Einführung
Die erfolgreiche Integration einer Antenne in eine Fahrzeugplattform ist mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Fahrzeugmerkmale beeinflussen die Antennenleistung, indem sie Energie abschirmen, reflektieren oder weiterabstrahlen, und Interferenzen am selben Standort können die Wirksamkeit von Mehrantennenkonfigurationen beeinträchtigen. Plattformbewegungen und Umgebungsfaktoren wie Gelände und Gebäude können die Systemwirksamkeit unter realen Betriebsbedingungen verringern. Darüber hinaus können Strahlungsgefahren Risiken für das Personal in der Nähe darstellen. Modellierung und Simulation bieten ein leistungsstarkes Werkzeug, um diese Probleme zu verstehen und Lösungen zu entwickeln. Dieser Artikel enthält eine Vielzahl von Beispielen für simulationsbasierte Bewertungen, die zur Analyse der Antennenleistung, zur Identifizierung von Problemen und zur Bewertung potenzieller Lösungen eingesetzt werden.
Der wesentliche Vorteil der simulationsbasierten Bewertung besteht darin, dass sie im Vergleich zu physischen Systemmodifikationen und Messungen relativ schnell und kostengünstig ist. Die Vorlaufzeiten und Kosten, die mit der Planung von Messungen in einer schalltoten Kammer oder auf einem Freiluft-Testgelände verbunden sind, belasten mitunter Zeitpläne und Budgets. Modellierung und Simulation können Optionen und Kompromisse bewerten, um eine kleine Anzahl geplanter Ansätze auszuwählen, lange bevor physikalische Tests stattfinden; infolgedessen konzentriert sich das Versuchsdesign darauf, geplante Ansätze zu verifizieren und Alternativen zu optimieren, die sich in Simulationen als wirksam erwiesen haben. Dieser Ansatz verringert das Risiko, auf Probleme zu stoßen, die erneute Tests, kostspielige Neukonstruktionen oder gefährliches Verhalten im Einsatz erfordern.
Darüber hinaus ergeben sich eine Reihe von Herausforderungen, wenn versucht wird, ein integriertes System umfassenden Labor- oder Feldtests zu unterziehen. Zu den möglichen Problemen zählen unter anderem:
- Die vorhandenen Messanlagen sind möglicherweise nicht für größere Plattformen ausgelegt
- Es kann sein, dass die Einrichtungen nicht in der Lage sind, den gesamten Frequenzbereich der zu prüfenden Systeme abzudecken
- Umfassende Messungen vor Ort können unter Betriebsbedingungen schwierig oder undurchführbar sein (z. B. bei einem Flugzeug im Flug oder einem HMMWV im städtischen Umfeld)
- Änderungen vor Ort könnten zusätzliche Tests erforderlich machen
Ein umfassendes Toolset für Modellierung und Simulation ermöglicht es einem Unternehmen, diese Herausforderungen zu meistern, indem es eine beliebige Anzahl von Bedingungen simulieren, zentrale Probleme identifizieren und lösen sowie physikalische Messungen zur Bestätigung erfolgreicher, auf Simulationen basierender Vorabprüfungen einsetzen kann. Im weiteren Verlauf dieses Artikels werden mehrere Beispiele vorgestellt, die typische simulationsbasierte Bewertungen zur Identifizierung und Lösung von Problemen im Zusammenhang mit der Antennenleistung und der Integration in Fahrzeuge veranschaulichen.
Bewertung der Leistung von Antennen bei der Integration in Fahrzeugplattformen
Hochpräzise elektromagnetische Simulationsprogramme sagen die Leistung einer Antenne voraus, einschließlich der Auswirkungen, die durch die Merkmale des Fahrzeugs, an dem sie montiert ist, hervorgerufen werden. Abbildung 1 zeigt eine Reihe von Ergebnissen aus Simulationen, die vom U.S. Army Communications-Electronics Research, Development, and Engineering Center (CERDEC) unter Verwendung der XFdtd®-Software von Remcom und eines hauseigenen Raytracing-Tools durchgeführt wurden. Abbildung 1(a) zeigt das Strahlungsdiagramm, das im freien Raum ohne Fahrzeug oder andere Hindernisse, die das Diagramm stören könnten, simuliert wurde. Abbildung 1(b) zeigt das Strahlungsdiagramm, nachdem die Antenne an einem Fahrzeug montiert wurde. Obwohl sich das Diagramm deutlich verändert hat – es sind einige signifikante Rückkeulen hinzugekommen und es gibt Abweichungen im Vorwärtsstrahlungsdiagramm –, weist die Antenne eine ähnliche Vorwärtsstrahlung und einen ähnlichen Gewinn wie das ursprüngliche Design auf. Diese Art von Simulation kann durchgeführt werden, um eine beliebige Anzahl potenzieller alternativer Konfigurationen zu bewerten, bis eine erfolgreiche Option identifiziert und für die endgültige Integration ausgewählt wird.
Die Abbildungen 1(c) und 1(d) veranschaulichen, wie nachträgliche Umbauten die Antennenleistung beeinträchtigen. Abbildung 1(c) zeigt das Strahlungsdiagramm nach dem Umbau des Fahrzeugs durch den Einbau eines „Overhead Wire Mitigation“-Kits (OWM) mit einem Metallpfosten. Hinweis: OWM verhindert, dass Hindernisse über dem Fahrzeug wie Wäscheleinen, Stromleitungen und Laub die installierten Antennen beschädigen. Die Auswirkungen sind erheblich. Im Hauptkeulbereich bildet sich eine Nullstelle, wodurch der Antennengewinn vor dem Fahrzeug verringert wird. Der Austausch des Metallpfostens gegen eine Glasfaserstange, wie in Abbildung 1(d) dargestellt, verbessert die Leistung erheblich und stellt den starken Gewinn in Vorwärtsrichtung wieder her.
Abbildung 1: Modellierung und Simulation mit Remcoms XFdtd zur Bewertung der Leistung von Antennen auf der Plattform und der Auswirkungen geplanter Modifikationen im Einsatzgebiet
Bei höheren Frequenzen können Plattformen elektrisch groß werden, wobei die elektrische Größe die Größe eines Objekts im Verhältnis zur Wellenlänge eines Signals beschreibt. Die Modellierung eines elektrisch großen Szenarios mithilfe einer Vollwellenlösung wie der in XFdtd verwendeten Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethode (FDTD) könnte mehr Speicherplatz oder längere Simulationszeiten erfordern als gewünscht, weshalb ein zweistufiger hybrider Ansatz eine praktikablere Alternative darstellen könnte. Abbildung 2 zeigt die Simulation eines X-Band-Antennenarrays, das auf einem Global Hawk montiert ist. Die Vollwellenmethode von XFdtd ermittelt das Strahlungsdiagramm des Arrays auf einer metallischen Grundplatte. Eine auf der Uniform Theory of Diffraction (UTD) basierende Lösung aus dem XGtd®-Solver von Remcom berechnet dann das Strahlungsdiagramm, das sich aus der Montage des Arrays an der Unterseite des elektrisch großen Global Hawk ergibt. Dieser zweistufige Prozess ermöglicht eine genaue und effiziente Bewertung der Gesamtleistung der Antenne in ihrer Betriebskonfiguration.
Abbildung 2: Hybrider Ansatz unter Verwendung von XFdtd und XGtd zur Simulation der Antennenstrahlung einer auf einem Global Hawk montierten Antenne
Bewertung von Interferenzen zwischen mehreren Antennen am selben Standort
Militärfahrzeuge verfügen in der Regel über mehrere Antennensysteme, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. Interferenzen zwischen diesen Systemen können zu Problemen beim gleichzeitigen Betrieb führen. Um die Auswirkungen besser zu verstehen, muss zunächst die Leistungskopplung zwischen den einzelnen Sende- und Empfangsantennen bewertet werden. Dies geschieht in der Regel durch Simulation oder Messung der an jeder installierten Antenne empfangenen Leistung, die von jeder Sendeantenne ausgeht. Bei Antennenarrays müssen diese Sende- und Empfangsleistungen entsprechend summiert werden, um die tatsächlichen Signale darzustellen, die am Eingangsanschluss des Arrays beobachtet werden. Das Verhältnis von Empfangsleistung zu Sendeleistung des Strahlungssystems stellt die Leistungskopplung dar und beschreibt, wie viel der gesendeten Leistung – innerhalb oder außerhalb des Frequenzbandes – in das benachbarte System gelangt.
Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse einer XFdtd-Simulation zur Bewertung der Leistungskopplung zwischen drei konzeptionellen Antennen, die an einem HMMWV angebracht sind, wie in Abbildung 3(a) dargestellt. Eine gerichtete Störsenderantenne wird als Array modelliert, das hinten rechts am Fahrzeug angebracht ist. Die Leistungskopplung wird von dieser Antenne zu drei anderen Antennen simuliert: einer Monopol-Kommunikationsantenne, die hinten links am Fahrzeug montiert ist, und einem flachen Patch-Array auf der vorderen linken Dachseite, das Sende- und Empfangsantennenarrays für die Satellitenkommunikation umfasst. Abbildung 3(b) zeigt die breitbandige Leistungskopplung vom Störsender zu jeder der anderen Antennen, wobei die Farben der Diagrammpunkte den Pfeilen in der Fahrzeugansicht entsprechen.
Abbildung 3: Interferenz zwischen einem Störsender und zwei benachbarten Antennen auf einem HMMWV
Diese Art von Untersuchung hilft Analysten dabei, festzustellen, ob ein Sender den Betrieb benachbarter Systeme beeinträchtigt, und bei Bedarf Abhilfemaßnahmen zu entwickeln. Beispiele für Abhilfemaßnahmen könnten sein:
- Sorgfältige Auswahl der Frequenzbänder zur Vermeidung von Konflikten
- Neuausrichtung der Antennen zur Verringerung der Auswirkungen
- Abwechselnder Einsatz der Systeme (im Wesentlichen Zeitmultiplexverfahren), sodass die Antennen nicht gleichzeitig in Betrieb sind
- Anpassung der Frontend-Filter des Systems, um (in Extremfällen) einen gleichzeitigen Betrieb zu ermöglichen
Simulationsergebnisse unterstützen all diese Ansätze, indem sie eine schnelle Prüfung alternativer Antennenkonfigurationen ermöglichen. Sobald die Modellierung und die Simulationsauswertungen im Vorfeld der Tests abgeschlossen sind, konzentrieren sich die Messungen effizient auf die Bestätigung der Analysen und der Maßnahmen zur Fehlerbehebung.
Bewertung der Auswirkungen der Umgebung auf die Antennenleistung
Die Umgebung spielt eine wichtige Rolle für die Antennenleistung. Das Vorhandensein einer dielektrischen Grundplatte im Nahfeld der Antenne verändert das Strahlungsverhalten. Wenn sich die Felder in den Fernbereich ausbreiten, verursachen Wechselwirkungen mit dem Boden und Gebäuden Interferenzen aufgrund von Mehrwegausbreitung, was zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz und Abschattung führt. Nirgendwo sind diese Interferenzen deutlicher zu erkennen als in dicht bebauten städtischen Gebieten, wo die spezifische Anordnung der Gebäude zum entscheidenden Faktor für die Ausbreitung der Felder in der Umgebung werden kann.
Abbildung 4 veranschaulicht die Mehrwegeeffekte von Gebäuden in einer städtischen Umgebung für zwei verschiedene Szenarien, die mit der Wireless InSite®-Suite von Remcom modelliert wurden. Abbildung 4(a) zeigt die Empfangsleistung einer Sendeantenne, die auf einem HMMWV montiert ist, während dieser eine Strecke durch die Stadt zurücklegt. Abbildung 4(b) zeigt den Wegverlust für die zuvor gezeigte Array-Antenne auf dem Global Hawk, während dieser hoch über der unteren linken Ecke der städtischen Szene im Bild fliegt. Beide Bilder helfen bei der Planung des operativen Einsatzes der Systeme. Grundsätzlich kann die Berücksichtigung der vorgesehenen Umgebung, wie beispielsweise die Beurteilung, wie sich der Untergrund unter einem Fahrzeug auf die effektive Reichweite eines Systems auswirkt, auch während der Integration genutzt werden, um sicherzustellen, dass ein System seine vorgesehene Mission erfüllen kann.
Abbildung 4: Simulationen von Wireless InSite zeigen, welchen Einfluss die Umgebung (insbesondere in städtischen Gebieten) auf die Leistungsfähigkeit einer Antenne haben kann
Bewertung potenzieller Strahlungsrisiken für das Personal
ANSI-Normen, die DOD-Anweisung 6055.11 und zahlreiche andere behördliche Normen enthalten gesetzliche Vorgaben für die maximal zulässige Exposition (MPE), um das Personal vor Hochfrequenzstrahlung (HF-Strahlung) zu schützen. Bei der Prüfung alternativer Systeme und Standorte für die Montage von Systemantennen muss ein entscheidender Faktor die Berücksichtigung des potenziellen Risikos einer Strahlenexposition des Personals sein. Abbildung 5 zeigt die Stärke der elektrischen Felder, die laut XFdtd-Vorhersage von einer auf dem Dach montierten Antenne in den Innenraum eines HMMWV gelangen, hauptsächlich durch dessen Fenster. Informationen über elektrische und magnetische Feldstärken, Frequenz, Dauer und Einschaltdauer der Systemübertragungen lassen sich relativ einfach kombinieren, um zu bestimmen, ob das System die MPE wahrscheinlich überschreiten wird. Auf einer detaillierteren Ebene ist es auch möglich, die FDTD-Methode zu verwenden, um die spezifische Absorptionsrate (SAR) für eine Person zu schätzen, die als im Fahrzeug sitzend oder in der Nähe stehend modelliert wird; jedoch sind die Feldstärken im Zeitverlauf (wie in der Abbildung dargestellt) die übliche Messgröße für eine Strahlungsgefahrenbewertung innerhalb des DOD.
Abbildung 5: Bewertung der Felder und der potenziellen Strahlenbelastung für Fahrer und Insassen unter Verwendung von XFdtd
Schlussfolgerung
Bei der Integration einer Antenne in eine Fahrzeugplattform sind eine Reihe kritischer Aspekte zu berücksichtigen, insbesondere wenn der Einsatzzweck militärische Operationen sind. Dieser Artikel enthält einige Beispiele, darunter die Bewertung der Auswirkungen von Fahrzeugmerkmalen auf die Strahlung, Interferenzen am selben Standort durch Mehrfachantennensysteme und Umgebungshindernisse für die Ausbreitung sowie die Analyse potenzieller Strahlungsrisiken. Es gibt eine Vielzahl von Lösungen zur elektromagnetischen Modellierung für die Analyse verschiedener Aspekte des Problems, und in vielen Fällen tragen hybride Ansätze, die mehrere Lösungen kombinieren, wesentlich zum Gesamtverständnis der Fragestellungen bei. Durch den Einsatz dieser Werkzeuge für eine simulationsbasierte Bewertung vor der endgültigen Antennenintegration und vor Labor- oder Feldtests kann ein Unternehmen wichtige Probleme identifizieren und kosteneffiziente Lösungsansätze entwickeln. In diesem Sinne werden Modellierung und Simulation zu einem weiteren Werkzeug, das dazu beiträgt, den Erfolg sicherzustellen, wenn das System schließlich im Einsatz ist.
