Uso de XFdtd para posicionar antenas en un avión M-28

Este ejemplo ilustra cómo las capacidades de modelado geométrico y cálculo electromagnético del XFdtd pueden aplicarse a las antenas de grandes vehículos.

Airfield Technology se enfrentó al reto de ubicar las antenas del sistema de inspección en vuelo en una aeronave poco habitual. La misión de inspección en vuelo impone requisitos exigentes al rendimiento de la antena del avión que pueden ser difíciles de cumplir incluso con aviones típicos. Airfield Technology estaba suministrando un nuevo sistema de inspección en vuelo a las Fuerzas Aéreas polacas, que expresaron su preferencia por utilizar un avión Mielec M-28. Este avión se muestra en la figura 1. Esta aeronave se muestra en la figura 1. Los estabilizadores verticales dobles del M-28 presentaban una configuración inusual para un avión de inspección en vuelo y se desconocía su efecto sobre el rendimiento de la antena.

Ante este reto, Airfield Technology se puso en contacto con un conocido experto en métodos electromagnéticos numéricos y sus aplicaciones en aviónica y rendimiento de sistemas de antenas, el profesor Kent Chamberlin, de la Universidad de New Hampshire. El profesor Chamberlin recomendó a Airfield Technology Remcom y el software de simulación EM XFdtd y participó como asesor en el estudio.

La aplicación de XFdtd a este proyecto comenzó con la importación de un archivo CAD parcial del M-28 al software, la revisión del archivo CAD para añadir las piezas que faltaban y la adición de diferentes antenas en varias posiciones. A continuación, se utilizó XFdtd para calcular las corrientes superficiales de la aeronave y los diagramas de antena 2D y 3D. Los resultados de XFdtd se utilizaron para determinar la mejor combinación de tipo de antena y ubicación que satisfaría los requisitos de cobertura de la antena.

Importación y edición del modelo de avión M-28 en XFdtd

El análisis del M-28 partió de un archivo CAD proporcionado por el fabricante de la aeronave. El archivo CAD incluía la mayor parte de la geometría de la aeronave. La figura 2 muestra el archivo CAD en la ventana de importación XFdtd. Este modelo CAD concreto del M28 contiene 10.827 objetos en un archivo de unos 150 MB de tamaño. El resultado de la importación se muestra en la figura 3.

Tras importar la geometría del M28 en XFdtd, quedó claro que el archivo CAD suministrado no describía el avión completo. El modelo carecía de escotilla trasera y faltaban los motores y las hélices. Utilizando primitivas geométricas XFdtd y operaciones booleanas, se añadieron a la aeronave los componentes que faltaban.

A partir de los planos de los motores, se crearon modelos CAD de los mismos utilizando el modelador geométrico XFdtd. Primero se creó un único modelo de motor y se guardó como archivo CAD en formato SAT. El modelo SAT del motor pudo importarse de nuevo a XFdtd. La geometría del motor se importó dos veces y se colocó en cada ala. Además, los neumáticos se cambiaron por un dieléctrico no conductor que se aproxima al caucho. El proceso se muestra en las figuras 2-5. Ahora sólo quedaba añadir antenas al modelo y ejecutar las simulaciones XFdtd.

Cálculo del rendimiento de la antena del avión M-28 con XFdtd

Una vez listo el modelo de avión, el análisis del M-28 prosiguió con la colocación de antenas en la aeronave. El estudio incluyó dos tipos de antena diferentes, una antena equilibrada de medio bucle llamada "toallero" y una antena dipolo doblada en forma de V. En la primera figura se pueden ver dos de las antenas de medio bucle en el lateral del avión. Estas antenas se instalan por pares a cada lado del avión y se ponen en fase para proporcionar diagramas de antena simétricos cuando se alimentan juntas. Las antenas dipolo curvadas están situadas en la línea central de la aeronave.

La fase inicial del análisis consistió en colocar estas antenas en distintos lugares del avión y calcular los diagramas de antena 2D y 3D de la zona lejana. A partir de los resultados de estos cálculos, se eligieron los tipos y posiciones de antena candidatos. A continuación, se utilizó el XFdtd para investigar la sensibilidad a la posición y a la frecuencia con el fin de determinar la robustez del diseño propuesto sobre el terreno. También se calcularon y visualizaron las corrientes de superficie de la aeronave para indicar las interacciones de la aeronave, especialmente los grandes estabilizadores verticales, con la radiación de la antena.

Al igual que con los motores de avión, se utilizó el modelador geométrico XFdtd para generar las geometrías de antena de medio bucle y dipolo curvado. A continuación, se exportaron a archivos CAD, se importaron y se colocaron en el modelo de aeronave XFdtd para su cálculo.

Como comparación de referencia, se realizaron algunos cálculos para un avión C-130. Esta aeronave tiene un único estabilizador vertical y no plantea dificultades para obtener el patrón acimutal omnidireccional deseado. Al igual que con el M-28, se obtuvo un modelo CAD de un C-130 y se importó a XFdtd. Se colocó una antena de medio bucle en el estabilizador vertical y se calcularon los diagramas de radiación de la antena en el plano acimutal utilizando XFdtd. La figura 6 muestra el campo eléctrico en el plano de la antena.

La figura 7 muestra las corrientes superficiales en el avión C-130.

La figura 8 muestra el diagrama de radiación en el plano acimutal. Obsérvese la cobertura muy uniforme para la polarización Phi (horizontal), que es de primordial importancia para las operaciones de inspección en vuelo.

A continuación se muestran algunos resultados seleccionados del estudio del avión M-28. La primera configuración es un par de antenas de cuadro equilibradas situadas en el fuselaje trasero del avión M-28. Se muestran las corrientes de superficie del avión y el diagrama de radiación en el plano acimutal de esta configuración de antena. Se muestran las corrientes de superficie del avión, así como el diagrama de radiación en el plano acimutal de esta configuración de antena. El rendimiento no es aceptable debido a las variaciones en la ganancia de la antena, especialmente en la dirección delantera.

Se probaron otras posiciones para las antenas de cuadro equilibrado, pero ninguna ofrecía un diagrama de radiación aceptable en todo el plano acimutal. Se probó una posición en el centro del barco, pero la ganancia se redujo considerablemente en la dirección de avance.

A continuación, las antenas de toallero se situaron más hacia delante; el patrón del plano acimutal para esta configuración proporciona una cobertura adecuada hacia delante, pero quedan nulos inaceptables en el patrón.

Se probaron otras posiciones para ubicar la antena de cuadro equilibrado, incluso en los estabilizadores verticales, pero sin conseguir un diagrama uniforme en el plano acimutal. A continuación se colocó una antena dipolo curvada en la parte superior del fuselaje. Esta antena proporciona una cobertura excelente hacia delante pero deficiente hacia los lados y la parte trasera.

Además de los diagramas de antena en el plano acimutal, XFdtd también proporcionó diagramas en 3D. Éstos proporcionan una visión más general de la radiación de las distintas antenas.

Aquí sólo se muestran algunos de los muchos resultados proporcionados por XFdtd para este estudio, pero suficientes para indicar la solución final. Airfield Technology instaló las antenas dipolo acodado y de bucle equilibrado en el fuselaje trasero en una configuración conmutada. El dipolo acodado se utiliza cuando la aeronave vuela hacia el sistema de navegación aérea, y el bucle equilibrado se utiliza para los patrones de salida y durante los patrones de vuelo orbital, cuando la aeronave vuela en círculo alrededor del sistema de navegación aérea. Airfield Technology configuró el equipo aerotransportado para que el ordenador del Sistema de Inspección en Vuelo seleccione automáticamente la antena correcta para el tipo de patrón que se esté volando.

XFdtd permitió identificar y resolver posibles problemas de rendimiento de la antena antes de instalarla en el avión, lo que supuso un importante ahorro de tiempo y dinero para el cliente.