利用3D電磁EM軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜天線系統(tǒng)的仿真

　　復(fù)雜的電路和三維EM仿真工具已達(dá)到可以在制作之前對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)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(duì)復(fù)雜天線系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試的強(qiáng)大平臺(tái)。幾個(gè)有利的仿真技術(shù)允許進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)，同時(shí)在這些應(yīng)用中重復(fù)出真實(shí)世界的系統(tǒng)級(jí)行為。

　　依照如下的過程來設(shè)計(jì)一個(gè)小型的寬帶相控陣?yán)走_(dá)天線，當(dāng)將其安裝到飛機(jī)上時(shí)，涉及到輻射單元設(shè)計(jì)、饋電網(wǎng)絡(luò)以及性能分析等。作為這一過程的一個(gè)實(shí)例，可以采用基于仿真的設(shè)計(jì)流程來用于先前已經(jīng)公布的天線系統(tǒng)，在飛機(jī)上的天線罩后面進(jìn)行安裝時(shí)，除了天線性能以外，這一工作可以擴(kuò)展到將供電電路的影響包含在內(nèi)。從這個(gè)例子中可以很明顯的看出，復(fù)雜天線系統(tǒng)的行為是可以利用商業(yè)3D電磁（EM）軟件以及先進(jìn)的電路仿真軟件來進(jìn)行預(yù)測(cè)的。

　　基于仿真的設(shè)計(jì)流程

　　這一工作的目標(biāo)就是要通過設(shè)計(jì)安裝在飛機(jī)平臺(tái)上的低成本相控陣系統(tǒng)，來對(duì)基于仿真的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行演示。圖1是該天線系統(tǒng)和平臺(tái)安裝的概覽。該系統(tǒng)包括一個(gè)安裝在固定翼飛機(jī)天線罩內(nèi)的四元Vivaldi陣列天線。該陣列是由有源的Tx/Rx電路來提供信號(hào)，該電路采用了傳統(tǒng)的微帶電路技術(shù)，以及MMIC LNA和Pas。

　　按照如下過程對(duì)微波電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，這一過程對(duì)微波工程師而言是非常熟悉的。采用傳輸線電路器件的分布式模型來構(gòu)建濾波器或匹配網(wǎng)絡(luò)等電路。通過將這些器件級(jí)聯(lián)在一起，工程師們可以在構(gòu)建原型之前在電腦上對(duì)這些電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。只要在其工作范圍內(nèi)在頻率、尺寸和襯底參數(shù)等方面使用分布式模型，那么仿真結(jié)果是準(zhǔn)確的。通過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(jié)合了EM仿真的電路仿真器允許工程師通過計(jì)算機(jī)重復(fù)進(jìn)行提取、仿真和驗(yàn)證來對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。這一概念可以擴(kuò)展到天線設(shè)計(jì)。然而，還需要將電路與電磁仿真結(jié)合在一起的嶄新尖端技術(shù)，這是因?yàn)樘炀€一般不具備用于仿真的電路模型。動(dòng)態(tài)鏈接、推入激勵(lì)（Pushed Excitation）以及數(shù)據(jù)鏈路都是軟件技術(shù)，其提供了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜天線系統(tǒng)仿真的技術(shù)。

　　動(dòng)態(tài)鏈接是一項(xiàng)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仿真來產(chǎn)生元件及電路的S參數(shù)模型并不包含在電路仿真庫(kù)中。這些S參數(shù)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(xiàn)并擴(kuò)展了這一進(jìn)程。一個(gè)完整的參數(shù)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(shù)被傳遞給EM仿真器，然后將S參數(shù)結(jié)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。

　　推入激勵(lì)是一項(xiàng)關(guān)閉電路和電磁之間環(huán)路的技術(shù)。電路仿真對(duì)電路所有節(jié)點(diǎn)和支路分別計(jì)算電壓和電流。這些電壓和電流可被用作EM模型的激勵(lì)，以便工程師們能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)場(chǎng)的可視化，并計(jì)算出二次輻射模式。

　　數(shù)據(jù)鏈路通過利用電磁等效原理結(jié)合了多個(gè)EM仿真項(xiàng)。在3-D場(chǎng)求解器高頻結(jié)構(gòu)仿真器（HFSS）中，采用有限元方法在有限的3-D量中來計(jì)算場(chǎng)。該量外表面上的切向場(chǎng)可以用于計(jì)算近區(qū)或遠(yuǎn)區(qū)的輻射場(chǎng)。數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)在第一個(gè)HFSS項(xiàng)的表面采用切向場(chǎng)來作為第二個(gè)HFSS項(xiàng)的激勵(lì)。該項(xiàng)之間的連接允許工程師們有效地仿真非常龐大和復(fù)雜的幾何形狀。舉例來說，第一HFSS項(xiàng)可含有極為詳細(xì)的天線模型。然后，從天線輻射出的場(chǎng)可以再被連接到包含天線罩的第二HFSS項(xiàng)。被連接的組合可以采用較大天線罩的宏行為來分析天線的精細(xì)細(xì)節(jié)。

　　天線系統(tǒng)概論

　　圖2描述了寬帶斜槽天線1×4陣列中的單個(gè)單元。每個(gè)單元包括一個(gè)Vivaldi天線、微帶多路復(fù)用器、低噪聲和功率放大器以及移相器。如圖2所示，Vivaldi天線具有指數(shù)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性極化，以及低旁瓣。通過使用具有巴倫的槽線到帶狀線轉(zhuǎn)換，VSWR小于2，這可以在幾倍頻程之上實(shí)現(xiàn)。

　　如圖3所示，饋電網(wǎng)絡(luò)為4通道全雙工系統(tǒng)，其包含有多路復(fù)用器、Tx/Rx放大器模塊及移相器。選定微帶多路復(fù)用器作為傳統(tǒng)循環(huán)器的低成本、易制造的替代品。多路復(fù)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(fù)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(shè)計(jì)支持同步發(fā)射和接收。

　　設(shè)計(jì)和仿真

　　多路復(fù)用器中四個(gè)濾波器中的每一個(gè)都采用了通常數(shù)量截面的耦合線諧振器法。截面的尺寸被調(diào)整為將每個(gè)濾波器調(diào)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(zhǎng)度在電路仿真器中進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整，調(diào)整為適當(dāng)?shù)膸ㄖ行念l率（10GHz、12GHz、19GHz或21GHz）。通過調(diào)整微帶傳輸線的寬度及其之間的孔隙間隔來消除雜散通帶。這一工作采用具有分布式器件模型的傳統(tǒng)微波電路進(jìn)行仿真。

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

　　下一步就是設(shè)計(jì)和仿真Vivaldi天線陣。單個(gè)Vivaldi單元設(shè)計(jì)被分成兩個(gè)部分。首先是優(yōu)化巴侖和槽線，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(dú)立做出的建議。通過依照實(shí)時(shí)調(diào)諧對(duì)巴倫尺寸進(jìn)行參數(shù)化求解，采用HFSS對(duì)巴侖和槽線進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)。

　　通過采用動(dòng)態(tài)鏈接的電路仿真來連接HFSS，從而完成最初的錐體。圖4說明了斜度如何是解構(gòu)為具有不同孔隙寬度的級(jí)聯(lián)傳輸線。片斷、傳輸線寬度、長(zhǎng)度及其之間的孔隙可以在HFSS中快速地參數(shù)化。每個(gè)片段沿其長(zhǎng)度是均勻的，所以采用唯一端口的解決方案來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(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)獲得了最佳形狀，耦合線的孔隙距離擬合為錐體方程的曲線。該方程被反饋回采用用戶定義原語（UDP）的HFSS。最后的堆包括了兩個(gè)被RT/Duroid 5870介質(zhì)分離開的銅接地面。

　　采用最終的單一單元設(shè)計(jì)，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(lì)對(duì)該陣列進(jìn)行測(cè)試，其行為是眾所周知的。舉例來說，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(dāng)理想激勵(lì)輸入時(shí)，圖5中所示的結(jié)果確認(rèn)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(xiàn)全耦合天線系統(tǒng)的仿真。采用動(dòng)態(tài)鏈接和推入激勵(lì)法來研究天線的輻射性能，同時(shí)還包括了饋電網(wǎng)絡(luò)。

　　在一項(xiàng)測(cè)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(lì)。此外，改變每個(gè)單元的輸入幅度和相位，來仿真測(cè)量到的原型陣列所累積的制造公差[2]。理想推入激勵(lì)的結(jié)果與這一測(cè)試實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比。兩個(gè)實(shí)例之間差異結(jié)果出現(xiàn)在較低頻率的旁瓣，并且在掃描角有2°的偏移。這一比較說明了制造公差的影響如何在制作之前可以進(jìn)行測(cè)試的。

　　最終目標(biāo)是將天線系統(tǒng)與固定翼飛機(jī)集成在一起。數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)可以用來有效地解決這一計(jì)算密集型工作（圖6）。該天線系統(tǒng)和天線罩被分別構(gòu)建作為單獨(dú)的HFSS項(xiàng)目。每一組成項(xiàng)目在HFSS中單獨(dú)求解，并在串級(jí)鏈方式中通過數(shù)據(jù)連接源和目標(biāo)來組裝。源（天線陣）和目標(biāo)（天線罩）經(jīng)數(shù)據(jù)連接，以便該天線陣是天線罩目標(biāo)項(xiàng)目的輻射源。傳送給Tx/Rx電路的推入激勵(lì)被用來獲得22°的掃描角。然后，來自Vivaldi陣列的結(jié)果被用來作為天線罩項(xiàng)目的源。所以，在天線罩內(nèi)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(tǒng)

　　隨著項(xiàng)目仿真次數(shù)的減少，以及構(gòu)建模型的過程變得更加自動(dòng)化，仿真價(jià)值的主張將變得更加顯著。這對(duì)微波系統(tǒng)將是特別真實(shí)的，例如這里所討論雷達(dá)的應(yīng)用。這兩個(gè)設(shè)計(jì)流程的實(shí)例介紹了當(dāng)電路和EM仿真被智能化地集成在一起時(shí)，相控陣天線及饋電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（一個(gè)是1×4 Vivaldi陣和饋電網(wǎng)絡(luò)的制造公差；另一個(gè)是連同其觀測(cè)到的場(chǎng)輻射行為一起，與固定翼飛機(jī)的天線罩進(jìn)行集成的陣列）揭示出仿真可以提供對(duì)系統(tǒng)行為的詳細(xì)了解。