CT-Daten-basierte EM-Simulation der Eigenschaften von Radarantennen

Elektromagnetische Felder (EM-Felder) werden am Übergang zwischen verschiedenen Materialien durch deren Leitfähigkeit, Permeabilität und Permittivität beeinflusst. Gerade in der direkten Umgebung stromführender Schichten ist eine detaillierte Kenntnis der Geometrie und der physikalischen Eigenschaften notwendig, um das resultierende elektromagnetische Feld zu berechnen. Hier bietet ein CT-Scan eine effektive Methode, um ein detailgetreues Modell einer realen Antenne zu erhalten, das automatisiert mit Hilfe moderner numerischer Berechnungsmethoden weiterverarbeitet werden kann.

In einem Bericht beschreibt Airbus Helicopters eine CT-Daten-basierte Simulationsstudie einer 4,3-GHz-Radar-Altimeter-Antenne. Der Fokus lag insbesondere auf den Schichtdicken und Fertigungstoleranzen.

Als Grundlage für die Studie dienten Messdaten einer realen Antenne, die mit simulierten Daten verglichen wurden. Das Simulationsmodell wurde dabei nicht durch CAD-Daten erzeugt, sondern durch einen CT-Scan der realen Antenne mit der Lösung von Volume Graphics. Mit dieser Methodik können auch schwer zu modellierende Details (wie z. B. Lackschichten, Fertigungstoleranzen, etc.) mittels Reverse Engineering realitätsnah nachgebildet werden.

Airbus Helicopters ging es darum, die Installation der Antennen zu optimieren, und nicht deren Herstellung. Das Modell, auf dem die Simulation basierte, wurde aus einem CT-Scan der Antenne mit Volume Graphics Software für industrielle Computertomographie (CT) erstellt.

"Unser Ziel war es, zu überprüfen, ob die simulierten Eigenschaften mit den realen übereinstimmen, um eine realitätsnahe Simulation der Antenneninstallation zu erreichen", sagte Hervé Dutruc, Senior Expert, Radio Antennas, und Antennas Squad Leader bei Airbus Helicopters.

Airbus Helicopters stellte fest, dass die Antenneneigenschaften, die in den Simulationen anhand der durch Reverse Engineering erstellten Antennenmodelle ermittelt wurden, mit den an realen Antennen gemessenen Werten vergleichbar sind. Die Ergebnisse offenbaren das Potenzial, das die CT für die Qualitätskontrolle von Hochfrequenzgeräten birgt. 

In einem ersten Schritt scannte die CT-Abteilung von Airbus eine Radar-Altimeter-Antenne mit CT, um die inneren Geometrien der Antenne zu erhalten. Anschließend wurde eine Bauteilsegmentierung mit der Volume Graphics Software VGSTUDIO MAX durchgeführt. Auf der Grundlage der segmentierten Oberflächen wurde dann jede Komponente mit dem Reverse-Engineering-Modul von VGSTUDIO MAX umgewandelt.

Anschließend wurden alle Komponenten (im STEP-Format) zur Verwendung in einer Spezialsoftware zur Simulation der Antennencharakteristika exportiert. Mit der Simulationssoftware wurde dann die Entkopplung zwischen zwei Antennen simuliert, und die Simulationsergebnisse wurden mit Messungen an realen Antennen verglichen.

Für die Simulation der Eigenschaften des durch Reverse Engineering erstellten Modells der Antenne verwendete das Team von Dutruc eine spezielle Software. Die Feldsimulation wurde bei 4,3 GHz durchgeführt. Es wurden einige leichte Abweichungen zur Spezifikation festgestellt: Die simulierte Antenne ist auf 4,1 GHz statt auf 4,3 GHz abgestimmt. Anhand des CT-Scans können die relevanten geometrischen Parameter leicht angepasst werden, um die gewünschte Resonanzfrequenz zu erreichen.

Hervé zieht das Fazit: "Die Ergebnisse der Simulation stimmen mit den realen Messungen gut überein, sodass wir diese Reverse-Engineering-Technik für sehr vielversprechend halten."