客机表面伸出的大量天线会产生阻力,进而增加燃油消耗。巴西国家电信研究所(Inatel)和巴西航空工业公司(Embraer)的工程师致力于研发能够节省燃料的、安装天线的新方法。借助ANSYS仿真技术,工程师无需花费构建原型的时间和成本就能预测推荐的安装设计的性能。

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antenna location on airliner

“把这些天线布置在飞机外部的传统位置会增大阻力,进而增加燃油消耗,这就与目前飞机需要不断提高能效的目标背道而驰。”

Antennas are mounted on the exterior of today's airliners

现代飞机的天线被安装在机身外部。

为支持新的安全、导航和雷达系统以及为乘客提供Wi-Fi和电视直播等服务,商用飞机上的天线数量正在稳步增加。但是,把这些天线布置在飞机外部的传统位置会增大阻力,进而增加燃油消耗,这就与目前飞机需要不断提高能效的目标背道而驰。为应对这一挑战,巴西航空工业公司正在为飞机天线研发新的安装设计。尽管如此,天线必须在每一个方向上发出相同的辐射量,因此必须评估多种设计方案。如果必须为每一个推荐的天线设计和安装位置构建和测试物理原型,这样做不仅极为耗时而且成本高昂。巴西国家电信研究所(Inatel)和巴西航空工业公司正在使用ANSYS HFSS电磁场仿真软件来评估天线安装替代设计的性能。HFSS仿真结果与物理测试结果良好匹配,因此大幅节省了评估设计替代方案所需的时间。最终为未来的巴西航空工业公司飞机实现显著的燃油效率。

light jet aircraft antenna model

轻型喷气式飞机与飞机背鳍的ANSYS HFSS数值模型

使用实际天线安装开展验证

最新一代商业客机拥有多达100根天线,其可用于航空交通管制(ATC)、空中交通防撞(TCA)、盲目着陆系统(ILS)、测距设备(DME)等其他应用。在过去飞机外部结构主要使用铝材制作而成,由于铝会严重阻碍电磁辐射,因此天线必须从机身表面伸出。现在许多飞机使用纤维增强复合材料,不仅给天线布局带来新的电磁挑战,而且难以在飞机机身上设计天线。通过避免使用支撑天线用的外伸结构件,这种方法不仅能减少阻力,还有望大幅减轻重量。

为仿真这款推荐的安装设计,巴西国家电信研究所和巴西航空工业公司的工程师首先需要确定用于覆盖天线的复合材料的电磁属性。他们构建了一个覆盖现有天线的复合材料背鳍的物理原型。他们在消声室中激励天线并测量了生成的辐射图。消声室能够消除电磁波反射和来自外部的电磁波,从而能准确测量天线辐射。

工程师测量了天线的介电常数、损耗正切和辐射图,然后他们使用这些测量值在HFSS中定义复合材料的属性。他们从计算机辅助设计(CAD)模型中导入结构件和天线的几何模型。HFSS网格划分算法可生成自适应加密网格,其根据局部电磁场行为的需求迭代增加网格单元。下一步是定义边界条件,以指定求解域表面和对象界面上的场行为。接着定义能量进出模型时经过的端口。正弦波信号可用于激励天线。

prototype testing

在消声室中测试的飞机背鳍的原型

“工程师发现天线相对于复合材料的位置以及复合材料结构件的厚度对天线性能的影响最大。”

混合求解器技术可节省时间

antenna radiation amplitude

ANSYS HFSS仿真结果显示了机身内部设计的天线所产生的辐射幅度场。

巴西国家电信研究所和巴西航空工业公司的工程师使用ANSYS HFSS混合方法,将背鳍的有限元模型与机身以及天线的积分方程模型相结合。为背鳍选择有限元模型的原因是:该结构的介电属性相当关键,而有限元方法能够准确地对其进行定义。飞机的其余部分则使用HFSS的积分方程或矩量法, 因为其计算效率高。模型的外部边界则应用了完全匹配层(PML)边界条件,以减少计算域中的空气。PML是假设的各向异性复合材料,能完全吸收影响它们的电磁场。它们被布局在模型边界上,用于模拟无反射辐射。

ANSYS HFSS计算结构件内部的完整电磁场模式,并且并行计算用于3-D场求解的所有模态和端口。仿真结果与物理测试良好匹配,验证了测量得到的材料属性和HFSS仿真模型。工程师发现不同的纤维增强复合材料的性能与频率有关。例如,在100KHz下使用大量碳纤维增强材料能够不劣化辐射图,但在10GHz下即使微量的碳纤维也会产生严峻的设计难题。

simulated vs measured radiation patterns
simulated vs measured radiation patterns
simulated vs measured radiation patterns
simulated vs measured radiation patterns
仿真的(红色虚线)辐射图和测量得到的(黑色)辐射图显示出良好匹配。
 

通过迭代获得精心优化的设计

工程师随后评估了不同的天线安装设计,旨在获得全向辐射图。通过改变不同设计参数的尺寸,他们发现天线相对于复合材料结构件的位置(x和y方向)以及复合材料结构件的厚度对天线性能的影响最大。工程师使用HFSS中的参数化设计功能,在批处理模式中评估这些值的范围及其他设计参数。接下来,工程师为完整飞机结构建模,以确定其如何影响天线性能以及如何进行设计改进来维持全向性能。

在仿真的指导下,工程师研发出的天线安装设计能够提供极为贴近理想全向模式的辐射图,几乎达到了无罩天线的性能。在优化天线设计之后,巴西国家电信研究所和巴西航空工业公司的工程师为优化后的设计构建了原型。新原型的物理测量与仿真结果良好匹配。这些新的天线安装设计有望大幅降低新一代飞机的燃油消耗。

measurement vs simuation

最终天线设计的测量值显示,在1到1.2GHz的频率之间最终天线设计与常规天线的性能极为接近

巴西国家电信研究所和巴西航空工业公司得到了ANSYS优秀渠道合作伙伴ESSS的大力支持。

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