利用EM軟件實(shí)現復雜天線(xiàn)系統的仿真

　　復雜的電路和三維EM仿真工具已達到可以在制作之前對復雜的系統級行為進(jìn)行仿真的地步。在電路仿真的同時(shí)進(jìn)行EM仿真，產(chǎn)生了對復雜天線(xiàn)系統進(jìn)行設計和測試的強大平臺。幾個(gè)有利的仿真技術(shù)允許進(jìn)行復雜的設計，同時(shí)在這些應用中重復出真實(shí)世界的系統級行為。

　　依照如下的過(guò)程來(lái)設計一個(gè)小型的寬帶相控陣雷達天線(xiàn)，當將其安裝到飛機上時(shí)，涉及到輻射單元設計、饋電網(wǎng)絡(luò )以及性能分析等。作為這一過(guò)程的一個(gè)實(shí)例，可以采用基于仿真的設計流程來(lái)用于先前已經(jīng)公布的天線(xiàn)系統，在飛機上的天線(xiàn)罩后面進(jìn)行安裝時(shí)，除了天線(xiàn)性能以外，這一工作可以擴展到將供電電路的影響包含在內。從這個(gè)例子中可以很明顯的看出，復雜天線(xiàn)系統的行為是可以利用商業(yè)3D電磁（EM）軟件以及先進(jìn)的電路仿真軟件來(lái)進(jìn)行預測的。 

　　基于仿真的設計流程

　　這一工作的目標就是要通過(guò)設計安裝在飛機平臺上的低成本相控陣系統，來(lái)對基于仿真的設計流程進(jìn)行演示。圖1是該天線(xiàn)系統和平臺安裝的概覽。該系統包括一個(gè)安裝在固定翼飛機天線(xiàn)罩內的四元Vivaldi陣列天線(xiàn)。該陣列是由有源的Tx/Rx電路來(lái)提供信號，該電路采用了傳統的微帶電路技術(shù)，以及MMIC LNA和Pas。

　　按照如下過(guò)程對微波電路進(jìn)行設計和仿真，這一過(guò)程對微波工程師而言是非常熟悉的。采用傳輸線(xiàn)電路器件的分布式模型來(lái)構建濾波器或匹配網(wǎng)絡(luò )等電路。通過(guò)將這些器件級聯(lián)在一起，工程師們可以在構建原型之前在電腦上對這些電路進(jìn)行設計和仿真。只要在其工作范圍內在頻率、尺寸和襯底參數等方面使用分布式模型，那么仿真結果是準確的。通過(guò)提供更詳盡的物理提取，先進(jìn)的EM仿真器協(xié)助電路仿真器進(jìn)行工作，物理提取在器件之間捕獲器件性能以及相互作用。結合了EM仿真的電路仿真器允許工程師通過(guò)計算機重復進(jìn)行提取、仿真和驗證來(lái)對設計進(jìn)行優(yōu)化。這一概念可以擴展到天線(xiàn)設計。然而，還需要將電路與電磁仿真結合在一起的嶄新尖端技術(shù)，這是因為天線(xiàn)一般不具備用于仿真的電路模型。動(dòng)態(tài)鏈接、推入激勵（Pushed Excitation）以及數據鏈路都是軟件技術(shù)，其提供了實(shí)現復雜天線(xiàn)系統仿真的技術(shù)。

　　動(dòng)態(tài)鏈接是一項在電路和EM仿真器之間提供了雙向連接的技術(shù)。微波工程師所熟悉的采用EM仿真來(lái)產(chǎn)生元件及電路的S參數模型并不包含在電路仿真庫中。這些 S參數通常被作為一種靜態(tài)黑箱組件添加到電路中。動(dòng)態(tài)鏈接自動(dòng)實(shí)現并擴展了這一進(jìn)程。一個(gè)完整的參數化EM模型被連接到電路，并且其行為就像任何其它電路模型一樣。雙向連接允許如尺寸和材料性能等參數被傳遞給EM仿真器，然后將S參數結果返回。在EM模型中所解得的尺寸之間先進(jìn)的多維插值，在提供高精度全波電磁仿真的同時(shí)，保證了電路仿真的速度?！　?/p>

　　推入激勵是一項關(guān)閉電路和電磁之間環(huán)路的技術(shù)。電路仿真對電路所有節點(diǎn)和支路分別計算電壓和電流。這些電壓和電流可被用作EM模型的激勵，以便工程師們能夠實(shí)現對場(chǎng)的可視化，并計算出二次輻射模式。 　　

　　數據鏈路通過(guò)利用電磁等效原理結合了多個(gè)EM仿真項。在3-D場(chǎng)求解器高頻結構仿真器（HFSS）中，采用有限元方法在有限的3-D量中來(lái)計算場(chǎng)。該量外表面上的切向場(chǎng)可以用于計算近區或遠區的輻射場(chǎng)。數據鏈路技術(shù)在第一個(gè)HFSS項的表面采用切向場(chǎng)來(lái)作為第二個(gè)HFSS項的激勵。該項之間的連接允許工程師們有效地仿真非常龐大和復雜的幾何形狀。舉例來(lái)說(shuō)，第一HFSS項可含有極為詳細的天線(xiàn)模型。然后，從天線(xiàn)輻射出的場(chǎng)可以再被連接到包含天線(xiàn)罩的第二 HFSS項。被連接的組合可以采用較大天線(xiàn)罩的宏行為來(lái)分析天線(xiàn)的精細細節。

　　天線(xiàn)系統概論 　　

　　圖2描述了寬帶斜槽天線(xiàn)1×4陣列中的單個(gè)單元。

　　每個(gè)單元包括一個(gè)Vivaldi天線(xiàn)、微帶多路復用器、低噪聲和功率放大器以及移相器。

　　如圖2所示，Vivaldi天線(xiàn)具有指數斜槽，其在GHz頻率提供了超帶寬，主平面中具有高交叉極化隔離的線(xiàn)性極化，以及低旁瓣。

　　通過(guò)使用具有巴倫的槽線(xiàn)到帶狀線(xiàn)轉換，VSWR小于2，這可以在幾倍頻程之上實(shí)現。

　　如圖3所示，饋電網(wǎng)絡(luò )為4通道全雙工系統，其包含有多路復用器、Tx/Rx放大器模塊及移相器。選定微帶多路復用器作為傳統循環(huán)器的低成本、易制造的替代品。多路復用器和Tx/Rx模塊的頂部都是向外發(fā)射波，而下半部是返回的接收波。在每個(gè)多路復用器中有4個(gè)信道。兩路是用于兩個(gè)發(fā)射頻率（10GHz和 19GHz），而另兩路是用于兩個(gè)接收頻率（12GHz和21Ghz）。該全雙工設計支持同步發(fā)射和接收。

　　設計和仿真 　　

　　多路復用器中四個(gè)濾波器中的每一個(gè)都采用了通常數量截面的耦合線(xiàn)諧振器法。截面的尺寸被調整為將每個(gè)濾波器調諧為其中心頻率并消除寄生、高階諧波。將該濾波器諧振器長(cháng)度在電路仿真器中進(jìn)行參數化調整，調整為適當的帶通中心頻率（1 0GHz、12GHz、19GHz或21GHz）。通過(guò)調整微帶傳輸線(xiàn)的寬度及其之間的孔隙間隔來(lái)消除雜散通帶。這一工作采用具有分布式器件模型的傳統微波電路進(jìn)行仿真?！　?/p>

　　一旦完成四個(gè)濾波器，添加組成多路復用器的其余器件（T形、908彎、傳輸線(xiàn)等）來(lái)完成這一構造。然后，多路復用器的電路仿真旨在實(shí)現中心頻率和插入損耗的快速確認。采用平面矩量法（MoM）求解器來(lái)捕捉所有電路元件中的復雜耦合行為從而實(shí)現了最終的設計仿真。

　　下一步就是設計和仿真Vivaldi天線(xiàn)陣。單個(gè)Vivaldi單元設計被分成兩個(gè)部分。首先是優(yōu)化巴侖和槽線(xiàn)，其二是優(yōu)化錐體。最初所選擇的巴倫尺寸是基于先前Dan Schaubert和Richard Lee所獨立做出的建議。通過(guò)依照實(shí)時(shí)調諧對巴倫尺寸進(jìn)行參數化求解，采用HFSS對巴侖和槽線(xiàn)進(jìn)行精細設計。 　　

　　通過(guò)采用動(dòng)態(tài)鏈接的電路仿真來(lái)連接HFSS，從而完成最初的錐體。圖4說(shuō)明了斜度如何是解構為具有不同孔隙寬度的級聯(lián)傳輸線(xiàn)。片斷、傳輸線(xiàn)寬度、長(cháng)度及其之間的孔隙可以在HFSS中快速地參數化。每個(gè)片段沿其長(cháng)度是均勻的，所以采用唯一端口的解決方案來(lái)建立可用于電路仿真的W單元電路模型。最后的片斷可以被連接到代表自由空間阻抗的377電阻，或者連接到HFSS的輻射邊界。后者的方法是用于這方面的實(shí)例。

　　一旦，采用級聯(lián)網(wǎng)絡(luò )獲得了最佳形狀，耦合線(xiàn)的孔隙距離擬合為錐體方程的曲線(xiàn)。該方程被反饋回采用用戶(hù)定義原語(yǔ)（UDP）的HFSS。

　　最后的堆包括了兩個(gè)被RT/Duroid 5870介質(zhì)分離開(kāi)的銅接地面。 　

　　采用最終的單一單元設計，制作了四份并組裝成一個(gè)陣列。

　　然后，采用一系列推入激勵對該陣列進(jìn)行測試，其行為是眾所周知的。舉例來(lái)說(shuō)，相位序列{0°、60°、120°、180°}眾所周知可以產(chǎn)生大約22°的波束角。

　　當理想激勵輸入時(shí)，圖5中所示的結果確認了陣列的良好行為。

　　其次，該陣列與圖3中的Tx/Rx模塊進(jìn)行集成，以便可以實(shí)現全耦合天線(xiàn)系統的仿真。采用動(dòng)態(tài)鏈接和推入激勵法來(lái)研究天線(xiàn)的輻射性能，同時(shí)還包括了饋電網(wǎng)絡(luò )。

　　在一項測試實(shí)例仿真中，每個(gè)Tx/Rx電路被輸入符合22°波束角的推入激勵。此外，改變每個(gè)單元的輸入幅度和相位，來(lái)仿真測量到的原型陣列所累積的制造公差[2]。理想推入激勵的結果與這一測試實(shí)例進(jìn)行了對比。兩個(gè)實(shí)例之間差異結果出現在較低頻率的旁瓣，并且在掃描角有2°的偏移。這一比較說(shuō)明了制造公差的影響如何在制作之前可以進(jìn)行測試的?！　?/p>

　　最終目標是將天線(xiàn)系統與固定翼飛機集成在一起。數據鏈路技術(shù)可以用來(lái)有效地解決這一計算密集型工作（圖6）。該天線(xiàn)系統和天線(xiàn)罩被分別構建作為單獨的 HFSS項目。每一組成項目在HFSS中單獨求解，并在串級鏈方式中通過(guò)數據連接源和目標來(lái)組裝。源（天線(xiàn)陣）和目標（天線(xiàn)罩）經(jīng)數據連接，以便該天線(xiàn)陣是天線(xiàn)罩目標項目的輻射源。傳送給Tx/Rx電路的推入激勵被用來(lái)獲得22°的掃描角。然后，來(lái)自Vivaldi陣列的結果被用來(lái)作為天線(xiàn)罩項目的源。所以，在天線(xiàn)罩內外產(chǎn)生的場(chǎng)是符合22°波束掃描的。

　　將仿真技術(shù)用于微波系統 　

　　隨著(zhù)項目仿真次數的減少，以及構建模型的過(guò)程變得更加自動(dòng)化，仿真價(jià)值的主張將變得更加顯著(zhù)。這對微波系統將是特別真實(shí)的，例如這里所討論雷達的應用。這兩個(gè)設計流程的實(shí)例介紹了當電路和EM仿真被智能化地集成在一起時(shí)，相控陣天線(xiàn)及饋電網(wǎng)絡(luò )系統（一個(gè)是1×4 Vivaldi陣和饋電網(wǎng)絡(luò )的制造公差；另一個(gè)是連同其觀(guān)測到的場(chǎng)輻射行為一起，與固定翼飛機的天線(xiàn)罩進(jìn)行集成的陣列）揭示出仿真可以提供對系統行為的詳細了解。