一种基于EMPro和SystemVue的相控阵天线仿真新方法

2017-06-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

1 引言

仿真技术已经广泛运用于相控阵天线的设计中[1]。相控阵天线仿真,除了进行单个阵元天线的设计,更多的是需要进行阵列天线合成特性的分析[2]。对于由几十、上百甚至上千个阵元天线组成的相控阵天线系统,如果每次更改天线布阵形式或阵元间距,都使用传统的电磁仿真工具重新对天线阵进行仿真,需要消耗巨大的硬件和时间资源,效率很低;如果使用普通的算法工具去计算阵列天线合成波束,无法考虑真实天线及环境的特性,仿真精度得不到保障,也很难将算法工具仿真得到的阵列拓扑和幅相信息快速准确的迭代回电磁仿真软件,去仿真S参数等其它重要指标。

为了解决相控阵天线仿真面临的以上难题,作者提出了一种新型仿真方法,将全波电磁仿真软件EMPro与系统级算法软件SystemVue结合起来。该方法既大大节省了相控阵天线仿真评估的时间,缩短了天线阵列设计周期,又使得相控阵系统各个模块的工程师在设计前期就可以拿到所需指标,分别开展设计工作,降低了系统设计的复杂性,同时还保证了天线阵列仿真的精度。

2 相控阵天线新型仿真方法介绍

本文提出的方法把相控阵天线的仿真分成了三步。第一步,相控阵天线单个辐射单元的全波电磁仿真:使用三维电磁仿真软件EMPro仿真天线阵列中单个辐射单元的性能。在这一步完成之后,可以把记录有单个辐射单元方向图信息的特征文件保存下来,留待第二步使用。第二步,相控阵天线的前仿真:将第一步仿真得到的单个辐射单元特征文件导入系统级仿真软件SystemVue中,利用数学算法进行整个相控阵天线的仿真[3]。

SystemVue软件中预置了多种相控阵天线布阵模板,也可以以三维坐标形式自定义输入各个阵元位置,并可以通过代码接入用户自定义的波束赋形算法。在这一步里可以仿真得到相控阵天线的各种指标数据,例如任意主瓣波束角度下所需要的各阵元端口幅相信息、天线合成波束的扫描范围、主瓣宽度、增益、旁瓣抑制、辐射零值点以及阵元幅度加窗处理效果等。使用SystemVue进行相控阵天线的仿真速度非常快,一次仿真只需几秒钟的时间。第三步,相控阵天线的后仿真:在通过第二步快速确定天线阵列拓扑后,作者利用Python开发了专门的脚本工具,可以直接把第二步中,SystemVue仿真得到的阵列拓扑信息和所有端口幅相信息导入到第一步所使用的单个天线阵元的EMPro文件里,并自动将单个阵元天线扩展为天线阵列,自动完成端口幅相设置,从而能够直接使用EMPro对SystemVue所设计出的整个天线阵列进行全波电磁仿真及验证。图1是这一仿真方法的流程图。

一种基于EMPro和SystemVue的相控阵天线仿真新方法HFSS仿真分析图片1

图 1 相控阵天线新型仿真方法流程图

这套新的相控阵仿真方法具有以下优点:

1、在利用系统级仿真软件SystemVue仿真天线阵列时,使用的是通过电磁仿真得到的单个天线阵元特征文件,能够将实际的天线信息考虑进去。

2、使用SystemVue对天线阵列进行仿真,即使阵元数目达到上千个,一次也仅需几秒钟,内存消耗仅几百兆,一台普通的笔记本电脑即可完成,与需要使用专门的工作站甚至分布式服务器集群,动辄花费几天甚至几周时间,消耗几十甚至上百G内存的全波电磁仿真相比,仿真资源节省方面优势明显,让阵列天线的设计者在短时间内能够大量尝试各种阵列拓扑,大大提高了阵列天线的设计效率。

3、相控阵系统是一个庞大复杂的系统,在天线模块后端,还有馈电、控制等其它模块,如果通过全波电磁仿真对天线阵列完成设计后再去设计其它模块,整个相控阵系统的设计周期会非常长。而使用本文提出的仿真方法,在使用SystemVue对天线阵列做完仿真后,馈电和控制模块的设计者就可以根据仿真结果去做自己的设计,有效缩短系统设计周期。

4、SystemVue和EMPro两个软件之间可以通过脚本直接建立联系。在使用SystemVue仿真确定天线阵列拓扑和端口幅相信息后,可以直接通过脚本将这些信息导入EMPro,阵列天线的设计者无需再在EMPro中对整个阵列进行建模,更不需要对各个端口配置繁冗的幅相信息,而是可以直接开始全波电磁仿真。当天线阵列阵元繁多时,这个脚本带来的优势非常明显。

5、在EMPro中进行整个天线阵列的电磁仿真,一方面能够和SystemVue中的仿真做结果交叉验证,保证整个仿真流程每一步结果的精度,另一方面还可以得到一些SystemVue仿真无法得到的天线阵列指标,例如S参数、天线辐射效率等,并可以进一步加入馈电网络以及天线罩等结构进行更贴合实际的天线阵列电磁仿真。

总的来说,从相控阵系统的设计角度,这套方法降低了不同模块设计者彼此工作的依赖程度,降低了系统设计的复杂性,有效缩短了系统设计周期;从相控阵天线的设计角度,这套方法大大减少了阵列天线仿真的试错成本,在不降低仿真精度的前提下,有效提高了阵列天线设计的效率。

3 实际仿真案例

本节中,利用前文提出的新方法,对两款中心频点在28GHz的贴片相控阵天线做了仿真验证。图2展示了单个天线阵元的结构及使用EMPro仿真得到的方向图。