利用3D電磁EM軟件實現(xiàn)復雜天線系統(tǒng)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(tǒng)級行為進行仿真的地步。在電路仿真的同時進行EM仿真，產(chǎn)生了對復雜天線系統(tǒng)進行設計和測試的強大平臺。幾個有利的仿真技術(shù)允許進行復雜的設計，同時在這些應用中重復出真實世界的系統(tǒng)級行為。

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

　　基于仿真的設計流程

　　這一工作的目標就是要通過設計安裝在飛機平臺上的低成本相控陣系統(tǒng)，來對基于仿真的設計流程進行演示。圖1是該天線系統(tǒng)和平臺安裝的概覽。該系統(tǒng)包括一個安裝在固定翼飛機天線罩內(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，該電路采用了傳統(tǒng)的微帶電路技術(shù)，以及MMIC LNA和Pas。

　　按照如下過程對微波電路進行設計和仿真，這一過程對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)絡等電路。通過將這些器件級聯(lián)在一起，工程師們可以在構(gòu)建原型之前在電腦上對這些電路進行設計和仿真。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)果是準確的。通過提供更詳盡的物理提取，先進的EM仿真器協(xié)助電路仿真器進行工作，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算機重復進行提取、仿真和驗證來對設計進行優(yōu)化。這一概念可以擴展到天線設計。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)，這是因為天線一般不具備用于仿真的電路模型。動態(tài)鏈接、推入激勵（Pushed Excitation）以及數(shù)據(jù)鏈路都是軟件技術(shù)，其提供了實現(xiàn)復雜天線系統(tǒng)仿真的技術(shù)。

　　動態(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。動態(tài)鏈接自動實現(xiàn)并擴展了這一進程。一個完整的參數(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的多維插值，在提供高精度全波電磁仿真的同時，保證了電路仿真的速度。

　　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(jié)點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?qū)崿F(xiàn)對場的可視化，并計算出二次輻射模式。

　　數(shù)據(jù)鏈路通過利用電磁等效原理結(jié)合了多個EM仿真項。在3-D場求解器高頻結(jié)構(gòu)仿真器（HFSS）中，采用有限元方法在有限的3-D量中來計算場。該量外表面上的切向場可以用于計算近區(qū)或遠區(qū)的輻射場。數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)在第一個HFSS項的表面采用切向場來作為第二個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。舉例來說，第一HFSS項可含有極為詳細的天線模型。然后，從天線輻射出的場可以再被連接到包含天線罩的第二HFSS項。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細節(jié)。

　　天線系統(tǒng)概論

　　圖2描述了寬帶斜槽天線1×4陣列中的單個單元。每個單元包括一個Vivaldi天線、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現(xiàn)。

　　如圖3所示，饋電網(wǎng)絡為4通道全雙工系統(tǒng)，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(tǒng)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。在每個多路復用器中有4個信道。兩路是用于兩個發(fā)射頻率（10GHz和19GHz），而另兩路是用于兩個接收頻率（12GHz和21Ghz）。該全雙工設計支持同步發(fā)射和接收。

　　設計和仿真

　　多路復用器中四個濾波器中的每一個都采用了通常數(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度在電路仿真器中進行參數(shù)化調(diào)整，調(diào)整為適當?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)微波電路進行仿真。

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

　　下一步就是設計和仿真Vivaldi天線陣。單個Vivaldi單元設計被分成兩個部分。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所獨立做出的建議。通過依照實時調(diào)諧對巴倫尺寸進行參數(shù)化求解，采用HFSS對巴侖和槽線進行精細設計。

　　通過采用動態(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聯(lián)傳輸線。片斷、傳輸線寬度、長度及其之間的孔隙可以在HFSS中快速地參數(shù)化。每個片段沿其長度是均勻的，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例。

　　一旦，采用級聯(lián)網(wǎng)絡獲得了最佳形狀，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計，制作了四份并組裝成一個陣列。然后，采用一系列推入激勵對該陣列進行測試，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。當理想激勵輸入時，圖5中所示的結(jié)果確認了陣列的良好行為。

　　其次，該陣列與圖3中的Tx/Rx模塊進行集成，以便可以實現(xiàn)全耦合天線系統(tǒng)的仿真。采用動態(tài)鏈接和推入激勵法來研究天線的輻射性能，同時還包括了饋電網(wǎng)絡。

　　在一項測試實例仿真中，每個Tx/Rx電路被輸入符合22°波束角的推入激勵。此外，改變每個單元的輸入幅度和相位，來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(jié)果與這一測試實例進行了對比。兩個實例之間差異結(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行測試的。

　　最終目標是將天線系統(tǒng)與固定翼飛機集成在一起。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數(shù)據(jù)連接源和目標來組裝。源（天線陣）和目標（天線罩）經(jīng)數(shù)據(jù)連接，以便該天線陣是天線罩目標項目的輻射源。傳送給Tx/Rx電路的推入激勵被用來獲得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目的源。所以，在天線罩內(nèi)外產(chǎn)生的場是符合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化，仿真價值的主張將變得更加顯著。這對微波系統(tǒng)將是特別真實的，例如這里所討論雷達的應用。這兩個設計流程的實例介紹了當電路和EM仿真被智能化地集成在一起時，相控陣天線及饋電網(wǎng)絡系統(tǒng)（一個是1×4 Vivaldi陣和饋電網(wǎng)絡的制造公差；另一個是連同其觀測到的場輻射行為一起，與固定翼飛機的天線罩進行集成的陣列）揭示出仿真可以提供對系統(tǒng)行為的詳細了解。