产品创新数字化峰会有奖征文：feko在航天航空天线仿真中的应用_产品创新数字化(plm)_cae_769

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1、产品创新数字化峰会有奖征文：FEKO在航天航空天线仿真中的应用_产品创新数字化(PLM)_CAE   航天航空中的天线      航天航空设备上的天线都属于飞行器上的天线，按用途分，可分为通信天线、导航天线和雷达天线。飞机天线要求体积小、重量轻、强度高，并做成流线型或隐蔽式或共形，以减小对气动性能的影响[2]。      一架飞机通常装有几十种天线，通信天线依飞行距离远近而异，低速飞机用张线天线（飞机本身是辐射器），高速飞机用扁平回线天线。      导航天线据用途采用各种形式的天线，如环状天线与单极

2、子组成的无线电罗盘天线、空腔天线、V形振子和平衡式环形天线、半波振子和隐蔽式喇叭天线等。      雷达天线采用缝隙阵列、卡塞格林（双反射面）天线、抛物面天线、合成孔径天线和相控阵天线等。      航天器上的天线多至几十种，型式多种多样，工作频率从甚低频到毫米波段。可利用极化实现复用，采用不同旋向的圆极化天线。考虑到航天器的自旋，天线方向图应具有全方向性，如相位旋转激励的四根振子天线。自旋轴对地恒定的航天器，其天线方向图为"8"字形旋转体，例如双锥天线或多元圆形阵列。      图1阿波罗号飞船上的

3、天线       "阿波罗"号载人飞船上有15种天线，如图1，分别装于指挥舱、服务舱和登月舱上，供飞船与地面、舱与舱、飞船与登月航天员、月面与地面之间联络用。形式包括：VHF回收信标天线，S频段通信天线，交会雷达天线，S频段跟踪天线，S频段扫描跟踪天线，弯刀形VHF通信天线，S频段备份全向天线，月面着陆雷达天线等。      如上所列各种在航空航天中用到的天线，要用软件精确仿真出其工作时的状态，是非常复杂的工作，主要包括两方面：      1.各种类型天线的增益，方向图，波瓣宽度等参数的分析和仿真； 

4、     2.各个天线安装于飞机或飞船或卫星上后，其工作时与其他天线之间是否能够兼容，考虑载体后，天线的辐射性能有多大影响。      由于载体的原因，通常导致要求解的问题电尺寸非常的大，用一般的有限元等微分方程的方法，即使在大内存的服务器上，也很难得到仿真结果，而用基于积分方程的方法，如MLFMM，即可方便得到精确的仿真结果。      FEKO天线仿真      安世亚太公司提供的FEKO软件[1]是一款基于积分方程求解方法的混合电磁仿真工具，来自南非，自从引入国内以来，在各航空国防等单位，得到了

5、非常广泛的应用，其高效商业化的核心代码，方便的多种方法混合求解技术，多平台及高效并行执行能力，使得其在求解电大问题乃至超电大问题方面优势尽显。      FEKO最新的版本是5.3，其中包括的求解方法有经典的矩量法（MoM）、扩展到矩量法核心多层快速多级子（MLFMM）、高频方法中的物理光学方法（PO）、针对介质问题的几何光学方法（GO）及一致性绕射理论（UTD），5.2版本后还融入了可以方便处理非均匀介质的有限元方法（FEM）。这些方法中，矩量法可灵活与其他方法混合，如MoM/PO混合求解、MoM/

6、UTD混合求解、MoM/GO混合求解及MoM/FEM混合求解方法。      FEKO作为一款通用的三维全波电磁分析软件，可处理任意三维电磁问题，涵盖从辐射、散射问题到电磁兼容等问题分析，内置的分层格林函数可方便用于分析微带结构的各种微带无缘电路如滤波器及微带天线等。      天线设计、分析及布局问题则是外问题的经典应用，在FEKO应用中占有非常重要的地位。FEKO中的MoM/MLFMM、MoM/FEM都可以用于精确求解天线问题，加上PO或UTD，可轻松求解天线在载体上的布局问题，天线间的互耦问题等

7、。      由于天线问题属于辐射问题，理论上，辐射场延伸到无限远处，而计算时显然不可能算到无限远处，所以，一般的基于麦克斯韦微分方程的仿真方法如有限元法需要将问题的辐射空间截断，设定辐射边界条件，但这将带入截断误差，而且需要离散自由空间，这将使得所分析的问题未知量增加，从而需要更多的计算资源。FEKO所采用的方法MoM和MLFMM都是基于积分方程的数值求解方法，本身基于格林函数求解麦氏方程组，自动满足辐射边界条件，这就大大简化了求解问题的误差累积，而另一方面，积分方程的方法，可以利用等效原理，只离散

8、问题的表面，根据表面上的等效电流和等效磁流，得到远场辐射方向图，相当于只将问题二维离散，减少了问题的未知量数目。所以，用FEKO求解天线问题具有本质上的优势，将大大节省求解的计算资源，扩大求解问题的规模。       FEKO具有简洁的前处理和后处理图形用户界面，CADFEKO和POSTFEKO，CADFEKO用于建模剖分设定求解条件等前处理操作，POSTFEKO用于检查模型，结果显示等候处理操作，另外，还有EDITFEKO作为高级应用模块，可设定脚本求