這種仿真流程讓相控陣天線仿真不再是一場(chǎng)噩夢(mèng)【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-06-30  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

編者注:什么是相控陣天線?相控陣天線是目前衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中最重要的一種天線形式,由三個(gè)部分組成:天線陣、饋電網(wǎng)絡(luò)和波束控制器。基本原理是微處理器接收到包含通信方向的控制信息后,根據(jù)控制軟件提供的算法計(jì)算出各個(gè)移相器的相移量,然后通過天線控制器來控制饋電網(wǎng)絡(luò)完成移相過程。由于移相能夠補(bǔ)償同一信號(hào)到達(dá)各個(gè)不同陣元而產(chǎn)生的時(shí)間差,所以此時(shí)天線陣的輸出同相疊加達(dá)到最大。一旦信號(hào)方向發(fā)生變化,只要通過調(diào)整移相器的相移量就可使天線陣波束的最大指向做相應(yīng)的變化,從而實(shí)現(xiàn)波束掃描和跟蹤。相控陣天線技術(shù)在雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用?！八_德”那么牛B,其實(shí)它就使用的就是相控陣天線,未來5G的應(yīng)用也會(huì)使用大量的相控陣天線。

相控陣天線的優(yōu)點(diǎn):

(1)在計(jì)算機(jī)控制下波束指向靈活,能實(shí)現(xiàn)無慣性快速掃描,數(shù)據(jù)率高;

(2)一個(gè)雷達(dá)可同時(shí)形成多個(gè)獨(dú)立波束,分別實(shí)現(xiàn)搜索、識(shí)別、跟蹤、制導(dǎo)、無源探測(cè)等多種功能;

(3)目標(biāo)容量大,可在空域內(nèi)同時(shí)監(jiān)視、跟蹤數(shù)百個(gè)目標(biāo);

(4)對(duì)復(fù)雜目標(biāo)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng);

(5)抗干擾性能好。全固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)的可靠性高,即使少量組件失效仍能正常工作。

缺點(diǎn):

結(jié)構(gòu)復(fù)雜(處理器和移相器),成本高,且波束掃描范圍有限,最大掃描角為90°~120°。當(dāng)需要進(jìn)行全方位監(jiān)視時(shí),需配置3~4個(gè)天線陣面。

相控陣天線這么好,但是設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,那么仿真就變得非常重要,不僅僅能提高設(shè)計(jì)的精度,還能大大的提升設(shè)計(jì)的效率,所以今天和大家分享一篇相控陣天線仿真的文章。

使用電磁場(chǎng)仿真工具進(jìn)行天線仿真已經(jīng)成為天線設(shè)計(jì)工程師的必要手段。建立天線幾何結(jié)構(gòu)、輸入材料屬性,設(shè)置端口、邊界條件、網(wǎng)格剖分參數(shù)及收斂條件,運(yùn)行仿真就可以得到天線的性能參數(shù)。對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的工程師,無需過多的調(diào)整很快就能得到與實(shí)際測(cè)試相近的仿真結(jié)果。而對(duì)于相控陣天線設(shè)計(jì)來講,除了進(jìn)行單個(gè)陣元天線的設(shè)計(jì),更多的是需要進(jìn)行陣列天線合成特性的仿真分析,如需要評(píng)估不同的天線布陣形式、天線間距對(duì)合成方向圖的影響;需要進(jìn)行相控陣天線合成波束的主瓣寬度、增益、旁瓣抑制、輻射零值點(diǎn)以及波束掃描范圍、陣元幅度加窗處理效果等仿真工作。對(duì)于由幾十個(gè)、上百個(gè)甚至上千個(gè)陣元天線組成的相控陣天線系統(tǒng),如果每次更改布陣、陣元間距都重新對(duì)天線陣進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真,使用傳統(tǒng)的電磁場(chǎng)仿真工具,往往需要幾十G,上百G的計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源以及龐大的計(jì)算能力,進(jìn)行完整的相控陣天線性能評(píng)估,對(duì)天線工程師而言,這不啻于一場(chǎng)噩夢(mèng)。而如果使用簡(jiǎn)單的算法工具使用等效天線模型進(jìn)行相控陣天線合成波束仿真又無法把真實(shí)天線的特性考慮進(jìn)去,仿真精度也得不到保障。此外,相控陣天線是一個(gè)龐大的系統(tǒng),天線后端還有饋電、控制等模塊。如果等天線模塊設(shè)計(jì)好了再去設(shè)計(jì)其它模塊,項(xiàng)目周期會(huì)拖得很長(zhǎng)。

圖1. 相控陣天線

當(dāng)前,在進(jìn)行相控陣天線仿真時(shí),主要是應(yīng)用EMPro+SystemVue這兩個(gè)軟件結(jié)合進(jìn)行仿真,這套陣列天線仿真流程相比傳統(tǒng)其它的方法,可以在保證仿真精度的條件下,大幅度節(jié)省仿真時(shí)間,提高仿真效率。

EMPro+SystemVue陣列天線仿真流程包括以下步驟:

• 第一步,單個(gè)天線陣元的設(shè)計(jì):使用EMPro軟件對(duì)單個(gè)天線陣元進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化并輸出天線的特征文件。

  
  

• 第二步,陣列天線的前仿真:將已得到的天線陣元特征文件導(dǎo)入到SystemVue軟件中,進(jìn)行天線陣列的設(shè)計(jì)和仿真。SystemVue軟件中已預(yù)置多種相控陣天線布陣模板,包括線陣、矩形陣、三角陣、圓周陣等,也可以以三維坐標(biāo)形式輸入各個(gè)陣元位置;陣元間距可調(diào);支持多種窗函數(shù)處理;可以通過Matlab或C代碼接入用戶自定義波控算法。通常完成一次陣列的仿真只需幾秒鐘,就可以快速對(duì)天線陣列的拓?fù)浜托阅苓M(jìn)行評(píng)估。通過仿真得到的各波束角度下所需饋電的幅相信息,可以提供給相應(yīng)工程師進(jìn)行饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

  
  

• 第三步,陣列天線的后仿真:在EMPro軟件中通過Python腳本一鍵導(dǎo)入SystemVue軟件輸出的陣列拓?fù)浜投丝诜嘈畔⒉⒆詣?dòng)將單個(gè)陣元天線擴(kuò)展為天線陣列,自動(dòng)完成端口幅相設(shè)置,可以直接進(jìn)行電磁仿真及驗(yàn)證。同時(shí),也可以進(jìn)一步加入饋電網(wǎng)絡(luò)以及天線罩等進(jìn)行完整天線系統(tǒng)的仿真。

在陣列天線的前仿真階段,由于在SystemVue軟件中使用的是單個(gè)陣元天線的電磁場(chǎng)仿真結(jié)果,天線陣列合成的精度有所保障。下圖是使用單陣元電磁場(chǎng)仿真結(jié)果在SystemVue軟件中合成8X8 陣列天線的方向圖:

圖2. 使用SystemVue進(jìn)行前仿真

將SystemVue輸出的陣列拓?fù)浜投丝诜嘈畔?dǎo)入EMPro軟件進(jìn)行陣列天線仿真。使用EMPro軟件中的FDTD仿真引擎,不到30分鐘就可以得到仿真結(jié)果?？梢钥闯?在SystemVue軟件中進(jìn)行的陣列天線前仿真結(jié)果與使用電磁場(chǎng)仿真工具直接仿真得到的結(jié)果吻合的非常好。

圖3. 使用EMPro進(jìn)行后仿真

EMPro + SystemVue相控陣天線設(shè)計(jì)流程既節(jié)省了前期評(píng)估的時(shí)間,縮短了設(shè)計(jì)周期,又使得各個(gè)模塊的工程師在前期就可以拿到所需指標(biāo),分別開展設(shè)計(jì)工作,降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。助力相控陣天線仿真,EMPro+SystemVue讓噩夢(mèng)不再成真!

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