使用 XFdtd 在 M-28 飞机上定位天线

该示例说明了如何将 XFdtd 的几何建模和电磁计算功能应用于大型车辆的天线。

机场技术公司面临着在一架非同寻常的飞机上安装飞行检查系统天线的挑战。飞行检查任务对飞机天线性能提出了苛刻的要求，即使是典型的飞机也很难满足这些要求。Airfield Technology 公司为波兰空军提供了一套新的飞行检查系统，波兰空军表示希望使用 Mielec M-28 飞机。这架飞机如图 1 所示。M-28 的双垂直稳定器对于飞行检查飞机来说是一种不寻常的配置，其对天线性能的影响尚不得而知。

面对这一挑战，Airfield Technology 公司联系了一位著名的电磁数值方法及其在航空电子设备和天线系统性能方面应用的专家--新罕布什尔大学的 Kent Chamberlin 教授。Chamberlin 教授向 Airfield Technology 公司推荐了 Remcom 和XFdtd 电磁仿真软件，并担任了这项研究的顾问。

在该项目中应用 XFdtd 时，首先要将 M-28 的部分 CAD 文件导入该软件，修改 CAD 文件以添加缺失部分，并在不同位置添加不同的天线。然后使用 XFdtd 计算飞机的蒙皮电流以及二维和三维天线模式。XFdtd 的结果用于确定满足天线覆盖要求的最佳天线类型/位置组合。

在 XFdtd 中导入和编辑 M-28 飞机模型

M-28 分析以飞机制造商提供的 CAD 文件为起点。CAD 文件包括飞机的大部分几何图形。图 2 显示了 XFdtd 导入窗口中的 CAD 文件。M28 的这个特定 CAD 模型包含 10,827 个对象，文件大小约为 150 MB。导入结果如图 3 所示。

将 M28 的几何图形导入 XFdtd 后，发现所提供的 CAD 文件并未描述完整的飞机。模型缺少后舱门，也没有发动机和螺旋桨。使用 XFdtd 几何基元和布尔运算，飞机上缺少的部件被添加进来。

根据发动机图纸，使用 XFdtd 几何建模器创建了发动机的 CAD 模型。首先创建单个发动机模型，并以 SAT 格式保存为 CAD 文件。然后将 SAT 发动机模型导入 XFdtd。发动机的几何图形被导入两次，并在每个机翼上定位。此外，还将轮胎改为近似橡胶的非导电介质。整个过程如图 2-5 所示。现在只需在模型中添加天线并运行 XFdtd 仿真。

使用 XFdtd 计算 M-28 飞机的天线性能

飞机模型准备就绪后，M-28 分析继续进行，在飞机上安置天线。研究涉及两种不同类型的天线，一种是称为 "毛巾杆 "的平衡半环天线，另一种是弯曲偶极子 V 形天线。从第一张图中可以看到飞机侧面有两个半环天线。这些天线成对安装在飞机的两侧，相位对调，在一起馈电时提供对称的天线模式。弯曲偶极子天线位于飞机中心线上。

分析的初始阶段包括将这些天线放置在飞机上的不同位置，并计算远区二维和三维天线模式。根据计算结果，选择候选天线类型和位置。然后使用 XFdtd 对这些候选位置进行位置灵敏度和频率灵敏度调查，以确定候选设计在现场的稳健性。此外，还计算并显示了飞机蒙皮电流，以显示飞机（尤其是大型垂直稳定器）与天线辐射之间的相互作用。

与飞机发动机一样，XFdtd 几何建模器用于生成半环和弯曲偶极子天线的几何图形。然后将其导出为 CAD 文件，再导入并定位到 XFdtd 飞机模型上进行计算。

作为基准比较，对 C-130 飞机进行了一些计算。这种飞机只有一个垂直安定面，在获得所需的全向方位角模式方面没有任何困难。与 M-28 一样，我们获得了 C-130 的 CAD 模型，并将其导入 XFdtd。在垂直稳定器上安装了一个半环天线，并使用 XFdtd 计算了方位面天线辐射模式。图 6 显示了天线平面上的电场。

图 7 显示了 C-130 飞机的蒙皮电流。

图 8 显示了方位面辐射模式。请注意，Phi（水平）极化的覆盖范围非常均匀，这对飞行检查操作至关重要。

接下来展示的是 M-28 飞机研究的一些选定结果。第一个配置是位于 M-28 飞机后机身上的一对平衡环形天线。图中显示了飞机蒙皮电流以及该天线配置的方位面辐射模式。由于天线增益的变化，特别是在前进方向，其性能是不可接受的。

还尝试了平衡环形天线的其他几个位置，但没有一个能在整个方位面上提供可接受的辐射模式。我们还尝试了船身中部的位置，但前方的增益仍然显著降低。

接下来，毛巾杆天线被放置在更靠前的位置；这种配置的方位面图案可以充分覆盖前方，但图案中仍存在不可接受的空点。

还尝试了平衡环形天线的其他位置，包括垂直稳定器上的位置，但都没有提供统一的方位面图案。接着，在机身顶部放置了一个弯曲偶极子天线。该天线对前方的覆盖非常好，但对侧面和后方的覆盖较差。

除了方位平面天线模式图之外，XFdtd 还提供了三维模式。这些图提供了各种天线辐射的总体情况。

XFdtd 为这项研究提供了许多结果，这里只显示其中的一部分，但足以说明最终的解决方案。机场技术公司将弯曲偶极子天线和后机身平衡环路天线进行了切换安装。当飞机飞向空中导航系统时使用弯曲偶极子天线，当飞机绕空中导航系统飞行一圈时使用平衡环路天线。Airfield Technology 对机载设备进行了配置，使飞行检查系统计算机能够根据飞行模式类型自动选择正确的天线。

XFdtd 允许在飞机上安装实际天线之前发现并解决天线性能方面的潜在问题，最终为客户节省了大量时间和金钱。