MVG的Insight軟件白皮書2016

　　執(zhí)行摘要

　　復(fù)雜情景中的天線性能分析會(huì)因調(diào)查中予以考慮的實(shí)際細(xì)節(jié)而產(chǎn)生問(wèn)題。在這種情況下，測(cè)量和數(shù)字建模是評(píng)估天線性能的基礎(chǔ)工具。

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

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

　　前言

　　如要將一個(gè)輻射設(shè)備部署在大型結(jié)構(gòu)上，比如將天線部署在衛(wèi)星上、將雷達(dá)部署在飛機(jī)上或?qū)鞲衅鞑渴鹪谄嚿?，就需要?duì)情景進(jìn)行調(diào)查和優(yōu)化。由于測(cè)得數(shù)據(jù)的總結(jié)性和高度的穩(wěn)定性，仍需要通過(guò)完整的測(cè)量對(duì)已部署的天線性能進(jìn)行最終驗(yàn)證，同時(shí)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(cè)試情景愈加復(fù)雜，因此計(jì)算電磁學(xué)(CEM)模擬工具正在使用的是域分解技術(shù)(DDT)。有時(shí)候，在使用第三方提供的天線時(shí)，可能沒(méi)有天線全波表述所需的機(jī)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(wèn)題，可以通過(guò)真正的輻射測(cè)量確定輻射天線的特性。

　　根據(jù)測(cè)得的輻射圖形，可以確定被測(cè)近場(chǎng)源天線的等效電流(EQC)表述并且將其導(dǎo)入用于模擬的 CEM工具。所獲得的EQC模型是一個(gè)對(duì)天線輻射圖形的電磁完整表述，并且在DDT的基礎(chǔ)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(cè)量;確定對(duì)應(yīng)的EQC模型。

　　3D空間輻射設(shè)備的黑盒表述

　　雖然微波組件黑盒電氣表述的開(kāi)發(fā)革新了集成電路的設(shè)計(jì)，但3D空間輻射設(shè)備，如天線等的黑盒表述就沒(méi)那么成功。微波設(shè)備的黑盒表述基于設(shè)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(guān)系。由于只能通過(guò)測(cè)量、模擬或供應(yīng)商獲得完整描述設(shè)備特性的S參數(shù)表述，因此用戶常常對(duì)設(shè)備細(xì)節(jié)一無(wú)所知。

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

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

　　在過(guò)去，DDT的使用被嚴(yán)格限制于模擬的問(wèn)題上，并且必須使用不同的數(shù)值方法來(lái)解決各種子問(wèn)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(shù)直接使用DDT，允許真實(shí)測(cè)量來(lái)表征子問(wèn)題。

　　INSIGHT[7] 是MVG所開(kāi)發(fā)的一款軟件，可以使用等效電流(EQC)基于被測(cè)場(chǎng)的擴(kuò)展建立被測(cè)天線的精確電磁表述模型 [8-14]?？梢詮腎NSIGHT通過(guò)多種商業(yè)CEM工具導(dǎo)入EQC表述模型用于完整、復(fù)雜情景中的模擬和測(cè)試。

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

　　定義鏈接

　　鏈接是天線測(cè)量設(shè)備、CEM數(shù)字建模以及適用于CEM解算器的源天線近場(chǎng)測(cè)量EQC模型之間的交點(diǎn)。為了詳細(xì)說(shuō)明這一步驟，讓我們來(lái)看一個(gè)由雙脊喇叭天線提供信號(hào)的反射系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為兩個(gè)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(hào)

　　最初測(cè)量隔離環(huán)境中喇叭天線的輻射圖形 (近場(chǎng)和/或遠(yuǎn)場(chǎng))。然后對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)天線靠近或直接安裝在復(fù)雜結(jié)構(gòu)上時(shí)，源天線的等效電流表述還能帶來(lái)精確的結(jié)果。這一通用流程可以用于復(fù)雜環(huán)境中任意形狀和復(fù)雜程度的天線 [1-5]。

　　圖3、鏈接

　　天線測(cè)量設(shè)備

　　球形、圓柱形或平面掃描表面上的天線輻射圖形近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量同樣適用于用于CEM模擬的EQC的準(zhǔn)備。大多數(shù)情況下，隔離天線的測(cè)量不一定需要大型測(cè)量設(shè)備，并且可使用緊縮的近場(chǎng)測(cè)量范圍精確、高效測(cè)量源天線。實(shí)際上，小巧的便攜式測(cè)量系統(tǒng)非常適合此類測(cè)量，因?yàn)槿缤珽M實(shí)驗(yàn)室中的其他儀器一樣，它們可以輕松地與進(jìn)行模擬的平臺(tái)一同使用。此外，如果該系統(tǒng)是一個(gè)多探針系統(tǒng)，則按比例縮短測(cè)量時(shí)間。

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

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

　　等效電流處理：近場(chǎng)源建模

　　隔離天線的等效電流表述作為測(cè)得的近場(chǎng)模型以表示CEM工具中的源天線。通過(guò)使用反源或等效電流/源方法 (EQC) 根據(jù)INSIGHT [7]測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算等效電流表述[9-12]。使用反源方法的關(guān)鍵是其在環(huán)繞被測(cè)天線(AUT)的任意或通用3D表面上重構(gòu)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(gè)雙脊喇叭天線等效電流重構(gòu)的示例。

　　圖5、根據(jù)測(cè)得的雙脊喇叭天線輻射圖形進(jìn)行等效電流重構(gòu)以進(jìn)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(jié)構(gòu)上的任何位置(最終情景)。在遇到非球面波擴(kuò)展的情況下建議使用該方法。在球面波擴(kuò)展中，只能計(jì)算源天線最小球面外側(cè)的輻射場(chǎng) [15]。這一完全圍繞源天線的最小半徑球面不能與該結(jié)果相交，因此源天線不能安裝在過(guò)于靠近該結(jié)構(gòu)的位置。這樣，這一方法只適用于數(shù)量有限的實(shí)用測(cè)試案例。當(dāng)?shù)刃щ娏魈幚碛糜跀?shù)字建模測(cè)得的數(shù)據(jù)時(shí)，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(cè)得的雙脊喇叭天線輻射圖形重構(gòu)等效電流。

　　CEM工具中的數(shù)字模擬

　　當(dāng)在INSIGHT中創(chuàng)建源天線的等效黑盒時(shí)，可以將黑盒應(yīng)用于多種CEM工具。CEM解算器會(huì)將黑盒視為天線在任何模擬情景中的完整表述。在沒(méi)有更多其他信息的情況下使用黑盒法進(jìn)行模擬。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需對(duì)源文件進(jìn)行修改并且可以在任何待測(cè)情景中使用EQC表述，即便是最復(fù)雜的也不例外?？梢酝ㄟ^(guò)多種商業(yè)CEM解算器導(dǎo)入INSIGHT中計(jì)算的等效電流表述模型[16-21]，參見(jiàn)圖 7。

　　圖7、INSIGHT 的 EQC 源模型可以導(dǎo)出到多個(gè)可用的CEM工具。

　　圖8所示的是使用測(cè)量、INSIGHT和CEM模擬工具(圖3)之間的鏈接獲得的模擬遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖形。

　　圖8、通過(guò)鏈接獲得的模擬3D遠(yuǎn)場(chǎng)圖形 (測(cè)量安裝在反射器上的源，頻率 8 GHz) [17]。

　　驗(yàn)證鏈接：證明數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)

　　為了驗(yàn)證天線測(cè)量和CEM模擬之間的鏈接，已經(jīng)對(duì)不同的案例情景進(jìn)行了測(cè)試(參見(jiàn)圖9)。目標(biāo)首先是證明這項(xiàng)技術(shù)的精確性，其次是展示這項(xiàng)技術(shù)能夠靈活應(yīng)用于多種不同的商業(yè)計(jì)算電磁學(xué)模擬工具。

　　圖9、測(cè)量和模擬間鏈接的驗(yàn)證活動(dòng)測(cè)試案例。反射天線的信號(hào)來(lái)自于喇叭天線 (a);水平結(jié)構(gòu)上的嵌裝單極錐天線和開(kāi)口波導(dǎo) (b);弧形結(jié)構(gòu)上的嵌裝單極天線 (c);作為紅箱的等效電流表述。

　　驗(yàn)證過(guò)程中考慮了3種測(cè)試案例：

　　a) 由喇叭天線提供信號(hào)的反射天線;

　　b) 水平結(jié)構(gòu)上的嵌裝單極錐天線和開(kāi)口波導(dǎo);

　　c) 弧形結(jié)構(gòu)上的嵌裝單極天線。

　　之前在隔離環(huán)境中測(cè)得的天線等效電流表述已被提供給6家CEM工具供應(yīng)商。對(duì)各供應(yīng)商的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并且按照最終情景的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行比較。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量包含在測(cè)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(yīng)商提供相同的信息(基于惠更斯等式的等效黑箱，可對(duì)源天線進(jìn)行建模)。為了保持驗(yàn)證活動(dòng)的精神和效果，在整個(gè)活動(dòng)期間，各軟件供應(yīng)商交換數(shù)字模擬結(jié)果。

　　本文只展示了水平結(jié)構(gòu)上的嵌裝單極錐天線示例。