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微波武器的COMSOL Multiphysics仿真

2009/12/9 | 1280次阅读 | 来源: 发表评论

关键词:COMSOL、CNTECH | 作者: | 收藏这篇资讯

SARA公司的科学家们研制出了一种天线可以直接传输峰值功率高达100兆瓦的微波。美国陆军研究实验室已经资助了这项工作,因为如此高功率的微波(HPM)信号可以制造成有效的武器:他们可以降低电路的功能,直接干扰武器系统、交通系统以及通信系统。尽管峰值功率非常高,但是微波很低的占空比以及很短的曝光时间意味着辐射强度在可接受的极限范围内,不会对人造成伤害。通过COMSOL Multiphysics模拟可以设计和研究有效的HPM棱锥形天线。

 
 
SARA公司高级科学家Robert Koslover博士(左)和陆军研究实验室Benson King
站在微波脉冲天线前。这是在COMSOL Multiphysics的帮助下研制出来的。
 
以HPMs为目标的器件
      SARA公司开发了各种先进的高科技和高市场潜力技术,并且公司将这些新的技术转化为产品和服务,客户涉及商业、制造业以及政府等行业。SARA研究人员知道以HPMs为目标的器件十个很重要的应用领域。因为传统意义上说发射RF能量的同轴电缆能不能用在HPMs,SARA科学家们正在利用COMSOL Multiphysics开发一种新型的棱锥形波导来解决他们的问题。
      SARA公司高级科学家Robert Koslover正在利用COMSOL Multiphysics模拟设计和优化HPM天线的喇叭天线。如果只看一眼,没有注意表面上厚介质窗的话,可能将棱形喇叭筒天线(图1)误认为商业化L波段微波喇叭天线。介质窗是必需的,因为与PHMs相关的强电场会电离空气分子形成电弧。将喇叭天线用介质窗封闭起来,可以允许设计者将喇叭中的空气抽走,或者用其他气体填充减缓电子运动消除堤电弧现象。
 
 
图1 有谐振介质窗的喇叭天线。介质窗能使结构内保持真空或者充入气体,进而减少高电压电弧出现。
 
      这个窗口必须保证微波能量通过时有极少的减弱和失真。Koslover博士解释说他需要找到一个可接受得输出辐射并产生极小的电压驻波比(VSWR)的窗口模型(包括厚度、形状、曲率)。VSWR是反映有多少能量被窗口反射回喇叭天线中以热能的形式消耗掉而没有发射出去到达目标处。他还想弄清楚在窗口外面的中心位置电场强度不会太大,因为电场强度对空气电离很敏感。
 
利用COMSOL Multiphysics验证
      Koslover博士利用COMSOL Multiphysics设计并测试了一系列不同窗口几何形状和非传导材料的棱锥形天线。这种方法的优点是利用仿真不仅节省了时间,还节省了材料以及实验室制造原型机的成本,最重要的是对物理过程有了更深入的了解。他的方法另一个优点是VSWR的计算为提升设计效率提供了客观的依据。
      Koslover博士模拟了每一个窗口HPM通过波导的传播情况。他使用了吸收、完美匹配层(PMC)、完美电导体(PEC)三种边界条件。计算VSWR是每一个频率模拟的后处理工作部分。在校准的过程中,科学家们将VSWR结果与实验室据进行对比,他们也经常使用VSWR来评价新窗口几何形状的有效性。
 
 
图2 在COMSOLMultiphysics波导模型中,喇叭天线和介质窗,从图中可以看出当喇叭天线和介质窗在离共振频率驱动下在长波导中出现驻波。
 
快速、精确的分析
      为什么他选择COMSOL Multiphysics来研制最佳棱锥形天线设计,对于Koslover来说其实很简单:网格化和精确性。使用COMSOL Multiphysics他可以随意的改变网格尺寸,如在重要区域可以插入微小网格,以窗口模拟为例,在远离喇叭的位置参数和条件都相对统一,所以就可以使用比较粗糙的网格。他同样尝试利用FDTD代码求解,但是如果要得到高的精度就必须将窗口附件的细网格扩展到整个模型,这种方法会需要很长的求解时间。然而对他建立的包含89,000个网格以及115,000自由度的COMSOL Multiphysics模型求解,在他个人PC(1.7G P4,1G内存)上的运行时间在可接受得范围。
      至于精度,利用COMSOL Multiphysics模拟得到的VSWR结果与利用FDTD代码计算的实验数据完全一致(图3)。在以上结果完美匹配的基础上,Koslocer博士获得了足够的信心,继续进行他的建模仿真以及和其他设计进行对比。实际上,在进行了大量的仿真之后,Koslocer博士得到了一个特别好的结果,具有很低的VSWR,比例为1.2:1。
 
 
图3  HPM天线的VSWR实验测量结果和模拟结果的对比,结果显示一致性很好。所以研究人员确信他们可以成功模拟其它几何形状窗口。
 
      尽管这个项目还在研发阶段,军队就已经开始部署,SARA同时也看上了商业应用,如执法过程中警察可以利用HPM信号使犯人的交通工具瘫痪。HPM天线(图4)正在添加到SARA研制的排除各种威胁的非致命方法名单中。清单中已经有的如音速灭火水龙头、多感觉手榴弹、涡流发射器等。
 
 
 
 
图4 完整HPM天线包括两个反射表面和喇叭天线的共振窗一样。这个系统可以发射微波脉冲扰乱电路,例如可以瘫痪交通工具和武器。
 
      COMSOL在中国,中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可,目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立,为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务,众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具,应用全球最先进制造技术,最终增强企业的核心竞争力,保证了企业持续发展。
     COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件,主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块;现在已经有的模块有化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统、结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用,包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看中仿科技网站:www.cntech.com.cn
 
关于COMSOL
      COMSOL公司是1986年在瑞典斯德哥尔摩成立,现在已经在多个国家(比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国、美国)成立分公司及办事处。详细信息请登陆www.comsol.com

 

 

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