这种仿真流程让相控阵天线仿真不再是一场噩梦【转发】

2017-06-30 by:CAE仿真在线来源:互联网

编者注:什么是相控阵天线?相控阵天线是目前卫星移动通信系统中最重要的一种天线形式,由三个部分组成:天线阵、馈电网络和波束控制器。基本原理是微处理器接收到包含通信方向的控制信息后,根据控制软件提供的算法计算出各个移相器的相移量,然后通过天线控制器来控制馈电网络完成移相过程。由于移相能够补偿同一信号到达各个不同阵元而产生的时间差,所以此时天线阵的输出同相叠加达到最大。一旦信号方向发生变化,只要通过调整移相器的相移量就可使天线阵波束的最大指向做相应的变化,从而实现波束扫描和跟踪。相控阵天线技术在雷达、通信、电子战、导航等领域获得了广泛应用。“萨德”那么牛B,其实它就使用的就是相控阵天线,未来5G的应用也会使用大量的相控阵天线。

相控阵天线的优点:

(1)在计算机控制下波束指向灵活,能实现无惯性快速扫描,数据率高;

(2)一个雷达可同时形成多个独立波束,分别实现搜索、识别、跟踪、制导、无源探测等多种功能;

(3)目标容量大,可在空域内同时监视、跟踪数百个目标;

(4)对复杂目标环境的适应能力强;

(5)抗干扰性能好。全固态相控阵雷达的可靠性高,即使少量组件失效仍能正常工作。

缺点:

结构复杂(处理器和移相器),成本高,且波束扫描范围有限,最大扫描角为90°~120°。当需要进行全方位监视时,需配置3~4个天线阵面。

相控阵天线这么好,但是设计比较复杂,那么仿真就变得非常重要,不仅仅能提高设计的精度,还能大大的提升设计的效率,所以今天和大家分享一篇相控阵天线仿真的文章。

使用电磁场仿真工具进行天线仿真已经成为天线设计工程师的必要手段。建立天线几何结构、输入材料属性,设置端口、边界条件、网格剖分参数及收敛条件,运行仿真就可以得到天线的性能参数。对于有经验的工程师,无需过多的调整很快就能得到与实际测试相近的仿真结果。而对于相控阵天线设计来讲,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仿真分析,如需要评估不同的天线布阵形式、天线间距对合成方向图的影响;需要进行相控阵天线合成波束的主瓣宽度、增益、旁瓣抑制、辐射零值点以及波束扫描范围、阵元幅度加窗处理效果等仿真工作。对于由几十个、上百个甚至上千个阵元天线组成的相控阵天线系统,如果每次更改布阵、阵元间距都重新对天线阵进行电磁场仿真,使用传统的电磁场仿真工具,往往需要几十G,上百G的计算机内存资源以及庞大的计算能力,进行完整的相控阵天线性能评估,对天线工程师而言,这不啻于一场噩梦。而如果使用简单的算法工具使用等效天线模型进行相控阵天线合成波束仿真又无法把真实天线的特性考虑进去,仿真精度也得不到保障。此外,相控阵天线是一个庞大的系统,天线后端还有馈电、控制等模块。如果等天线模块设计好了再去设计其它模块,项目周期会拖得很长。

图1. 相控阵天线

当前,在进行相控阵天线仿真时,主要是应用EMPro+SystemVue这两个软件结合进行仿真,这套阵列天线仿真流程相比传统其它的方法,可以在保证仿真精度的条件下,大幅度节省仿真时间,提高仿真效率。

EMPro+SystemVue阵列天线仿真流程包括以下步骤:

第一步,单个天线阵元的设计:使用EMPro软件对单个天线阵元进行设计和优化并输出天线的特征文件。
第二步,阵列天线的前仿真:将已得到的天线阵元特征文件导入到SystemVue软件中,进行天线阵列的设计和仿真。SystemVue软件中已预置多种相控阵天线布阵模板,包括线阵、矩形阵、三角阵、圆周阵等,也可以以三维坐标形式输入各个阵元位置;阵元间距可调;支持多种窗函数处理;可以通过Matlab或C代码接入用户自定义波控算法。通常完成一次阵列的仿真只需几秒钟,就可以快速对天线阵列的拓扑和性能进行评估。通过仿真得到的各波束角度下所需馈电的幅相信息,可以提供给相应工程师进行馈电网络的设计。
第三步,阵列天线的后仿真:在EMPro软件中通过Python脚本一键导入SystemVue软件输出的阵列拓扑和端口幅相信息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,可以直接进行电磁仿真及验证。同时,也可以进一步加入馈电网络以及天线罩等进行完整天线系统的仿真。