一種基于EMPro和SystemVue的相控陣天線仿真新方法

2017-06-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 引言

仿真技術已經(jīng)廣泛運用于相控陣天線的設計中[1]。相控陣天線仿真,除了進行單個陣元天線的設計,更多的是需要進行陣列天線合成特性的分析[2]。對于由幾十、上百甚至上千個陣元天線組成的相控陣天線系統(tǒng),如果每次更改天線布陣形式或陣元間距,都使用傳統(tǒng)的電磁仿真工具重新對天線陣進行仿真,需要消耗巨大的硬件和時間資源,效率很低;如果使用普通的算法工具去計算陣列天線合成波束,無法考慮真實天線及環(huán)境的特性,仿真精度得不到保障,也很難將算法工具仿真得到的陣列拓撲和幅相信息快速準確的迭代回電磁仿真軟件,去仿真S參數(shù)等其它重要指標。

為了解決相控陣天線仿真面臨的以上難題,作者提出了一種新型仿真方法,將全波電磁仿真軟件EMPro與系統(tǒng)級算法軟件SystemVue結合起來。該方法既大大節(jié)省了相控陣天線仿真評估的時間,縮短了天線陣列設計周期,又使得相控陣系統(tǒng)各個模塊的工程師在設計前期就可以拿到所需指標,分別開展設計工作,降低了系統(tǒng)設計的復雜性,同時還保證了天線陣列仿真的精度。

2 相控陣天線新型仿真方法介紹

本文提出的方法把相控陣天線的仿真分成了三步。第一步,相控陣天線單個輻射單元的全波電磁仿真:使用三維電磁仿真軟件EMPro仿真天線陣列中單個輻射單元的性能。在這一步完成之后,可以把記錄有單個輻射單元方向圖信息的特征文件保存下來,留待第二步使用。第二步,相控陣天線的前仿真:將第一步仿真得到的單個輻射單元特征文件導入系統(tǒng)級仿真軟件SystemVue中,利用數(shù)學算法進行整個相控陣天線的仿真[3]。

SystemVue軟件中預置了多種相控陣天線布陣模板,也可以以三維坐標形式自定義輸入各個陣元位置,并可以通過代碼接入用戶自定義的波束賦形算法。在這一步里可以仿真得到相控陣天線的各種指標數(shù)據(jù),例如任意主瓣波束角度下所需要的各陣元端口幅相信息、天線合成波束的掃描范圍、主瓣寬度、增益、旁瓣抑制、輻射零值點以及陣元幅度加窗處理效果等。使用SystemVue進行相控陣天線的仿真速度非?？?一次仿真只需幾秒鐘的時間。第三步,相控陣天線的后仿真:在通過第二步快速確定天線陣列拓撲后,作者利用Python開發(fā)了專門的腳本工具,可以直接把第二步中,SystemVue仿真得到的陣列拓撲信息和所有端口幅相信息導入到第一步所使用的單個天線陣元的EMPro文件里,并自動將單個陣元天線擴展為天線陣列,自動完成端口幅相設置,從而能夠直接使用EMPro對SystemVue所設計出的整個天線陣列進行全波電磁仿真及驗證。圖1是這一仿真方法的流程圖。

一種基于EMPro和SystemVue的相控陣天線仿真新方法HFSS仿真分析圖片1

圖 1 相控陣天線新型仿真方法流程圖

這套新的相控陣仿真方法具有以下優(yōu)點:

1、在利用系統(tǒng)級仿真軟件SystemVue仿真天線陣列時,使用的是通過電磁仿真得到的單個天線陣元特征文件,能夠將實際的天線信息考慮進去。

2、使用SystemVue對天線陣列進行仿真,即使陣元數(shù)目達到上千個,一次也僅需幾秒鐘,內存消耗僅幾百兆,一臺普通的筆記本電腦即可完成,與需要使用專門的工作站甚至分布式服務器集群,動輒花費幾天甚至幾周時間,消耗幾十甚至上百G內存的全波電磁仿真相比,仿真資源節(jié)省方面優(yōu)勢明顯,讓陣列天線的設計者在短時間內能夠大量嘗試各種陣列拓撲,大大提高了陣列天線的設計效率。

3、相控陣系統(tǒng)是一個龐大復雜的系統(tǒng),在天線模塊后端,還有饋電、控制等其它模塊,如果通過全波電磁仿真對天線陣列完成設計后再去設計其它模塊,整個相控陣系統(tǒng)的設計周期會非常長。而使用本文提出的仿真方法,在使用SystemVue對天線陣列做完仿真后,饋電和控制模塊的設計者就可以根據(jù)仿真結果去做自己的設計,有效縮短系統(tǒng)設計周期。

4、SystemVue和EMPro兩個軟件之間可以通過腳本直接建立聯(lián)系。在使用SystemVue仿真確定天線陣列拓撲和端口幅相信息后,可以直接通過腳本將這些信息導入EMPro,陣列天線的設計者無需再在EMPro中對整個陣列進行建模,更不需要對各個端口配置繁冗的幅相信息,而是可以直接開始全波電磁仿真。當天線陣列陣元繁多時,這個腳本帶來的優(yōu)勢非常明顯。

5、在EMPro中進行整個天線陣列的電磁仿真,一方面能夠和SystemVue中的仿真做結果交叉驗證,保證整個仿真流程每一步結果的精度,另一方面還可以得到一些SystemVue仿真無法得到的天線陣列指標,例如S參數(shù)、天線輻射效率等,并可以進一步加入饋電網(wǎng)絡以及天線罩等結構進行更貼合實際的天線陣列電磁仿真。

總的來說,從相控陣系統(tǒng)的設計角度,這套方法降低了不同模塊設計者彼此工作的依賴程度,降低了系統(tǒng)設計的復雜性,有效縮短了系統(tǒng)設計周期;從相控陣天線的設計角度,這套方法大大減少了陣列天線仿真的試錯成本,在不降低仿真精度的前提下,有效提高了陣列天線設計的效率。

3 實際仿真案例

本節(jié)中,利用前文提出的新方法,對兩款中心頻點在28GHz的貼片相控陣天線做了仿真驗證。圖2展示了單個天線陣元的結構及使用EMPro仿真得到的方向圖。