Systemy lotnicze i obronne opierają się na zaawansowanych technologiach, które wymagają dokładnego projektowania i weryfikacji w zmiennych warunkach operacyjnych. Jednym z wiodących narzędzi wspierających te procesy jest Altair FEKO — zaawansowane środowisko do symulacji zjawisk elektromagnetycznych wysokiej częstotliwości. FEKO pozwala na kompleksową analizę: od modelowania komponentów i systemów antenowych po propagację fal EM w środowiskach rzeczywistych.
Projektowanie anten
FEKO zawiera narzędzia do analizy i optymalizacji anten – zarówno ich pojedynczych elementów, jak i złożonych struktur wieloantenowych. Umożliwia projektowanie i analizowanie różnych typów anten, takich jak anteny do systemów komunikacyjnych, anteny reflektorowe, czy anteny z osłonami (radomy).
Niewątpliwym atutem oprogramowania FEKO jest możliwość hybrydowego łączenia różnych metod numerycznych (solverów). Przykładowo, w analizie anteny umieszczonej na dużej platformie, takiej jak statek czy samolot, możliwe jest zastosowanie podejścia łączącego metody pełnofalowe (np. metody momentów, MoM) do dokładnej symulacji anteny z metodami asymptotycznymi (np. metodą optyczną, PO) do modelowania dużych struktur. Wykorzystanie szybszych metod przybliżonych dla dużych elektrycznie elementów pozwala zachować wysoką dokładność w kluczowych obszarach, jednocześnie znacząco obniżając wymagania obliczeniowe i skracając czas symulacji.
Antenna Coupling
Projektowanie systemów antenowych na platformach mobilnych, takich jak samoloty wojskowe, okręty czy pojazdy naziemne, wiąże się z koniecznością minimalizacji interferencji między antenami oraz optymalizacji ich rozmieszczenia w ograniczonej przestrzeni.
FEKO umożliwia analizę wzajemnych sprzężeń EM oraz ich wpływu na parametry transmisyjne i modelowanie układów wieloantenowych. W takich analizach szczególne znaczenie ma uwzględnienie:
- wpływu konstrukcji platformy na charakterystyki promieniowania anten,
- sprzężeń elektromagnetycznych pomiędzy antenami,
- optymalnego rozmieszczenia anten dla zapewnienia wymaganych parametrów propagacji i minimalizacji zakłóceń.
Wzorce promieniowania upraszczają analizy i zmniejszają koszty obliczeniowe przy złożonych konfiguracjach.
W przytoczonym przykładzie zastosowano uproszczony sposób modelowania sprzężeń pomiędzy antenami, reprezentowanych za pomocą wzorców promieniowania w strefie dalekiej, bez konieczności tworzenia szczegółowych modeli geometrycznych. W tym scenariuszu zarówno anteny odbiorcze, jak i antena nadawcza, mają przypisany ten sam wzorzec promieniowania, różniąc się jedynie lokalizacją względem platformy. Takie podejście pozwala na szybkie oszacowanie poziomu sprzężeń.
Obliczenia RCS i analiza wykrywalności obiektów
Analiza rozpraszania fal elektromagnetycznych i obliczenia skutecznej powierzchni odbicia (RCS- Radar Cross Section) stanowią fundament oceny wykrywalności obiektów przez radary. W zastosowaniach obronnych i lotniczych, szczególnie w projektowaniu platform trudno wykrywalnych (stealth), kluczowe znaczenie ma minimalizacja przekroju radarowego w różnych scenariuszach ekspozycji fal elektromagnetycznych. W przypadku analiz RCS samolotów przy częstotliwościach radarowych (1GHz i powyżej) stosuje się zazwyczaj metody asymptotyczne (np. Physical Optics), ponieważ główne struktury obiektu są dużo większe niż długość fali.
Integracja FEKO z oprogramowaniem WRAP pozwala na rozszerzenie analizy o realistyczne scenariusze. Dzięki połączeniu danych RCS z informacjami o topografii terenu, propagacji fali i charakterystykach radarów naziemnych, możliwe jest modelowanie widoczności celu i określanie stref pokrycia radarowego w zależności od wysokości, położenia i charakterystyki obiektu. Wspiera to opracowanie skutecznych strategii zmniejszania sygnatury radarowej oraz wykrywanie obiektów na różnych wysokościach w zależności od ich przekroju radarowego. Możliwe jest także generowanie wykresów przedstawiających minimalne wartości RCS wymagane do wykrycia celu na określonej wysokości. Taka analiza umożliwia zarówno projektowanie obiektów trudno wykrywalnych jak i planowanie rozmieszczenia radarów.
Przykład ilustruje zasięg radaru w zależności od wysokości celu oraz detekcji celu w zależności od RCS. Tabela przedstawia minimalny współczynnik RCS, który może zostać wykryty przez radar przy wysokości celu 300 m. Grafika obrazuje, jak zmienia się zdolność wykrywania celu w zależności od odległości od radaru.
Optymalizacja pokrycia radarowego i propagacja fal w złożonym terenie
Analiza propagacji fal radiowych w odniesieniu do systemów radarowych oraz komunikacyjnych stanowi fundament efektywnego projektowania i planowania sieci radarów, zwłaszcza w zmiennych warunkach terenowych.
W procesie planowania sieci komunikacyjnych i radarowych wykorzystuje się szeroką gamę modeli propagacyjnych – empirycznych, półempirycznych i deterministycznych. Modele te uwzględniają czynniki atmosferyczne oraz różnorodne warunki terenu, takie jak obszary wiejskie, miejskie czy wewnętrzne. WRAP uwzględnia wpływ ukształtowania terenu na jakość sygnału, co umożliwia optymalizację rozmieszczenia sensorów i sieci radarowych oraz minimalizację martwych stref.
Zarówno wojskowe, jak i cywilne systemy radiowe obejmują szeroki wachlarz interfejsów, obejmujących pasma częstotliwości od fal krótkich (HF – High Frequency) po 5G, a także łącz radarowych i mikrofalowych. WRAP pozwala również na analizę interferencji pomiędzy radarami, co wspiera optymalizację rozmieszczenia radarów i minimalizację zakłóceń i wzajemnych.
Powyższa grafika przedstawia trzy scenariusze pokrycia radiowego w różnych warunkach:
- pokrycie terenu przez radiostacje sieci bojowej – rozmieszczenie stacji radiowych w terenie, pokazując zasięg sieci łączności wojskowej, z uwzględnieniem przeszkód terenowych,
- zasięg stacji kontroli naziemnej dla statku powietrznego – zasięg łączności radiowej pomiędzy stacją naziemną a statkiem powietrznym,
- przybrzeżne radiostacje – propagacja fal radiowych, uwzględniając wpływ terenu i morza na zasięg stacji przybrzeżnych.
Zarządzanie widmem elektromagnetycznym
Środowisko WRAP umożliwia centralne zarządzanie alokacją częstotliwości, przydziałem i przypisem pasm, zapewniając odpowiednią dystrybucję zasobów częstotliwościowych w ramach regionów, służb i różnych systemów (cywilnych oraz wojskowych).
Dzięki temu możliwa jest optymalizacja wykorzystania dostępnych pasm, eliminacja interferencji między różnymi systemami oraz niezawodna komunikacja nawet w środowiskach o wysokim poziomie zakłóceń. WRAP wspiera zarówno długoterminowe planowanie wykorzystania częstotliwości w obrębie całego regionu, jak i szybkie dostosowanie pasm w krótkim czasie.
Widoczna powyżej grafika przedstawia zintegrowane podejście do planowania częstotliwości, rozmieszczenia sprzętu i koordynacji komunikacji w środowisku militarnym. Po lewej stronie znajduje się tabela przydziałów częstotliwości dla systemu GSM, zawierająca dane dotyczące nadajników (Tx) i odbiorników (Rx). Centralna część to mapa terenu z rozmieszczonymi jednostkami, takimi jak pojazdy i oznaczone urządzenia przenośne. Po prawej widoczny jest panel zarządzania grupami, prezentujący strukturę sieci batalionu, w tym przypisanie pojazdów i urządzeń.
Virtual Drive & Flight Testes
Integracja środowisk FEKO i WinProp umożliwia przeprowadzenie wirtualnych testów lotniczych i naziemnych w celu oceny jakości łączności oraz działania systemów ADAS (Advanced Driver Assistance Systems). Pozwala to na testowanie systemów w realistycznych warunkach, jeszcze zanim zostaną wdrożone w rzeczywistych pojazdach lub samolotach, co znacząco redukuje koszty i czas opracowania.
Główne funkcje, jakie oferuje WinProp w zakresie wirtualnych testów:
- Virtual Flight Tests for Flying Receiver: umożliwia szczegółową analizę wydajności anten zamontowanych na platformach powietrznych. Celem tych testów jest ocena skuteczności anteny w różnych warunkach wykonywania lotu. Testy przeprowadzone w WinProp pozwalają na modelowanie rzeczywistych warunków topograficznych, takich jak zmieniające się ukształtowanie terenu oraz obecność przeszkód. Możliwe jest również precyzyjne określenie w trzech wymiarach trajektorii lotu platformy powietrznej.
- Virtual Flight Tests for Flying Transmitter: antena używana do transmisji wykorzystuje wzorzec promieniowania 3D zaimportowany z FEKO. Trajektorię lotu nadajnika można tworzyć na mapie za pomocą interfejsu graficznego, co umożliwia jej łatwe edytowanie i modyfikowanie w czasie rzeczywistym. Może ona również zostać zaimportowana z pliku ASCII. Podczas symulacji trajektorii, WinProp pozwala na obliczenie mocy sygnału odbieranego na ziemi w różnych punktach trajektorii nadajnika. Pozwala to uzyskać informacje dotyczące zmian poziomu mocy w różnych punktach, umożliwiając identyfikację obszarów o słabej jakości sygnału.
- Virtual Flight Tests in Urban Scenarios: uwzględnia wpływ wysokich budynków, różnorodnych struktur urbanistycznych oraz zmiennych warunków propagacji występujących pomiędzy dronem a stacją bazową. Dzięki wykorzystaniu trójwymiarowych danych topograficznych, umożliwia dokładną symulację warunków propagacji sygnałów w środowiskach miejskich. W trakcie testów ważnym elementem jest zapewnienie odpowiedniego pokrycia zasięgiem stacji bazowych, które powinny zapewniać łączność nie tylko dla tradycyjnych użytkowników, ale także dla dronów latających zarówno na niskich jak i wyższych wysokościach.
- Virtual-Drive Tests for Vehicles: umożliwia ocenę działania anten zainstalowanych na pojazdach w realistycznych scenariuszach terenowych i miejskich. W trakcie symulacji analizowana jest wydajność anteny na pojeździe, uwzględniając jej charakterystyki kierunkowe w pełnym zakresie 3D oraz interakcje z otoczeniem. Śledzenie promieni (Ray tracing) pozwala uchwycić główne zjawiska fizyczne wpływające na propagację sygnału: odbicia, dyfrakcje, rozpraszanie, cieniowanie (shadowing). W wyniku symulacji generowane są dane dotyczące kanału radiowego w funkcji czasu, częstotliwości oraz przestrzeni, takie jak: natężenie pola, opóźnienie propagacji, kąty, efekt Dopplera.
Radomy
Radomy, czyli osłony antenowe, odgrywają ważną rolę w ochronie anten przed czynnikami zewnętrznymi, takimi jak warunki atmosferyczne lub aerodynamiczne, jednocześnie minimalizując wpływ na propagację fal elektromagnetycznych. Stosowane są powszechnie w aplikacjach lotniczych, morskich i lądowych. FEKO daje możliwość szybkiej i dokładnej analizy radomów, również w przypadku bardzo dużych struktur.
NewFASANT oferuje zaawansowane narzędzia do szybkiego i precyzyjnego modelowania złożonych obudów/kopuł, w tym konstrukcji zawierających powierzchnie FSS (Frequency Selective Surfaces).
FSS to dwuwymiarowe struktury zbudowane z identycznych elementów rezonansowych, które oddziałują z falami elektromagnetycznymi tylko w określonych pasmach częstotliwości. Działają jak filtry optyczne, które przepuszczają lub odbijają fale w zależności od ich częstotliwości dzięki regularnemu wzorowi na powierzchni. Takie powierzchnie pozwalają projektantom dostosować zachowanie częstotliwości systemu promieniującego, anteny i osłony radaru, jednocześnie zmniejszając RCS osłony.
NewFASANT oferuje:
- automatyczne mapowanie FSS na każdej warstwę osłon, co znacząco skraca czas przygotowania modelu nawet z kilku dni do mniej niż godziny,
- optymalizację osłony radaru z wykorzystaniem MoM/MLFMM (Metoda Momentów/Multilevel Fast Multipole Method),
- integrację metody iteracyjnej CBFM (Characteristic Basis Function Method), która umożliwia znaczące zmniejszenie liczby niewiadomych w dużych modelach. Dzięki temu możliwe jest efektywne rozwiązywanie problemów odużej skali z wysoką dokładnością.
Symulacja stref zagrożeń radiacyjnych
Analizy typu RADHAZ (zagrożenie promieniowaniem) służą identyfikacji obszarów, w których natężenie pola elektromagnetycznego przekracza dopuszczalne normy bezpieczeństwa – zarówno dla ludzi, jak i sprzętu wrażliwego na promieniowanie RF. FEKO umożliwia precyzyjną symulację pól elektromagnetycznych emitowanych przez anteny wysokiej mocy (np. radary, systemy łączności HF/VHF/UHF).
Wykorzystanie FEKO pozwala na:
- przeprowadzenie symulacji rozkładu pola elektromagnetycznego wokół anteny,
- uwzględnienie wpływu elementów otoczenia takich jak zróżnicowane struktury,
- wizualizację obszarów, w których intensywność pola elektromagnetycznego przekracza bezpieczne limity określone przez normy krajowe/międzynarodowe (np. IEEE, ICNIRP).
Analiza zagrożeń radiacyjnych w przypadku środowisk bardziej złożonych, takich jak obszary miejskie czy tereny górzyste, może zostać przeprowadzona z wykorzystaniem narzędzia WinProp. Umożliwia ono realistyczne odwzorowanie propagacji fal radiowych z uwzględnieniem ukształtowania terenu i zabudowy, pozwalając na precyzyjne oszacowanie poziomów ekspozycji elektromagnetycznej w obszarach zaludnionych.
Możliwa jest również analiza współczynnika SAR (Współczynnik Absorpcji Swoistej/ Specific Absorption Rate) – miary tempa absorpcji energii elektromagnetycznej i jej przekształcenia na ciepło w tkankach ludzkiego organizmu. Jest to główny parametr w ocenie wpływu pole elektromagnetycznego na zdrowie, zwłaszcza w kontekście urządzeń przenośnych.
FEKO zawiera bibliotekę różnych typów anten, które mogą być używane jako anteny nadawcze w scenariuszach SAR. Modele anten są w pełni parametryczne, co pozwala na ich łatwą modyfikację i dostosowanie do konkretnych potrzeb.
Symulacje SAR muszą spełniać obowiązujące standardy i realistycznie odwzorowywać warunki testowe. W przypadku urządzeń używanych przy głowie, standardy takie jak IEC 62209-1 wymagają użycia specjalnego fantomu głowy. W powyższym przypadku jest to model IEEE SAM.
Kompleksowe analizy elektromagnetyczne
W połączeniu z modułami WinProp, WRAP i newFASANT oprogramowanie Altair FEKO stanowi wszechstronny zestaw narzędzi umożliwiających kompleksową symulację i analizę systemów elektromagnetycznych w lotnictwie i obronności. Rozwiązania Altair wspierają procesy projektowe, testowe i optymalizacyjne dzięki zaawansowanym możliwościom modelowania anten, analizy sygnatur radarowych, propagacji fal w trudnym terenie oraz zarządzania widmem częstotliwości. Przyczynia się to do zwiększenia niezawodności i skuteczności systemów w wymagających środowiskach operacyjnych. Stosowanie nowoczesnych metod symulacji pozwala nie tylko na obniżenie kosztów rozwoju i testowania, ale także na znaczące przyspieszenie wdrożeń innowacyjnych technologii w dziedzinie bezpieczeństwa i obronności.
