為支持新的安全、導航和雷達系統(tǒng)以及為乘客提供Wi-Fi和電視直播等服務，商用飛機上的天線數量正在穩(wěn)步增加。但是，把這些天線布置在飛機外部的傳統(tǒng)位置會增大阻力，進而增加燃油消耗，這就與目前飛機需要不斷提高能效的目標背道而馳。為應對這一挑戰(zhàn)，巴西航空工業(yè)公司正在為飛機天線研發(fā)新的安裝設計。盡管如此，天線必須在每一個方向上發(fā)出相同的輻射量，因此必須評估多種設計方案。如果必須為每一個推薦的天線設計和安裝位置構建和測試物理原型，這樣做不僅極為耗時而且成本高昂。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計的性能。HFSS仿真結果與物理測試結果良好匹配，因此大幅節(jié)省了評估設計替代方案所需的時間。最終為未來的巴西航空工業(yè)公司飛機實現顯著的燃油效率。

　　使用實際天線安裝開展驗證

　　最新一代商業(yè)客機擁有多達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)、測距設備(DME)等其他應用。在過去飛機外部結構主要使用鋁材制作而成，由于鋁會嚴重阻礙電磁輻射，因此天線必須從機身表面伸出。現在許多飛機使用纖維增強復合材料，不僅給天線布局帶來新的電磁挑戰(zhàn)，而且難以在飛機機身上設計天線。通過避免使用支撐天線用的外伸結構件，這種方法不僅能減少阻力，還有望大幅減輕重量。

　　輕型噴氣式飛機與飛機背鰭的ANSYS HFSS數值模型

　　為仿真這款推薦的安裝設計，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合材料的電磁屬性。他們構建了一個覆蓋現有天線的復合材料背鰭的物理原型。他們在消聲室中激勵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，從而能準確測量天線輻射。

　　工程師測量了天線的介電常數、損耗正切和輻射圖，然后他們使用這些測量值在HFSS中定義復合材料的屬性。他們從計算機輔助設計(CAD)模型中導入結構件和天線的幾何模型。HFSS網格劃分算法可生成自適應加密網格，其根據局部電磁場行為的需求迭代增加網格單元。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。接著定義能量進出模型時經過的端口。正弦波信號可用于激勵天線。

　　混合求解器技術可節(jié)省時間

　　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身以及天線的積分方程模型相結合。為背鰭選擇有限元模型的原因是：該結構的介電屬性相當關鍵，而有限元方法能夠準確地對其進行定義。飛機的其余部分則使用HFSS的積分方程或矩量法，因為其計算效率高。模型的外部邊界則應用了完全匹配層(PML)邊界條件，以減少計算域中的空氣。PML是假設的各向異性復合材料，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仿真結果顯示了機身內部設計的天線所產生的輻射幅度場

　　ANSYS HFSS計算結構件內部的完整電磁場模式，并且并行計算用于3-D場求解的所有模態(tài)和端口。仿真結果與物理測試良好匹配，驗證了測量得到的材料屬性和HFSS仿真模型。工程師發(fā)現不同的纖維增強復合材料的性能與頻率有關。例如，在100KHz下使用大量碳纖維增強材料能夠不劣化輻射圖，但在10GHz下即使微量的碳纖維也會產生嚴峻的設計難題。

　　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)化的設計

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

　　在仿真的指導下，工程師研發(fā)出的天線安裝設計能夠提供極為貼近理想全向模式的輻射圖，幾乎達到了無罩天線的性能。在優(yōu)化天線設計之后，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)化后的設計構建了原型。新原型的物理測量與仿真結果良好匹配。這些新的天線安裝設計有望大幅降低新一代飛機的燃油消耗。