محاسبه RCS باند پهن با استفاده از شبیه‌سازی دامنه زمانی و FFT

View Categories

محاسبه RCS باند پهن با استفاده از شبیه‌سازی دامنه زمانی و FFT

12 min read

PDF

محاسبه RCS باند پهن با استفاده از شبیه‌سازی دامنه زمانی و FFT
معرفی
این مدل نحوه محاسبه سطح مقطع راداری (RCS) یک پراکنده را در یک محدوده فرکانس وسیع با رابط فیزیک امواج الکترومغناطیسی، Time Explicit نشان می دهد. مشکل در فرمول بندی میدان پراکنده حل شده است، جایی که میدان پس زمینه یک پالس گاوسی مدوله شده زمانی است. نتایج شبیه‌سازی‌شده، میدان پراکنده را در حوزه فرکانس و حوزه زمان، و RCS در واحد طول یک دایره را در حوزه فرکانس نشان می‌دهد.
شکل 1: یک دایره PEC توسط یک حوزه خلاء دایره ای محصور شده است. خارجی ترین لایه با یک لایه جاذب برای جذب امواج خروجی از پالس پس زمینه گاوسی مدوله شده و میدان پراکنده از پراکنده دایره ای تکمیل شده است.
تعریف مدل
این مدل با استفاده از فرمول بندی میدان پراکنده حل می شود، که به طور خودکار با افزودن یک دامنه زمینه زمینه فعال می شود. پالس گاوسی داخلی که با یک تابع سینوسی در 200 مگاهرتز مدوله شده است، برای میدان پس زمینه استفاده می شود. بردار موج میدان پس زمینه به سمت جهت x  با قطبش جهت z و امپدانس موج 120 πΩ است. فاصله از مبدأ سیستم مختصات تا صفحه پرتاب موج 1.5 متر تنظیم شده است ( شکل 1 را ببینید ). بنابراین، موج در مرز حوزه خلاء راه اندازی می شود.
دایره فلزی با استفاده از شرایط مرزی کامل رسانای الکتریکی مدل‌سازی شده و قسمت داخلی آن از دامنه مدل حذف می‌شود. این کار به این دلیل انجام می شود که عمق پوست بسیار کمتر از اندازه دایره است. میدان پراکنده دایره بر روی مرزهای پیکربندی شده توسط گره دامنه دور و ویژگی فرعی محاسبه میدان دور آن، با انجام تبدیل میدان نزدیک به میدان دور در حوزه فرکانس پس از تبدیل فوریه سریع (FFT) محاسبه می‌شود. دایره PEC توسط خلاء احاطه شده است. شبیه سازی ها با دو ویژگی جذب متفاوت انجام می شود:
1
یک شرط مرزی پراکندگی (شرایط مرزی جذب مرتبه اول) بر روی مرز خارجی حوزه خلاء اعمال می شود.
2
یک دامنه لایه جاذب در خارج از حوزه خلاء اطراف که به عنوان جاذب میدان پراکنده عمل می کند. لایه جاذب در بیش از یک طول موج دورتر از پراکنده قرار می گیرد. اثر لایه جذب کننده این است که خارجی ترین لایه را برای امواج خروجی بزرگتر نشان می دهد. در بیرونی ترین مرز، امواج به مرز انتشار در جهت عادی می رسند. بنابراین، شرایط مرزی پراکندگی، اضافه شده به بیرونی ترین مرز، به طور موثر امواج خروجی را جذب می کند.
کل شبیه سازی شامل دو مرحله مطالعه و یک مرحله گسترش مطالعه است. مرحله اول یک مطالعه وابسته به زمان برای محاسبه یک راه حل زمانی است. مرحله دوم مطالعه FFT زمان به فرکانس است که در آن یک FFT برای به دست آوردن طیف فرکانسی از راه حل زمانی انجام می شود. آخرین مرحله یک مرحله گسترش مطالعه راه حل های ترکیبی است. این مرحله گسترش مطالعه، بخش های ناخواسته طیف فرکانس را پس از FFT (اول و آخرین 5٪ طیف فرکانس)، با استفاده از عبارت تعریف شده توسط کاربر مانند freq<0.1*fb0 || فرکانس>2*fb0-0.1*fb0 .
نتایج و بحث
در شکل 2 ، RCS با مقیاس دسی بل در واحد طول برای 100 مگاهرتز، 200 مگاهرتز، و 300 مگاهرتز هنگام استفاده از یک لایه جذب یا یک شرط مرزی پراکندگی برای جذب موج خروجی از میدان پس‌زمینه و میدان پراکنده از PEC ترسیم شده است. دایره. تفاوت RCS بین دو مورد کمتر از 0.2 دسی بل در جهت پراکندگی به عقب و حدود 0.5 دسی بل در جهت پراکندگی رو به جلو است.
شکل 2: RCS با مقیاس دسی بل در واحد طول با لایه جاذب (جامد) و شرایط مرزی پراکندگی (برق).
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
در فرمول بندی میدان پراکنده، میدان کل به صورت total  =  rel  +  Eb تعریف می شود که rel فیلد نسبی و Eb فیلد پس زمینه است. میدان نسبی تفاوت بین کل میدان ناشی از حضور پراکنده و میدان پس زمینه است. پس از انجام مطالعه وابسته به زمان و FFT، تنها متغیرهای میدان نسبی و پس پردازش مربوط به تحلیل میدان دور در حوزه فرکانس در دسترس هستند، زیرا FFT فقط متغیرهای وابسته را می گیرد. سایر متغیرهای پس پردازش فقط در حوزه زمان معتبر هستند و از طریق راه حل های ذخیره شده قابل دسترسی هستند.
جدول 1: در دسترس بودن متغیرها برای پس پردازش.
متغیر
شرح
دسترسی
comp1.Ez یا Ez
متغیر وابسته،
میدان نسبی (پراکنده).
دامنه بسامد
این
مجموع فیلد
حوزه زمان
ewte.Ebz
زمینه زمینه
حوزه زمان
ewte.bRCS2D
RCS در واحد طول
دامنه بسامد
مسیر کتابخانه برنامه: RF_Module/Scattering_and_RCS/rcs_time_explicit
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی  Model  Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
در پنجره Model  Wizard روی  2D کلیک کنید .
2
در درخت انتخاب  فیزیک ، فرکانس رادیویی   امواج الکترومغناطیسی،  زمان  صریح  (ewte) را انتخاب کنید .
3
روی افزودن کلیک کنید .
4
 روی مطالعه کلیک کنید .
5
در درخت انتخاب  مطالعه ، مطالعات پیش‌فرض  برای واسط‌های فیزیک انتخاب شده وابسته به زمان با FFT را انتخاب کنید .
6
 روی Done کلیک کنید .
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Global  Definitions روی Parameters  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام
اصطلاح
ارزش
شرح
fb0
200 [MHz]
2E8 هرتز
فرکانس مرکزی گاوسی مدوله شده
lda0
c_const/fb0
1.499 متر
طول موج
k0
2*pi/lda0
4.1917 1/m
عدد موج
T0
1/fb0
5E-9s
دوره مدولاسیون
در اینجا، c_const استفاده شده در طول موج فضای آزاد یک ثابت COMSOL از پیش تعریف شده برای سرعت نور در خلاء است.
هندسه 1
دایره 1 (c1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Circle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات دایره ، بخش اندازه  و  شکل را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Radius ، 2.5 را تایپ کنید .
دایره 2 (c2)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Circle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات دایره ، بخش اندازه  و  شکل را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Radius ، 0.7 را تایپ کنید .
تفاوت 1 (dif1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Booleans  and  Partitions کلیک کنید و Difference را انتخاب کنید .
2
فقط شی c1 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای تفاوت ، بخش تفاوت را پیدا کنید .
4
زیربخش اشیاء را  برای  تفریق پیدا کنید . برای انتخاب دکمه ضامن  فعال کردن  انتخاب کلیک کنید .
5
فقط شی c2 را انتخاب کنید.
6
 روی Build  All  Objects کلیک کنید .
امواج الکترومغناطیسی، زمان صریح (EWTE)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی امواج الکترومغناطیسی ،  Time Explicit (ewte) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای امواج الکترومغناطیسی ،  Time Explicit ، بخش Components را پیدا کنید .
3
از اجزای فیلد  حل شده برای لیست، H را در صفحه موج TE) انتخاب کنید .
زمینه 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و زمینه زمینه  را انتخاب کنید .
2
فقط دامنه 1 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای زمینه پس زمینه  ، بخش تنظیمات را پیدا کنید .
4
از لیست جهت قطبش  ، z را انتخاب کنید .
5
در قسمت متنی 0 ، fb0 را تایپ کنید .
6
در قسمت متنی offset ، 2.5 را تایپ کنید .
شرایط مرزی پراکندگی 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Scattering  Boundary  Condition را انتخاب کنید .
2
فقط مرزهای 1، 2، 5 و 8 را انتخاب کنید.
دامنه میدان دور 1
در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و دامنه Far-Field  Domain را انتخاب کنید .
محاسبه میدان دور 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Far-Field  Domain  1 را گسترش دهید ، سپس روی Far-Field  Calculation  1 کلیک کنید .
2
فقط مرزهای 3، 4، 6 و 7 را انتخاب کنید.
مواد
مواد 1 (mat1)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank  Material را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material  Contents را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
ویژگی
متغیر
ارزش
واحد
گروه اموال
مجوز نسبی
epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0
1
1
پایه ای
نفوذپذیری نسبی
mur_eye ; murii = mur_iso، murij = 0
1
1
پایه ای
رسانایی الکتریکی
sigma_iso ; sigmaii = sigma_iso، sigmaij = 0
0
S/m
پایه ای
مش 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Mesh  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مش ، بخش Sequence  Type را پیدا کنید .
3
از لیست، مش کنترل شده توسط کاربر  را انتخاب کنید .
اندازه
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Mesh  1 روی Size کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت اندازه عنصر  را پیدا کنید .
3
روی دکمه Custom کلیک کنید .
4
قسمت پارامترهای اندازه عنصر  را پیدا کنید . در قسمت متن حداکثر اندازه عنصر ، lda0/5 را تایپ کنید .
این حداکثر اندازه عنصر مش را روی 0.2 طول موج تنظیم می کند.
5
 روی ساخت  همه کلیک کنید .
مطالعه 1
مرحله 1: وابسته به زمان
1
در پنجره Model  Builder ، در بخش مطالعه  1 ، روی Step  1:  Time  Dependent کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مربوط به زمان  وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
3
در قسمت متن زمان خروجی ،  range(0,1/(4*fb0),10*T0) را تایپ کنید . نرخ نمونه برداری 4*fb0 شرط Nyquist را برای تبدیل فوریه سریع زمان به فرکانس (FFT) برآورده می کند که در آن پهنای باند آن 2*fb0 به استثنای فرکانس های منفی است.
مرحله 2: زمان تا فرکانس FFT
1
در پنجره Model  Builder ، روی Step  2:  Time  to  Frequency  FFT کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای زمان  تا  فرکانس  FFT ، بخش تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
3
در قسمت متن زمان پایان  ، 20*T0 را تایپ کنید . این اطمینان حاصل می کند که زمان پایان FFT بیشتر از زمان شبیه سازی است، بنابراین می توان لایه صفر را در طول زمان به فرکانس FFT اعمال کرد. این رزولوشن فرکانس بهتری را در پاسخ فرکانسی حاصل ایجاد می کند.
4
در قسمت متن حداکثر  فرکانس خروجی  ، 2*fb0 را تایپ کنید .
مرحله 3: راه حل ها را ترکیب کنید
1
در پنجره Model  Builder ، روی Step  3:  Combine  Solutions کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ترکیب  راه حل ها ، قسمت ترکیب  تنظیمات راه حل ها  را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Excluded  if ، freq<0.1*fb0 || را تایپ کنید فرکانس>2*fb0-0.1*fb0 . این 5 درصد اول و 5 درصد آخر پاسخ فرکانسی پس از FFT را حذف می کند.
4
در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید .
نتایج
گروه پلات قطبی 1
1
در پنجره تنظیمات برای گروه پلات قطبی  ، بخش داده را پیدا کنید .
2
از لیست انتخاب پارامتر  (فرکانس) ، از لیست را انتخاب کنید .
3
در لیست مقادیر پارامتر (فرکانس (Hz)) ، 1E8 ، 2E8 و 3E8 را انتخاب کنید .
4
برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان  ، دستی را انتخاب کنید .
5
در قسمت متن عنوان ، Bistatic RCS در واحد طول (dB) را تایپ کنید .
الگوی تشعشع 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Polar  Plot  Group  1 را گسترش دهید ، سپس روی Radiation  Pattern  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای الگوی تشعشع  ، برای گسترش بخش Legends کلیک کنید .
3
تیک Show  legends را انتخاب کنید .
4
برای گسترش بخش Coloring  and  Style کلیک کنید . از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید .
5
در نوار ابزار Polar Plot Group 1 ، روی  Plot کلیک کنید .
RCS در واحد طول دایره رسم می شود.
گروه دو بعدی پلات 2
1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add  Plot  Group کلیک کنید و 2D  Plot  Group را انتخاب کنید .
2
در پنجره Settings for 2D  Plot  Group ، بخش Data را پیدا کنید .
3
از لیست مقدار پارامتر  (فرکانس (Hz)) ، 2E8 را انتخاب کنید .
4
برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان  ، دستی را انتخاب کنید .
5
در قسمت متن عنوان ، فیلد Scattered را در 200 مگاهرتز تایپ کنید .
سطح 1
1
روی 2D  Plot  Group  کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید .
3
در قسمت Expression text، Ez را تایپ کنید . این متغیر وابسته مولفه z میدان پراکنده است.
4
در نوار ابزار 2D Plot Group 2 ، روی  Plot کلیک کنید .
گروه طرح دو بعدی 3
1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add  Plot  Group کلیک کنید و 2D  Plot  Group را انتخاب کنید .
2
در پنجره Settings for 2D  Plot  Group ، بخش Data را پیدا کنید .
3
از لیست Dataset ، Study  1/Solution  Store   (sol2) را انتخاب کنید .
4
از لیست زمان  (ها) ، 1E-8 را انتخاب کنید .
5
قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان  ، دستی را انتخاب کنید .
6
در قسمت متن عنوان ، فیلد Scattered را با 10ns تایپ کنید .
سطح 1
1
روی 2D  Plot  Group  کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Expression ، ewte.Ez-ewte.Ebz را تایپ کنید . این تفاوت در مولفه های z بین کل فیلد و زمینه پس زمینه است.
4
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید .  روی تغییر  جدول رنگ  کلیک کنید .
5
در کادر محاوره ای Color  Table ، Thermal>HeatCameraLight را در درخت انتخاب کنید.
6
روی OK کلیک کنید .
7
در نوار ابزار 2D Plot Group 3 ، روی  Plot کلیک کنید .
هندسه 1
دایره 1 (c1)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Geometry  1 روی Circle   (c1) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات دایره ، بخش اندازه  و  شکل را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Radius ، 3.5 را تایپ کنید .
4
برای گسترش بخش لایه ها کلیک کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام لایه
ضخامت (متر)
لایه 1
1
5
 روی Build  All  Objects کلیک کنید .
6
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
تعاریف
لایه جذبی 1 (ab1)
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Absorbing  Layer کلیک کنید .
2
فقط دامنه های 1-4 را انتخاب کنید.
3
در پنجره Settings for Absorbing  Layer ، قسمت Geometry را پیدا کنید .
4
از لیست نوع ، استوانه ای را انتخاب کنید .
امواج الکترومغناطیسی، زمان صریح (EWTE)
زمینه 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Electromagnetic  Waves،  Time  Explicit  (ewte) روی Background  Field  1 کلیک کنید .
2
فقط دامنه 5 را انتخاب کنید.
مش 1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Mesh  1 کلیک راست کرده و Build  All را انتخاب کنید .
اضافه کردن مطالعه
1
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Study کلیک کنید تا پنجره Add  Study باز شود .
2
به پنجره Add  Study بروید .
3
زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت انتخاب  مطالعه ، مطالعات پیش‌فرض  برای واسط‌های فیزیک انتخاب شده وابسته به زمان با FFT را انتخاب کنید .
4
کلیک راست کرده و Add  Study را انتخاب کنید .
5
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Study کلیک کنید تا پنجره Add  Study بسته شود .
مطالعه 2
مرحله 1: وابسته به زمان
1
در پنجره تنظیمات مربوط به زمان  وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
2
در قسمت متن زمان خروجی ،  range(0,1/(4*fb0),10*T0) را تایپ کنید .
مرحله 2: زمان تا فرکانس FFT
1
در پنجره Model  Builder ، روی Step  2:  Time  to  Frequency  FFT کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای زمان  تا  فرکانس  FFT ، بخش تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
3
در قسمت متن زمان پایان  ، 20*T0 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن حداکثر  فرکانس خروجی  ، 2*fb0 را تایپ کنید .
مرحله 3: راه حل ها را ترکیب کنید
1
در پنجره Model  Builder ، روی Step  3:  Combine  Solutions کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ترکیب  راه حل ها ، قسمت ترکیب  تنظیمات راه حل ها  را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Excluded  if ، freq<0.1*fb0 || را تایپ کنید فرکانس>2*fb0-0.1*fb0 .
4
در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید .
نتایج
الگوی تشعشع 2
1
در پنجره Model  Builder ، در Results>Polar  Plot  Group  1 روی Radiation  Pattern  1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای الگوی تشعشع  ، بخش داده را پیدا کنید .
3
از فهرست مجموعه داده ، مطالعه  2/راه حل   (sol4) را انتخاب کنید .
4
از لیست انتخاب پارامتر  (فرکانس) ، از لیست را انتخاب کنید .
5
در لیست مقادیر پارامتر (فرکانس (Hz)) ، 1E8 ، 2E8 و 3E8 را انتخاب کنید .
الگوی تشعشع 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Radiation  Pattern  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای الگوی تشعشع  ، بخش Legends را پیدا کنید .
3
از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید .
4
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
افسانه ها
100 مگاهرتز پراکندگی قبل از میلاد
200 مگاهرتز پراکندگی قبل از میلاد
300 مگاهرتز پراکندگی قبل از میلاد
الگوی تشعشع 2
1
در پنجره Model  Builder ، روی Radiation  Pattern  2 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای الگوی تشعشع  ، بخش Legends را پیدا کنید .
3
از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید .
4
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
افسانه ها
لایه جذب 100 مگاهرتز
لایه جذب 200 مگاهرتز
لایه جذبی 300 مگاهرتز
5
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید . زیربخش Line  style را پیدا کنید . از لیست Line ، Dashed را انتخاب کنید .
RCS در واحد طول هنگام استفاده از شرایط مرزی پراکندگی و لایه جذب در شکل 2 نشان داده شده است .