為支持新的安全、導(dǎo)航和雷達(dá)系統(tǒng)以及為乘客提供Wi-Fi和電視直播等服務(wù)，商用飛機(jī)上的天線數(shù)量正在穩(wěn)步增加。但是，把這些天線布置在飛機(jī)外部的傳統(tǒng)位置會(huì)增大阻力，進(jìn)而增加燃油消耗，這就與目前飛機(jī)需要不斷提高能效的目標(biāo)背道而馳。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，巴西航空工業(yè)公司正在為飛機(jī)天線研發(fā)新的安裝設(shè)計(jì)。盡管如此，天線必須在每一個(gè)方向上發(fā)出相同的輻射量，因此必須評估多種設(shè)計(jì)方案。如果必須為每一個(gè)推薦的天線設(shè)計(jì)和安裝位置構(gòu)建和測試物理原型，這樣做不僅極為耗時(shí)而且成本高昂。巴西國家電信研究所(Inatel)和巴西航空工業(yè)公司正在使用ANSYS HFSS電磁場仿真軟件來評估天線安裝替代設(shè)計(jì)的性能。HFSS仿真結(jié)果與物理測試結(jié)果良好匹配，因此大幅節(jié)省了評估設(shè)計(jì)替代方案所需的時(shí)間。最終為未來的巴西航空工業(yè)公司飛機(jī)實(shí)現(xiàn)顯著的燃油效率。

　　使用實(shí)際天線安裝開展驗(yàn)證

　　最新一代商業(yè)客機(jī)擁有多達(dá)100根天線，其可用于航空交通管制(ATC)、空中交通防撞(TCA)、盲目著陸系統(tǒng)(ILS)、測距設(shè)備(DME)等其他應(yīng)用。在過去飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)主要使用鋁材制作而成，由于鋁會(huì)嚴(yán)重阻礙電磁輻射，因此天線必須從機(jī)身表面伸出。現(xiàn)在許多飛機(jī)使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，不僅給天線布局帶來新的電磁挑戰(zhàn)，而且難以在飛機(jī)機(jī)身上設(shè)計(jì)天線。通過避免使用支撐天線用的外伸結(jié)構(gòu)件，這種方法不僅能減少阻力，還有望大幅減輕重量。

　　輕型噴氣式飛機(jī)與飛機(jī)背鰭的ANSYS HFSS數(shù)值模型

　　為仿真這款推薦的安裝設(shè)計(jì)，巴西國家電信研究所和巴西航空工業(yè)公司的工程師首先需要確定用于覆蓋天線的復(fù)合材料的電磁屬性。他們構(gòu)建了一個(gè)覆蓋現(xiàn)有天線的復(fù)合材料背鰭的物理原型。他們在消聲室中激勵(lì)天線并測量了生成的輻射圖。消聲室能夠消除電磁波反射和來自外部的電磁波，從而能準(zhǔn)確測量天線輻射。

　　工程師測量了天線的介電常數(shù)、損耗正切和輻射圖，然后他們使用這些測量值在HFSS中定義復(fù)合材料的屬性。他們從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型中導(dǎo)入結(jié)構(gòu)件和天線的幾何模型。HFSS網(wǎng)格劃分算法可生成自適應(yīng)加密網(wǎng)格，其根據(jù)局部電磁場行為的需求迭代增加網(wǎng)格單元。下一步是定義邊界條件，以指定求解域表面和對象界面上的場行為。接著定義能量進(jìn)出模型時(shí)經(jīng)過的端口。正弦波信號(hào)可用于激勵(lì)天線。

　　混合求解器技術(shù)可節(jié)省時(shí)間

　　巴西國家電信研究所和巴西航空工業(yè)公司的工程師使用ANSYS HFSS混合方法，將背鰭的有限元模型與機(jī)身以及天線的積分方程模型相結(jié)合。為背鰭選擇有限元模型的原因是：該結(jié)構(gòu)的介電屬性相當(dāng)關(guān)鍵，而有限元方法能夠準(zhǔn)確地對其進(jìn)行定義。飛機(jī)的其余部分則使用HFSS的積分方程或矩量法，因?yàn)槠溆?jì)算效率高。模型的外部邊界則應(yīng)用了完全匹配層(PML)邊界條件，以減少計(jì)算域中的空氣。PML是假設(shè)的各向異性復(fù)合材料，能完全吸收影響它們的電磁場。它們被布局在模型邊界上，用于模擬無反射輻射。

　　ANSYS HFSS仿真結(jié)果顯示了機(jī)身內(nèi)部設(shè)計(jì)的天線所產(chǎn)生的輻射幅度場

　　ANSYS HFSS計(jì)算結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的完整電磁場模式，并且并行計(jì)算用于3-D場求解的所有模態(tài)和端口。仿真結(jié)果與物理測試良好匹配，驗(yàn)證了測量得到的材料屬性和HFSS仿真模型。工程師發(fā)現(xiàn)不同的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能與頻率有關(guān)。例如，在100KHz下使用大量碳纖維增強(qiáng)材料能夠不劣化輻射圖，但在10GHz下即使微量的碳纖維也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)峻的設(shè)計(jì)難題。

　　仿真的(紅色虛線)輻射圖和測量得到的(黑色)輻射圖顯示出良好匹配

　　通過迭代獲得精心優(yōu)化的設(shè)計(jì)

　　工程師隨后評估了不同的天線安裝設(shè)計(jì)，旨在獲得全向輻射圖。通過改變不同設(shè)計(jì)參數(shù)的尺寸，他們發(fā)現(xiàn)天線相對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的位置(x和y方向)以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的厚度對天線性能的影響最大。工程師使用HFSS中的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，在批處理模式中評估這些值的范圍及其他設(shè)計(jì)參數(shù)。接下來，工程師為完整飛機(jī)結(jié)構(gòu)建模，以確定其如何影響天線性能以及如何進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)來維持全向性能。

　　在仿真的指導(dǎo)下，工程師研發(fā)出的天線安裝設(shè)計(jì)能夠提供極為貼近理想全向模式的輻射圖，幾乎達(dá)到了無罩天線的性能。在優(yōu)化天線設(shè)計(jì)之后，巴西國家電信研究所和巴西航空工業(yè)公司的工程師為優(yōu)化后的設(shè)計(jì)構(gòu)建了原型。新原型的物理測量與仿真結(jié)果良好匹配。這些新的天線安裝設(shè)計(jì)有望大幅降低新一代飛機(jī)的燃油消耗。