Verwendung von XFdtd zur Positionierung von Antennen an einem M-28-Flugzeug
Dieses Beispiel veranschaulicht, wie die geometrischen Modellierungs- und elektromagnetischen Berechnungsfunktionen von XFdtd auf Antennen an großen Fahrzeugen angewendet werden können.
Airfield Technology stand vor der Herausforderung, die Antennen des Flugvermessungssystems an einem ungewöhnlichen Flugzeug anzubringen. Der Flugvermessungsauftrag stellt hohe Anforderungen an die Antennenleistung, die selbst bei typischen Flugzeugen nur schwer zu erfüllen sind. Airfield Technology lieferte ein neues Flugvermessungssystem an die polnische Luftwaffe, die sich für ein Flugzeug vom Typ Mielec M-28 entschied. Dieses Flugzeug ist in Abbildung 1 dargestellt. Die doppelten vertikalen Stabilisatoren der M-28 stellten eine ungewöhnliche Konfiguration für ein Flugvermessungsflugzeug dar, und ihre Auswirkungen auf die Antennenleistung waren unbekannt.
Angesichts dieser Herausforderung wandte sich Airfield Technology an Professor Kent Chamberlin von der University of New Hampshire, einen bekannten Experten für numerische elektromagnetische Methoden und ihre Anwendungen in der Avionik und der Leistung von Antennensystemen. Professor Chamberlin verwies Airfield Technology an Remcom und XFdtd EM Simulation Software und war als Berater an der Studie beteiligt.
Die Anwendung von XFdtd auf dieses Projekt begann mit dem Import einer partiellen CAD-Datei der M-28 in die Software, der Überarbeitung der CAD-Datei, um fehlende Teile hinzuzufügen, und dem Hinzufügen verschiedener Antennen in verschiedenen Positionen. XFdtd wurde dann für die Berechnung der Hautströme des Flugzeugs und der 2D- und 3D-Antennendiagramme verwendet. Die XFdtd-Ergebnisse wurden verwendet, um die beste Kombination aus Antennentyp und -standort zu ermitteln, die den Anforderungen an die Antennenabdeckung entspricht.
Importieren und Bearbeiten des M-28-Flugzeugmodells in XFdtd
Die Analyse der M-28 begann mit einer CAD-Datei, die vom Flugzeughersteller zur Verfügung gestellt wurde. Die CAD-Datei enthielt den größten Teil der Flugzeuggeometrie. Abbildung 2 zeigt die CAD-Datei im XFdtd-Importfenster. Dieses spezielle CAD-Modell der M28 enthält 10.827 Objekte in einer Datei mit einer Größe von etwa 150 MB. Das Importergebnis ist in Abbildung 3 dargestellt.
Nach dem Importieren der M28-Geometrie in XFdtd wurde klar, dass die gelieferte CAD-Datei nicht das komplette Flugzeug beschrieb. Dem Modell fehlte eine Heckklappe, und die Motoren und Propeller waren nicht vorhanden. Mithilfe der geometrischen Primitive von XFdtd und booleschen Operationen wurden die fehlenden Komponenten dem Flugzeug hinzugefügt.
Auf der Grundlage von Zeichnungen der Motoren wurden CAD-Modelle der Motoren mit dem geometrischen Modellierer XFdtd erstellt. Zunächst wurde ein einzelnes Motormodell erstellt und als CAD-Datei im SAT-Format gespeichert. Das SAT-Motormodell konnte dann wieder in XFdtd importiert werden. Die Triebwerksgeometrie wurde zweimal importiert und auf jeder Tragfläche positioniert. Außerdem wurden die Reifen durch ein nicht leitendes Dielektrikum ersetzt, das dem Gummi nahe kommt. Dieser Vorgang ist in den Abbildungen 2-5 dargestellt. Nun mussten nur noch die Antennen zum Modell hinzugefügt und die XFdtd-Simulationen durchgeführt werden.
Berechnung der Antennenleistung für das Luftfahrzeug M-28 mit XFdtd
Sobald das Flugzeugmodell fertig war, wurde die Analyse der M-28 mit der Platzierung der Antennen am Flugzeug fortgesetzt. Die Studie umfasste zwei verschiedene Antennentypen, eine symmetrische Halbschleifenantenne, die so genannte "Handtuchstange", und eine gebogene V-förmige Dipolantenne. In der ersten Abbildung sind zwei der Halbschleifenantennen an der Seite des Flugzeugs zu sehen. Diese Antennen sind paarweise auf jeder Seite des Flugzeugs installiert und so ausgerichtet, dass sie bei gemeinsamer Speisung symmetrische Antennenmuster ergeben. Die gebogenen Dipolantennen befinden sich in der Mittellinie des Flugzeugs.
In der ersten Phase der Analyse wurden diese Antennen an verschiedenen Stellen des Flugzeugs angebracht und die 2D- und 3D-Antennendiagramme der Fernzone berechnet. Anhand der Ergebnisse dieser Berechnungen wurden die in Frage kommenden Antennentypen und -positionen ausgewählt. Dann wurde für diese Kandidatenpositionen XFdtd verwendet, um die Positions- und Frequenzsensitivität zu untersuchen, um festzustellen, wie robust das Design der Kandidaten in der Praxis sein würde. Die Hautströme des Flugzeugs wurden ebenfalls berechnet und angezeigt, um die Wechselwirkungen des Flugzeugs, insbesondere der großen vertikalen Stabilisatoren, mit der Antennenstrahlung aufzuzeigen.
Wie bei den Flugzeugtriebwerken wurde der XFdtd Geometric Modeler verwendet, um die Geometrien der Halbschleifen- und der gebogenen Dipolantenne zu erstellen. Diese wurden dann in CAD-Dateien exportiert, importiert und auf dem XFdtd-Flugzeugmodell zur Berechnung positioniert.
Als Vergleichsgrundlage wurden einige Berechnungen für ein C-130-Flugzeug durchgeführt. Dieses Flugzeug hat ein einziges Seitenleitwerk und bereitet keine Schwierigkeiten bei der Erzielung des gewünschten omnidirektionalen Azimutmusters. Wie bei der M-28 wurde ein CAD-Modell einer C-130 erstellt und in XFdtd importiert. Eine Halbschleifenantenne wurde auf dem Seitenleitwerk angebracht, und die Strahlungsdiagramme der Azimutebene wurden mit XFdtd berechnet. Abbildung 6 zeigt das elektrische Feld in der Ebene der Antenne.
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Abbildung 7 zeigt die Hautströme am Flugzeug C-130.
Abbildung 8 zeigt das Strahlungsdiagramm in der Azimutalebene. Beachten Sie die sehr gleichmäßige Abdeckung für die Phi-Polarisation (horizontal), die für Fluginspektionen von größter Bedeutung ist.
Nachfolgend werden einige ausgewählte Ergebnisse aus der Studie zum Flugzeug M-28 gezeigt. Bei der ersten Konfiguration handelt es sich um ein Paar symmetrischer Schleifenantennen, die auf dem hinteren Rumpf des Flugzeugs M-28 angebracht sind. Es werden die Hautströme des Flugzeugs sowie das Strahlungsdiagramm in der Azimutalebene für diese Antennenkonfiguration gezeigt. Die Leistung ist aufgrund der Schwankungen des Antennengewinns, insbesondere in Vorwärtsrichtung, nicht akzeptabel.
Es wurden mehrere andere Positionen für symmetrische Schleifenantennen ausprobiert, aber keine ergab ein akzeptables Strahlungsdiagramm über die gesamte Azimutalebene. Es wurde eine Position in der Mitte des Schiffes ausprobiert, die aber immer noch eine erhebliche Verringerung des Gewinns in der Vorwärtsrichtung aufwies.
Als Nächstes wurden die Antennen für die Handtuchhalter weiter vorne angebracht. Das Azimutmuster dieser Konfiguration bietet eine angemessene Abdeckung nach vorne, aber es verbleiben inakzeptable Nullstellen im Muster.
Andere Positionen für symmetrische Schleifenantennen, einschließlich auf den vertikalen Stabilisatoren, wurden ausprobiert, ohne jedoch ein einheitliches Azimutmuster zu erzeugen. Als Nächstes wurde eine gebogene Dipolantenne an der Oberseite des Rumpfes angebracht. Diese Antenne bietet eine ausgezeichnete Abdeckung nach vorne, aber eine schlechte Abdeckung zu den Seiten und nach hinten.
Zusätzlich zu den Antennendiagrammen in der Azimutebene lieferte XFdtd auch 3D-Diagramme. Diese boten einen allgemeineren Überblick über die Strahlung der verschiedenen Antennen.
Von den vielen Ergebnissen, die XFdtd für diese Studie zur Verfügung gestellt hat, werden hier nur einige wenige gezeigt, die aber ausreichen, um die endgültige Lösung aufzuzeigen. Airfield Technology installierte sowohl die gebogenen Dipol- als auch die Balanced-Loop-Antennen am Rumpfheck in einer geschalteten Konfiguration. Der gebogene Dipol wird verwendet, wenn das Flugzeug auf das Flugsicherungssystem zufliegt, und die symmetrische Schleife wird für Outbound Patterns und während orbitaler Flugmuster verwendet, wenn das Flugzeug in einem Kreis um das Flugsicherungssystem fliegt. Airfield Technology hat die bordseitige Ausrüstung so konfiguriert, dass der Computer des Flugvermessungssystems automatisch die richtige Antenne für die Art des geflogenen Musters auswählt.
XFdtd ermöglichte es, potenzielle Probleme mit der Antennenleistung zu erkennen und zu lösen, bevor die eigentlichen Antennen im Flugzeug installiert wurden, was dem Kunden letztendlich viel Zeit und Geld sparte.
