MVG的Insight軟件白皮書2016

　　執(zhí)行摘要

　　復雜情景中的天線性能分析會因調查中予以考慮的實際細節(jié)而產(chǎn)生問題。在這種情況下，測量和數(shù)字建模是評估天線性能的基礎工具。

　　使用計算電磁學(CEM)工具所創(chuàng)建的數(shù)字建模需要對源天線進行特定表述?？赏ㄟ^了解具體的天線特性實現(xiàn)這一點。但在大多數(shù)實際情況中，全波表述不可行或不可用。因此天線測量技術被證明是有效的方法。

　　在本文中，您將了解哪些工具和技術可以克服因未知源模型特性和待測量環(huán)境復雜性所引起的限制。這一方法基于對天線的等效電流表述，連接測量設備/技術與商業(yè)數(shù)字計算工具，從而測量用于最復雜測試環(huán)境模擬的源天線。

　　前言

　　如要將一個輻射設備部署在大型結構上，比如將天線部署在衛(wèi)星上、將雷達部署在飛機上或將傳感器部署在汽車上，就需要對情景進行調查和優(yōu)化。由于測得數(shù)據(jù)的總結性和高度的穩(wěn)定性，仍需要通過完整的測量對已部署的天線性能進行最終驗證，同時在天線部署研究與優(yōu)化的初始階段增加數(shù)字建模的使用。

　　由于測試情景愈加復雜，因此計算電磁學(CEM)模擬工具正在使用的是域分解技術(DDT)。有時候，在使用第三方提供的天線時，可能沒有天線全波表述所需的機械和電子特性，尤其是在CEM工具要求的格式中。為了克服這一問題，可以通過真正的輻射測量確定輻射天線的特性。

　　根據(jù)測得的輻射圖形，可以確定被測近場源天線的等效電流(EQC)表述并且將其導入用于模擬的 CEM工具。所獲得的EQC模型是一個對天線輻射圖形的電磁完整表述，并且在DDT的基礎上可以在模擬中用作基于惠更斯公式的等效黑盒[1-5]。

　　圖1、隔離環(huán)境中鯊魚鰭天線的輻射測量;確定對應的EQC模型。

　　3D空間輻射設備的黑盒表述

　　雖然微波組件黑盒電氣表述的開發(fā)革新了集成電路的設計，但3D空間輻射設備，如天線等的黑盒表述就沒那么成功。微波設備的黑盒表述基于設備物理端口的定義以及S參數(shù)所定義的入射波和出射波之間的關系。由于只能通過測量、模擬或供應商獲得完整描述設備特性的S參數(shù)表述，因此用戶常常對設備細節(jié)一無所知。

　　與微波組件的S參數(shù)類似，可以通過近場(NF)源數(shù)據(jù)集完整描述3D空間輻射設備的特性。在本文中，基于惠更斯公式，這被定義為表述設備輻射圖形的等效黑盒[6]。

　　操作人員可以通過域分解技術 (DDT) 將測試中的情景分成更易管理的分區(qū)，從而優(yōu)化和減少計算成本。實踐中，在復雜天線部署問題中使用DDT，便可以通過非常精確的模擬設置獨立獲得輻射天線的特性，并作為子問題集成到最終的完整情景模擬中。

　　在過去，DDT的使用被嚴格限制于模擬的問題上，并且必須使用不同的數(shù)值方法來解決各種子問題。這一限制，最近已被克服。在MVG的INSIGHT 軟件中研發(fā)的新技術直接使用DDT，允許真實測量來表征子問題。

　　INSIGHT[7] 是MVG所開發(fā)的一款軟件，可以使用等效電流(EQC)基于被測場的擴展建立被測天線的精確電磁表述模型 [8-14]?？梢詮腎NSIGHT通過多種商業(yè)CEM工具導入EQC表述模型用于完整、復雜情景中的模擬和測試。

　　INSIGHT 提供“缺失的環(huán)節(jié)”，整合數(shù)字模擬和天線測量，了解已部署的天線性能。

　　定義鏈接

　　鏈接是天線測量設備、CEM數(shù)字建模以及適用于CEM解算器的源天線近場測量EQC模型之間的交點。為了詳細說明這一步驟，讓我們來看一個由雙脊喇叭天線提供信號的反射系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為兩個部分：喇叭天線 (源天線)和反射器，如圖2所示。

　　圖2、反射系統(tǒng)：MVG SR40-A 反射器，由MVG SH4000雙脊喇叭天線提供信號

　　最初測量隔離環(huán)境中喇叭天線的輻射圖形 (近場和/或遠場)。然后對測得的數(shù)據(jù)進行處理，獲得基于惠更斯等式的等效黑盒。然后使用各CEM工具將等效黑盒安裝在用于模擬的反射器上。

　　當天線靠近或直接安裝在復雜結構上時，源天線的等效電流表述還能帶來精確的結果。這一通用流程可以用于復雜環(huán)境中任意形狀和復雜程度的天線 [1-5]。

　　圖3、鏈接

　　天線測量設備

　　球形、圓柱形或平面掃描表面上的天線輻射圖形近場或遠場測量同樣適用于用于CEM模擬的EQC的準備。大多數(shù)情況下，隔離天線的測量不一定需要大型測量設備，并且可使用緊縮的近場測量范圍精確、高效測量源天線。實際上，小巧的便攜式測量系統(tǒng)非常適合此類測量，因為如同EM實驗室中的其他儀器一樣，它們可以輕松地與進行模擬的平臺一同使用。此外，如果該系統(tǒng)是一個多探針系統(tǒng)，則按比例縮短測量時間。

　　如圖4所示，由小巧的便攜式MVG StarLab測量系統(tǒng)[15]進行本文中所表述的和用于驗證鏈接的測量。

　　圖4、MVG StarLab 18GHz 球形近場多探針系統(tǒng)[14]

　　等效電流處理：近場源建模

　　隔離天線的等效電流表述作為測得的近場模型以表示CEM工具中的源天線。通過使用反源或等效電流/源方法 (EQC) 根據(jù)INSIGHT [7]測得的數(shù)據(jù)計算等效電流表述[9-12]。使用反源方法的關鍵是其在環(huán)繞被測天線(AUT)的任意或通用3D表面上重構EQC的能力。為此，可以在各種類型或形狀的天線上使用該方法。圖5是一個雙脊喇叭天線等效電流重構的示例。

　　圖5、根據(jù)測得的雙脊喇叭天線輻射圖形進行等效電流重構以進行診斷。

　　由于EQC可以生成天線表面形狀配合表述，因此源天線可以更自由地安裝在任何大型結構上的任何位置(最終情景)。在遇到非球面波擴展的情況下建議使用該方法。在球面波擴展中，只能計算源天線最小球面外側的輻射場 [15]。這一完全圍繞源天線的最小半徑球面不能與該結果相交，因此源天線不能安裝在過于靠近該結構的位置。這樣，這一方法只適用于數(shù)量有限的實用測試案例。當?shù)刃щ娏魈幚碛糜跀?shù)字建模測得的數(shù)據(jù)時，環(huán)繞天線的基于惠更斯等式的等效黑盒可以為該流程提供足夠的精度。圖6顯示的是作為等效黑盒的雙脊天線EQC表述。

　　圖6、使用INSIGHT軟件根據(jù)測得的雙脊喇叭天線輻射圖形重構等效電流。

　　CEM工具中的數(shù)字模擬

　　當在INSIGHT中創(chuàng)建源天線的等效黑盒時，可以將黑盒應用于多種CEM工具。CEM解算器會將黑盒視為天線在任何模擬情景中的完整表述。在沒有更多其他信息的情況下使用黑盒法進行模擬。優(yōu)點：無需對源文件進行修改并且可以在任何待測情景中使用EQC表述，即便是最復雜的也不例外?？梢酝ㄟ^多種商業(yè)CEM解算器導入INSIGHT中計算的等效電流表述模型[16-21]，參見圖 7。

　　圖7、INSIGHT 的 EQC 源模型可以導出到多個可用的CEM工具。

　　圖8所示的是使用測量、INSIGHT和CEM模擬工具(圖3)之間的鏈接獲得的模擬遠場輻射圖形。

　　圖8、通過鏈接獲得的模擬3D遠場圖形 (測量安裝在反射器上的源，頻率 8 GHz) [17]。

　　驗證鏈接：證明數(shù)據(jù)和結構

　　為了驗證天線測量和CEM模擬之間的鏈接，已經(jīng)對不同的案例情景進行了測試(參見圖9)。目標首先是證明這項技術的精確性，其次是展示這項技術能夠靈活應用于多種不同的商業(yè)計算電磁學模擬工具。

　　圖9、測量和模擬間鏈接的驗證活動測試案例。反射天線的信號來自于喇叭天線 (a);水平結構上的嵌裝單極錐天線和開口波導 (b);弧形結構上的嵌裝單極天線 (c);作為紅箱的等效電流表述。

　　驗證過程中考慮了3種測試案例：

　　a) 由喇叭天線提供信號的反射天線;

　　b) 水平結構上的嵌裝單極錐天線和開口波導;

　　c) 弧形結構上的嵌裝單極天線。

　　之前在隔離環(huán)境中測得的天線等效電流表述已被提供給6家CEM工具供應商。對各供應商的結果進行對比，并且按照最終情景的標準測量進行比較。標準測量包含在測量系統(tǒng)中完全確定的完整最終情景中的天線輻射圖形。

　　已向6家軟件供應商提供相同的信息(基于惠更斯等式的等效黑箱，可對源天線進行建模)。為了保持驗證活動的精神和效果，在整個活動期間，各軟件供應商交換數(shù)字模擬結果。

　　本文只展示了水平結構上的嵌裝單極錐天線示例。