MVG的Insight软件白皮书2016

　　执行摘要

　　复杂情景中的天线性能分析会因调查中予以考虑的实际细节而产生问题。在这种情况下，测量和数字建模是评估天线性能的基础工具。

　　使用计算电磁学(CEM)工具所创建的数字建模需要对源天线进行特定表述。可通过了解具体的天线特性实现这一点。但在大多数实际情况中，全波表述不可行或不可用。因此天线测量技术被证明是有效的方法。

　　在本文中，您将了解哪些工具和技术可以克服因未知源模型特性和待测量环境复杂性所引起的限制。这一方法基于对天线的等效电流表述，连接测量设备/技术与商业数字计算工具，从而测量用于最复杂测试环境模拟的源天线。

　　前言

　　如要将一个辐射设备部署在大型结构上，比如将天线部署在卫星上、将雷达部署在飞机上或将传感器部署在汽车上，就需要对情景进行调查和优化。由于测得数据的总结性和高度的稳定性，仍需要通过完整的测量对已部署的天线性能进行最终验证，同时在天线部署研究与优化的初始阶段增加数字建模的使用。

　　由于测试情景愈加复杂，因此计算电磁学(CEM)模拟工具正在使用的是域分解技术(DDT)。有时候，在使用第三方提供的天线时，可能没有天线全波表述所需的机械和电子特性，尤其是在CEM工具要求的格式中。为了克服这一问题，可以通过真正的辐射测量确定辐射天线的特性。

　　根据测得的辐射图形，可以确定被测近场源天线的等效电流(EQC)表述并且将其导入用于模拟的 CEM工具。所获得的EQC模型是一个对天线辐射图形的电磁完整表述，并且在DDT的基础上可以在模拟中用作基于惠更斯公式的等效黑盒[1-5]。

　　图1、隔离环境中鲨鱼鳍天线的辐射测量;确定对应的EQC模型。

　　3D空间辐射设备的黑盒表述

　　虽然微波组件黑盒电气表述的开发革新了集成电路的设计，但3D空间辐射设备，如天线等的黑盒表述就没那么成功。微波设备的黑盒表述基于设备物理端口的定义以及S参数所定义的入射波和出射波之间的关系。由于只能通过测量、模拟或供应商获得完整描述设备特性的S参数表述，因此用户常常对设备细节一无所知。

　　与微波组件的S参数类似，可以通过近场(NF)源数据集完整描述3D空间辐射设备的特性。在本文中，基于惠更斯公式，这被定义为表述设备辐射图形的等效黑盒[6]。

　　操作人员可以通过域分解技术 (DDT) 将测试中的情景分成更易管理的分区，从而优化和减少计算成本。实践中，在复杂天线部署问题中使用DDT，便可以通过非常精确的模拟设置独立获得辐射天线的特性，并作为子问题集成到最终的完整情景模拟中。

　　在过去，DDT的使用被严格限制于模拟的问题上，并且必须使用不同的数值方法来解决各种子问题。这一限制，最近已被克服。在MVG的INSIGHT 软件中研发的新技术直接使用DDT，允许真实测量来表征子问题。

　　INSIGHT[7] 是MVG所开发的一款软件，可以使用等效电流(EQC)基于被测场的扩展建立被测天线的精确电磁表述模型 [8-14]。可以从INSIGHT通过多种商业CEM工具导入EQC表述模型用于完整、复杂情景中的模拟和测试。

　　INSIGHT 提供“缺失的环节”，整合数字模拟和天线测量，了解已部署的天线性能。

　　定义链接

　　链接是天线测量设备、CEM数字建模以及适用于CEM解算器的源天线近场测量EQC模型之间的交点。为了详细说明这一步骤，让我们来看一个由双脊喇叭天线提供信号的反射系统。该系统分为两个部分：喇叭天线 (源天线)和反射器，如图2所示。

　　图2、反射系统：MVG SR40-A 反射器，由MVG SH4000双脊喇叭天线提供信号

　　最初测量隔离环境中喇叭天线的辐射图形 (近场和/或远场)。然后对测得的数据进行处理，获得基于惠更斯等式的等效黑盒。然后使用各CEM工具将等效黑盒安装在用于模拟的反射器上。

　　当天线靠近或直接安装在复杂结构上时，源天线的等效电流表述还能带来精确的结果。这一通用流程可以用于复杂环境中任意形状和复杂程度的天线 [1-5]。

　　图3、链接

　　天线测量设备

　　球形、圆柱形或平面扫描表面上的天线辐射图形近场或远场测量同样适用于用于CEM模拟的EQC的准备。大多数情况下，隔离天线的测量不一定需要大型测量设备，并且可使用紧缩的近场测量范围精确、高效测量源天线。实际上，小巧的便携式测量系统非常适合此类测量，因为如同EM实验室中的其他仪器一样，它们可以轻松地与进行模拟的平台一同使用。此外，如果该系统是一个多探针系统，则按比例缩短测量时间。

　　如图4所示，由小巧的便携式MVG StarLab测量系统[15]进行本文中所表述的和用于验证链接的测量。

　　图4、MVG StarLab 18GHz 球形近场多探针系统[14]

　　等效电流处理：近场源建模

　　隔离天线的等效电流表述作为测得的近场模型以表示CEM工具中的源天线。通过使用反源或等效电流/源方法 (EQC) 根据INSIGHT [7]测得的数据计算等效电流表述[9-12]。使用反源方法的关键是其在环绕被测天线(AUT)的任意或通用3D表面上重构EQC的能力。为此，可以在各种类型或形状的天线上使用该方法。图5是一个双脊喇叭天线等效电流重构的示例。

　　图5、根据测得的双脊喇叭天线辐射图形进行等效电流重构以进行诊断。

　　由于EQC可以生成天线表面形状配合表述，因此源天线可以更自由地安装在任何大型结构上的任何位置(最终情景)。在遇到非球面波扩展的情况下建议使用该方法。在球面波扩展中，只能计算源天线最小球面外侧的辐射场 [15]。这一完全围绕源天线的最小半径球面不能与该结果相交，因此源天线不能安装在过于靠近该结构的位置。这样，这一方法只适用于数量有限的实用测试案例。当等效电流处理用于数字建模测得的数据时，环绕天线的基于惠更斯等式的等效黑盒可以为该流程提供足够的精度。图6显示的是作为等效黑盒的双脊天线EQC表述。

　　图6、使用INSIGHT软件根据测得的双脊喇叭天线辐射图形重构等效电流。

　　CEM工具中的数字模拟

　　当在INSIGHT中创建源天线的等效黑盒时，可以将黑盒应用于多种CEM工具。CEM解算器会将黑盒视为天线在任何模拟情景中的完整表述。在没有更多其他信息的情况下使用黑盒法进行模拟。优点：无需对源文件进行修改并且可以在任何待测情景中使用EQC表述，即便是最复杂的也不例外。可以通过多种商业CEM解算器导入INSIGHT中计算的等效电流表述模型[16-21]，参见图 7。

　　图7、INSIGHT 的 EQC 源模型可以导出到多个可用的CEM工具。

　　图8所示的是使用测量、INSIGHT和CEM模拟工具(图3)之间的链接获得的模拟远场辐射图形。

　　图8、通过链接获得的模拟3D远场图形 (测量安装在反射器上的源，频率 8 GHz) [17]。

　　验证链接：证明数据和结构

　　为了验证天线测量和CEM模拟之间的链接，已经对不同的案例情景进行了测试(参见图9)。目标首先是证明这项技术的精确性，其次是展示这项技术能够灵活应用于多种不同的商业计算电磁学模拟工具。

　　图9、测量和模拟间链接的验证活动测试案例。反射天线的信号来自于喇叭天线 (a);水平结构上的嵌装单极锥天线和开口波导 (b);弧形结构上的嵌装单极天线 (c);作为红箱的等效电流表述。

　　验证过程中考虑了3种测试案例：

　　a) 由喇叭天线提供信号的反射天线;

　　b) 水平结构上的嵌装单极锥天线和开口波导;

　　c) 弧形结构上的嵌装单极天线。

　　之前在隔离环境中测得的天线等效电流表述已被提供给6家CEM工具供应商。对各供应商的结果进行对比，并且按照最终情景的标准测量进行比较。标准测量包含在测量系统中完全确定的完整最终情景中的天线辐射图形。

　　已向6家软件供应商提供相同的信息(基于惠更斯等式的等效黑箱，可对源天线进行建模)。为了保持验证活动的精神和效果，在整个活动期间，各软件供应商交换数字模拟结果。

　　本文只展示了水平结构上的嵌装单极锥天线示例。