在現代噴氣式客機表面伸出的大量天線會產生阻力，進而增加燃油消耗。巴西國家電信研究所(Inatel)和巴西航空工業公司(Embraer)的工程師致力于研發能夠節省燃料的、安裝天線的新方法。借助ANSYS仿真技術，工程師無需花費構建原型的時間和成本就能預測推薦的安裝設計的性能。

為支持新的安全、導航和雷達系統以及為乘客提供Wi-Fi和電視直播等服務，商用飛機上的天線數量正在穩步增加。但是，把這些天線布置在飛機外部的傳統位置會增大阻力，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，巴西航空工業公司正在為飛機天線研發新的安裝設計。盡管如此，天線必須在每一個方向上發出相同的輻射量，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(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，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。

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省時間

巴西國家電信研究所和巴西航空工業公司的工程師使用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。

通過迭代獲得精心優化的設計

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。在優化天線設計之后，巴西國家電信研究所和巴西航空工業公司的工程師為優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。