GRASP(軟體)

GRASP9 是目前世界上最為優秀的通用反射面天線分析軟體包。

基本介紹

• 外文名：GRASP
• 屬性：通用反射面天線分析軟體包
• 適用於：航天工業
• 詳細介紹：詳見正文
• 領域：航天

產品信息

GRASP9 是目前世界上最為優秀的通用反射面天線分析軟體包。這個軟體包是分析單眼射面天線、雙反射面天線、波束波導等的通用工具。 GRASP9 可以計算多反射面、多饋源系統的輻射場，甚至可以分析多種天線之間的相互干擾——這是衛星系統中常常遇到的情況。採用 GRASP9 可以便捷地分析從某個饋源或者從某個天線系統中的一個反射面到另一個天線系統中一個反射面的散射。GRASP對各種表面形狀，包括用戶定義的形狀，都可以進行分析；初級饋源、陣列饋源都可以從豐富的內建模型庫中選用，或者直接使用用戶提供的數據。

GRASP9 繼承自GRASP8 / GRASP8W ，GRASP8 / GRASP8W擁有許多大的製造商、服務商用戶，諸如Eutelsat、lnmavsat和Intelsat。GRASP9 是最好的反射面天線分析工具，已經基於工業化需求進行了開發和升級，適用於航天工業，並得到歐空局(ESA)的支持。

產品背景

丹麥 TICRA 公司創始於1971年，三位創始人都是丹麥科技大學（Danish Technical University）電磁協會EMI(Electromagnetic Institute)的成員。 TICRA 公司的 GRASP ， POS ， COBRA ， DORELA ， CHAMP ， SNIFTD 是分析通用反射體天線系統的電磁仿真軟體包，套用於包含多個饋源或饋源陣列的多反射面天線系統的分析設計，還能分析不同天線系統間的互耦。該系列軟體得到了歐空局的大力支持，已經很好地運用於空間技術領域。在國內由未爾科技負責技術支持和銷售。

GRASP 是該公司的主打產品， GRASP 即 General Reflector Antenna Software Package (通用反射面天線軟體包)的縮寫。由於反射面天線具有電尺寸比較大的特點，當前眾多的電磁場計算軟體均無力解決反射面天線的計算機分析問題，主要原因是這些軟體所採用的分析方法都是電磁場數值計算方法，例如有限元法(FEM)、矩量法(MoM)、時域有限差分法 (FDTD) 等，這些方法對電磁場波動方程進行嚴格的數值求解，因而當所計算的結構尺度達數十個波長時．所耗費的計算機資源和時間都是驚人的。

GRASP則採用高頻近似方法，集幾何光學 (Go) 、幾何繞射理論 (GTD) 、物理光學 (PO) 、物理繞射理論 (PTD) 於一體，同時加入矩量法 （MOM）分析電小尺寸結構，是反射面天線最為高效和準確的分析軟體。

參考客戶

GRASP 軟體的客戶廣泛分布於全球各地，部分參考客戶如下：

北京航天某事業部

西安航天某所

北京航天某所

時代電子某所

西安中電某所

石家莊中電某所

合肥中電某所

上海航天某所

神舟學院

西安電子科技大學機電學院

西安電子科技大學天線所

Canadian Space Agency

Deutche Zentrum

Luft- und Raumfahrt

ESOC

ESTECEUTELSAT

General Dynamics

Goddard Space Flight Center

Hanscom Air Force Base

Hughes Networks System

Pesquisas Espaciais

INTELSAT

Jet Propulsion Laboratory

Lockheed Martin

MI Technologies

MIRAD

MIT Lincoln Labs

Mitre Corporation

Mission Research

Mitsubishi Electric Corporation

Nat. Astron. Obs. Japan

Naval Surface Warfare Center

NEC Yokohama

NHK

Northrop Grumman

Naval Research

Laboratory

NT-Space

NTT DoCoMo

Raytheon

Rohde & Schwarz

Rymsa

功能套用

GRASP 軟體可以用於分析基於各種平台的、幾乎所有類型的反射面天線，主要包含以下三類套用：

 星載天線：如賦形天線、多波束天線等；

 地面站：如面板拼接而成的大型地面站、射電望遠鏡、波束波導等；

 艦載天線：如環焦天線等。

參考案例

賦形雙反射面天線（Dual shaped reflector antenna）

本案例採用 GRASP9 分析雙反射面天線系統，該天線的主反射面表面被賦形，使得反射波束為矩形波，具體如下圖所示。

在 GRASP 中使用射線繪圖工具顯示射線如何在主輔天線之間反射，可以明顯看到，因為系統被設計為產生矩形波束，射線是不平行的；另外還可以觀察到，該設計在產生遠場之前最初的射線是匯聚的。通常情況下，使用同一設計可以得到相同的遠場，但是有些情況下，從主反射面發出的射線會射到副反射面上而產生阻擋問題。從上圖可以看出當前的設計有效的避免了這個問題，同時還減少了系統的偏置量，從而產生一個更緊湊的設計。

雙柵反射面天線（Dual girded reflector system）

本案例是考慮了極化敏感的反射面系統的分析。該系統包含兩個反射面，一個置於另一個之後，在軸向上孔徑一致，通過旋轉來設定焦點並為每個反射面對應的饋源預留出空間。前面的反射面使用金屬條狀格線，從而使其只接收對應饋源的信號，而把與之極化方向垂直的後面天線的饋源信號透過去，達到後反射面。

反射面天線表面的形狀設計要求實現上圖的等值波束圖，格線表面的目的是為了減少偏置系統採用線性極化後產生的交叉極化分量。

進行散射分析時，非常重要的一點是考慮所有散射機制，GRASP9 可以輕鬆實現這一點。激勵後反射面對應的饋源時，首先需要計算它對前格線面的反射，計算時要考慮表面材料的電特性，接下來需要計算穿過前面格線的射線，以獲得對後反射面的激勵電流。這些電流輻射到遠場，但他們的傳輸模式在穿透前面的反射面後需要進行修正，這時需要考慮後反射面在前反射面引起的表面電流。綜合考慮以上因素，可以得到下圖所示的交叉極化分量。

可以看到，在覆蓋區域中的交叉極化分量減少了，但是在覆蓋範圍外構成了一個相當大的區域，這是因為前反射面饋源交叉極化分量的反射，而出現覆蓋範圍外的區域是因為後面的饋源使前面反射面的焦點產生偏移。

功能特點

適用於複雜結構體分析

GRASP9 用標準 FORTRAN90 語言開發，使用了面向對象的設計方法。所有的反射面和饋源都被描述為不同的對象，例如拋物面屬於 paraboloid-class，高斯波束饋源屬於 Gaussian-feed-class。這種結構非常有利於對複雜結構體的分析，例如在太空飛行器上的反射面天線，此時太空飛行器平台可被定義成金屬平板對象。

可視化圖形界面

為了支持複雜天線結構的創建和顯示，GRASP9 提供了一整套可視化圖形界面。在前處理模組中，用戶可以從任意觀察角度對幾何模型繪製透視圖。另外，GRASP9 包含了一個新特性，能生成幾何模型的三維CAD檔案，可以導入到其他 CAD 軟體中。

GRASP9 具有十分有用的射線繪圖功能。射線可以從任意饋源出發，路徑可以遍及全部的反射體。通過這樣的圖形化顯示，可以在早期設計過程中發現一些潛在的相互影響。

支持多種反射面類型

GRASP9 所支持的反射面類型非常豐富。通常的反射面類型可以是三角形、矩形和平行四邊形的平板，還可以是拋物面、橢球面、雙曲面、平面、球面、任意的二次曲面，它們都具有常規的邊緣形狀。對於拼接式的反射面，拼板排列在極坐標格線上，就像通常地球站的反射面那樣，或者依照常規的方式排列。GRASP9 採用一種專門開發的算法來分析拼版縫隙導致的散射。

GRASP9 支持用戶自定義表面形狀，可以通過給定在一個規則或不規則格線上所有點的 Z 坐標值，或定義曲線旋轉等；支持對反射體疊加形變，形變可以描述為上述任何類型，可以分析反射體上的開口，此特性在處理平板反射體的連線時尤其有用。為了模擬多層反射面的熱變形或者反射面的製造時的均方根誤差，GRASP9 還可以指定多種類型的扭曲表面。

GRASP9 中，用戶可以在許多已有的類型中選擇反射器的形狀，包括：

 拋物面、雙曲面、橢圓面

 用 X-Y 表示的通用二元表達式

 在規則格線上的數值定義

 在非規則格線上的數值定義，例如在表麵點上測量得到的 xyz 值

 旋轉對稱面

 Zernike 模式展開

 Spline 模式展開

 由面板組成的反射體

 平面板

獨立的反射體邊緣定義

反射體的邊緣形狀被定義為表面和一個定義在 XY 平面的圓柱體的交叉部分，這種方法可以使反射體表面的定義和反射體邊緣的定義相互獨立。

GRASP9 中，用戶可以選擇以下邊緣形狀：

 圓形和橢圓形

 超橢圓（圓角矩形）

 矩形

 數值列表，如相應的 xy 值

 三角形或平行四邊形

 鋸齒形

在產生一個緊縮場的靜區時，鋸齒形邊緣會相當有用。系統模擬鋸齒形的方法是逐漸減小鋸齒根到尖端的表面電流，儘管這個方法很簡單，但是通過對比數據看效果仍然相當好。

豐富的內置饋源模型

GRASP9 軟體中已經內置了許多種饋源模型。用戶定義的饋源可以通過檔案輸入，既可以定義截面方向圖，也可以定義球面波展開係數。一般來說，所有的饋源模型均支持連續、精確的近場和遠場數據，即使這些模型本來僅是由遠場來描述的，這是因為軟體內置的球面波展開程式根據遠場數據計算出了近場數據，這對饋源的實測遠場數據同樣有效。

GRASP9 中，用戶可以選擇以下饋源模型：

 光滑錐體或圓錐喇叭天線

 簡單模式的波紋狀喇叭

 高斯波束模式的饋源

 列表的饋源模式（測量的或仿真的）

 由球面波展開描述的饋源

 Potter 喇叭

 微帶饋源

有些饋源的定義比較簡單，但是他們對遠場輻射情況的描述已經足夠精確了，所有的模式都提供精確的近場球面波特性。

支持多種表面材料特性

通常在分析天線時，都假設反射體是理想的導體，這與實際情況相差甚遠。為了獲得精確的電磁特性，需要考慮使用的材料。

GRASP9 提供以下表面材料類型：

 有限電導率

 理想金屬格線，帶狀格線或線格線

 Mesh

 絕緣體

 傳輸係數和反射係數列表

 理想吸收

一個真正的反射面天線可能由以上幾種材料合成，例如一個噴漆的反射體可以模擬為一個理想導體和一個薄電介質層。

支持支架對天線性能影響的分析

通常受支架影響，天線增益會降低，旁瓣會增加。GRASP9 可精確分析饋源系統支架（feed system strut）與次反射面天線支架（subreflector strut）對天線性能所產生的影響，包括：饋出波束受到支架的遮蔽（blockage）而改變反射方向、天線反射波束受到支架影響而改變反射方向。

靈活的分析模式

GRASP9 的計算基於已經在實際中獲得良好套用的分析方法，如物理光學PO（Physical Optics）、繞射物理理論PTD（Physical Theory of Diffraction ）、幾何光學GO（Geometrical Optics ）、一致繞射理論GTD（Uniform Geometrical Theory of Diffraction ）等。

基於射線的分析方法（GO 和 GTD）一次僅能用於一個反射體以限制相關射線跟蹤問題的複雜性。PO 和 PTD 可以適用於任意順序、任何數目的反射體分析，因此 GRASP9 的計算可以更加靈活，在完成一次計算後可以將計算結果當作下一個天線的發射源繼續計算。

另外，對於複雜物體分析，還可以使用GRASP其他的附加軟體包.

友好的用戶界面

GRASP9前台處理界面用於協助用戶配置天線參數以便分析，並提供可視化的天線模型。

友好的用戶圖形界面渲染天線的三維模型圖像，以便在進行細緻的射頻分析之前確認幾何關係無誤。

三維選項包括 OpenGL 圖形顯示功能。

導航欄允許用戶瀏覽 GRASP9 工程中所有組件結構，包括對象、命令、關聯到工程的檔案等。

運行配置

系統配置

GRASP9所支持的作業系統包括：Windows 2000, 2003, NT, XP, Vista ia32, amd64, em64t；Windows 2003 Server 64 bit, XP x64, Vista 64 bit；Linux, all distributions ia32, amd64, em64t。

GRASP9對系統硬體的最低配置要求如下：

CPU：Pentium III 800 MHz

硬碟： 400MB 剩餘空間

記憶體：256MB

顯示卡：無

推薦採用如下系統硬體配置：

作業系統：Windows XP Windows 7

CPU: Intel Core2Quad CPU

硬碟：剩餘 2GB 以上空間

記憶體: 1 GB

顯示卡：NVidia Graphics

附加模組（需配合GRASP9使用）

Multi-Reflector GTD

功能介紹

Multi-Reflector GTD 是 GRASP 的一個增強包，包含了 GTD 代碼、線圖繪製工具、阻擋預測工具和指令，它可以計算指定源依次影響的物體的 GTD 場變化。

此軟體包使用標準 FORTRAN 90 語言開發。

在對太空飛行器的天線結構做最終分析時，經常需要考慮其他部分結構的影響，例如衛星星體、太陽能面板、試驗艙等。尤其在毫米波波段，反射面天線和需要考慮的其他物體的大小是波長的幾千倍，此時使用 PO 方法難以計算。在掃描（Scanned）或賦形（Shaped）的天線系統中，很難確定是否出現了對天線主波束的阻擋。一般來說，這時需要使用精確可靠的 GTD 軟體來計算多反射面的反射或散射。

套用案例

在計算天線遠場時，通常使用 GTD或 PO 的方法計算副反射面，而用 PO 的方法計算主反射面，但這種方法對遠場遠區副瓣（farout side lobe region）中一些點的計算是很費時的，這種情況下，使用 Multi-reflector GTD 模組來計算副反射面和主反射面是一種非常有效的方法。

另一個案例是分析衛星上的一個天線，在計算其場分布時，必須通過一系列的散射和衍射計算來分析其周圍結構的影響，此時就需要用到 Multi-reflector GTD，同樣配合Coupling模組還可以分析天線之間的耦合。

其他的套用還包括分析緊縮場暗室複雜的射線情況，仿真得到饋源到靜區中某點的所有路徑。

COUPLING

功能介紹

Coupling 是 GRASP 的一套增強軟體工具包，專門用於計算兩個獨立源之間的復耦合度。藉助該外掛程式可以用於分析衛星上不同天線間的耦合情況以及單個天線內部饋源和其它散射體之間的耦合情況。

Coupling計算中的發射信號源和接收信號源都可以使用 GRASP 中的對象來定義，比如定義為饋源陣或散射體的電流分布。

由於天線系統間的耦合效應常常影響天線系統的正常工作，降低天線性能，因此，設計階段需要分析多天線間的耦合以及單天線系統內部的耦合效應，此外掛程式結合GRASP將作為解決此類問題的有效數字仿真手段。

套用案例

小型 TT&C 天線

本案例是用來處理兩個用於遙感遙測或者指揮用的廣角模式小天線，案例主要研究當一個天線發射時另一個天線的接收功率。當位於一個載體上（比如衛星）的時候，必須考慮不同的結構部分之間一系列的互動影響。

正饋的雙反射面天線

本案例是對正饋的雙反射面天線進行分析。

在這個案例中饋源的射線先到達副反射面，然後到達主反射面，在副反射面上產生的感應電流會輻射回饋源喇叭，引起饋源回波損耗的衰減。在雷達系統中，如果使用圓極化，且接收機附著於發射機的垂直連線埠，會發生更嚴重的情況。此時副反射面的反射場會指向接收機，因此接收機敏感的信號相關度會很高。這時可以通過使用 Coupling 對副反射面和饋源系統的電流元進行分析得到這個相關度。

共軛場匹配

在共軛場匹配的套用中，一個反射面被從某一個方向來的平面波照射。反射面上會形成一定的電流分布，如果在反射面的焦平面上安裝了饋源矩陣，此時就可以使用 Coupling 分析每個饋源和反射面電流分布之間的耦合係數，得到的結果取共軛就可以用來確定一個饋源矩陣激勵係數，使反射面天線產生需要的波束。這個過程需要了解耦合的幅度和相位。

MOM

功能介紹

MoM 是 GRASP 的一個軟體增強包。在實際套用中，天線工程師經常需要對電小尺寸的物體，比如副反射面、支架、金屬板和一些常規散射體等做非常準確的分析，此時，需要結合精確的數值方法作為手段進行分析。

集成在 MoM 模組中的MoM solver 是 TICRA 專門設計來給反射面天線的曲線表面提供高精度分析的外掛程式，同時MoM solver 計算效率非常高，甚至可以在普通 PC 上分析很大的散射體。MoM 增強包可以增強 GRASP 的套用範圍，使得任意格線定義的幾何體可以導入到 GRASP 中用 MoM 分析。因此 MoM增強包可以輔助工程師完成反射面天線系統中的精細設計，在完成大系統設計的同時，完成天線系統的高精度設計。

MoM 增強包的主要特點如下：

自動網眼捕捉：採用由4、9或16個內插點定義的曲面

自適應選擇電流展開階數：採用近直角高階基函式，最高到12階

高效的多執行緒矩陣填充程式，對稱矩陣壓縮存儲

採用為高階基函式定製的有效前處理程式來直接或疊代處理

MoM增強包擴展了 GRASP 的套用範圍，使用起來更為方便：

任意格線定義的幾何體可以導入到 GRASP 中，用 MoM 分析。

雙柵反射面天線系統常用的絕緣硬質（Dielectric stiffeners）可以很容易地用 MoM 定義和分析

把獨立的散射體有邏輯的排列起來，可以有效的簡化 MoM 對複雜系統的分析

GRASP 可以作為一個高精度格線工具用於其他分析，GRASP 內建的散射體允許用戶通過一些參數的改變定義一個相關的複雜幾何體

GRASP 計算出的電流可以通過前處理模組中3D 彩圖直接觀察

可以定電壓源來做激勵，計算輸入阻抗和S參數

可以定義和分析一些線、線/面天線結構

套用案例

環焦天線

環焦天線的副反射面有個凸起，屬於電小尺寸，PO不能準確分析，用MOM模組可以得到更為準確的計算結果。

環焦天線仿真結果

VAST12天線

VAST12天線用於校準測量設備，對其影響最大的是反射面後的支持結構和喇叭，通過兩個自定義的格線檔案對這兩個結構建模，仿真時考慮其影響。

火箭升空時，雙柵反射面天線會經受巨大的振動，通常需要在前後兩反射面間加入絕緣硬質來保護其結構不變，絕緣硬質屬於電小尺寸，適合用MOM分析。

上面的仿真結果中，分別顯示了不考慮絕緣硬質和加入絕緣硬質的結果，可以看出二者是有明顯區別的，但這幅圖不能很好顯示絕緣硬質帶來的影響。具體在仿真軟體中，還可以通過彩色光柵圖來顯示絕緣硬質帶來的影響。

QUAST

QUAST是GRASP9 最新增加的一個附加模組，該附加模組是在之前的框架設計工具基礎上發展而來。QUAST 作為專用的準光網路設計工具，能夠完成從準光網路設計到加工的全部工作，並且整個計算過程快速而準確。

一個具體的QUAST 工作流程如下：

 定義工作平面的尺寸，所有的器件都放在在該平面內，可以定義多個平面，通過frame connector 來關聯。

 在該平面上放置元件，QUAST 除了支持 Frame Design Tool 的平面鏡、反射面、分束鏡等器件外，還增加了一些諸如簡單透鏡、PO透鏡、Martin-Puplett干涉計等器件類型，更加適合準光網路的研究。

 使用高斯波束分析網路結構，顯示波束寬度和束腰位置等信息，並且可以進行最佳化等相關操作。

 根據高斯波束的分析結果設計器件的物理結構，生成3D視圖。

 最後對整個網路結構進行電磁分析，得到輻射方向圖和場分布等結果。

MPI

通常的案例，GRASP 能在幾分鐘內計算得到結果。如果用戶使用的是多核PC，那么計算速度更是非常快，因為 GRASP9 可以自動檢測電腦硬體並通過內置的並行處理功能來提高運算速度。作為可選功能之一，GRASP9 也可以通過網路連線在分散式多核PC 上運行，以求解一些電尺寸非常大的問題。

目前GRASP9的MPI模組支持Linux clusters 或者聯網的 Linux 計算機，但不能加速 Coupling 和 MOM 附加模組。

總結

 GRASP是TICRA 公司的主打產品，是最快、最通用、最準確的通用反射面天線分析工具，廣泛套用於空間技術研究和地面站研究製造領域；

 該軟體主要用於單眼射面天線，雙反射面天線或多反射面天線的設計（波束波導系統）；

 基於30多年的市場經驗，有能力解決絕大多數、能想像得到的反射面天線問題，目前已經是反射面天線設計的行業標準工具。