XGTD 各種應用


設施,車輛,各種航空器或船艦的體積相對於天線和信號波長可能大數十倍以上,這一類的物體在分析中通稱為電大尺寸平台,由於體型龐大,用有限元(FEM)等方法做模擬會需要非常大量的硬體資源以及極長的時間,因而無法在合理的時間以及資源成本範圍內得到結果,更遑論透過模擬去做設計修正,所以我們需要一個更有效率的數學物理方法和工具來克服這個問題。
  • 長約50米翼展約40米的波音757客機,是典型的電大尺寸平台,在信號頻率較高的時候,有限元等方法進行全機模擬會非常困難。

運用射線跟蹤算法的XGTD可以高效的克服飛行器,船艦,汽車等電大尺寸平台在進行高頻電磁模擬時由于網格等因素需要巨大的計算資源和時間的問題 ,再加上支持 GPU 加速計算 XGTD 可以在合理經濟的計算資源和時間範圍內獲得模擬結果。

功能上XGTD經常用于評估電大尺寸平台之于天線輻射場型的影響, 預測在電大尺寸平台上的天線耦合現象,計算雷達截面積 (RCS) 也可以將模擬場景建立成接近實際作量測或實驗的電波暗室以得到更逼真的結果 ,或是用來設計和改善電波暗室 。
實務上,XGTD的用戶可以先從在軟體中建立或導入飛機等動力機械的CAD模型開始,幾何模型建立後設置材料並作有必要的調整。 XGTD可以處理形狀複雜使用大量的表面建立的模型,不會硬性的限制幾何模型表面(surface)的數量,用戶有很大的自由度來決定模型的精細度。
  • 導入包括太陽能板在內的人造衛星CAD模型

導入或建立模型之後,用戶可以對構成模型表面的材料做必要調整,設置信號波形,决定頻率,相位差等參數,接著建立或導入要使用的天線,厘清場景中要如何配置信號源以及觀測物理量,將信號源和觀測點以TX/RX的形態搭
配波形和天線設置在場景中以完成場景設計。 
場景設計完成之後,用戶可以進一步考慮場景的特性和對輸出的需求,在Study area頁面設置要使用的傳播模型,反射次數等尋徑條件,以及需要得到的模擬輸出,也可以進一步的設置遠場輸出以獲得 RCS和三維的增益場型圖。

實務應用 :
  • 各種大型動力機械,船舶,航空器的共址分析

從十米內的小艇到數百米長的大型貨輪,各種不同功能的船艦是典型的電大尺寸平台,船舶經常會搭載多種不同用途的雷達以及許多通訊天線,因此會需要就天線配置,耦合,陰影效應等問題做分析,用常見的有限元等方法作電磁分析分析需要巨大的硬件資源與極長的計算時間,同時還需要大幅簡化模型,對精確度有消極影響。
XGTD採用射線跟踪,UTD,PO等數學物理法,可以在合理的硬件資源和時間範圍內對形狀複雜且體型龐大的物體進行模擬分析並得到精確的結果。
  • 波音客機機身通訊模塊的共址分析,透過視覺化傳播路徑來了解耦合現象。
 
  • 航空器的陰影效應分析

各種載具由於體積龐大産生陰影效應(shadowing effect),影響設置于在上面的天 線,使性能和理想情况有差异,XGTD能結合陰影效應以及多徑效應的影響,精確求出天線實際輻射場型,並運用于Wireless Insite等下一階段的模擬分析,上圖的航空器(全球之鷹無人機)以及宇航器(人造衛星)都是很好的應用案例,用戶可以透過XGTD迅速的求得受到平台本身的體型影響的實際輻射場型,而運用FEM等方法進行這種全機模擬經常會由於消耗的硬體資源過大而導致不可行。
 
  • 雷達截面(RCS)計算
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航空器,船艦,車輛體型通常較大,用傳統方法計算 RCS會由于硬件資源等因素效益不佳 XGTD結合PO和MEC兩種方法,可以在兼顧效能及精確度的前提下計算單站(monostatic)或雙站 (bistatic)的雷達散射截面 (RCS),例圖爲地獄火飛彈的幾何模型以及RCS。
 
  • 虛擬電波暗室(anechoic chamber)


許多實際的正式量測會在電波暗室進行,考慮到待測物的大小和信號特性以及其他要求,可能會需要很大的場地,這些場地不但昂貴而且安排一次實驗測試都需要高額的費用和大量的時間,也不無可能由於待測物體型龐大,沒有可用的電波暗室進行量測的情況,XGTD 可以建立逼真的虛擬電波暗室,連同暗室中的各種設施一起納入考量,並將待測物置于其中進行模擬,用戶可以在和現實世界極爲接近的虛擬環境先進行量測和實驗,得到滿意結果後,再做實測,可以大幅節省時間金錢,暗室場景可以重複使用于不同實驗對象,也可以用來設計或校準暗室環境,上圖爲一架在電波暗室場景中進行模擬的運輸機。


各種案例:
1.  在虛擬電波暗室中進行RCS與共址分析等模擬的F-15鷹式戰鬥機模型。


2. 透過模擬分析基站塔的耦合現象, 並將傳播路徑視覺化。


3. 運用 XGTD模擬 求出人造衛星的雷達截面積 (RCS)。


4. 運用 XGTD模擬 太空梭周圍的信號接收狀况,分析艙外作業通信品質。


工具鏈整合模擬

XGTD 除獨立運作之外,也可以和其他軟體組合使用,形成更完整,功能更强的工具鏈, 比方說從 XFdtd導入用戶設計好的天線,配置在載具上後求得受承載平台影響的場型,也可以進一步將這個承載平台以及天線模型運用在 Wireless Insite 等軟體做進一步的分析模擬。

1. 與XFdtd的整合

Step 1 : 使用XFdtd設計用于人造衛星的螺旋天線,並導出天線輻射場型。


Step 2 : 將XFdtd設計的螺旋天線導入XGTD,配置在人造衛星上進行模擬,求得受到載具影響的實際天線場型。

2. 與 Wireless Insite 的整合

Step 1 : 運用XGTD模擬,求得受到載具(全球之鷹無人機)影響的天線輻射場型。


Step 2 : 將無人機模型以及天線模型導入Wireless Insite,透過模擬瞭解其于實際場景的工作特性。

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