利用3D电磁EM软件实现复杂天线系统的仿真

　　复杂的电路和三维EM仿真工具已达到可以在制作之前对复杂的系统级行为进行仿真的地步。在电路仿真的同时进行EM仿真，产生了对复杂天线系统进行设计和测试的强大平台。几个有利的仿真技术允许进行复杂的设计，同时在这些应用中重复出真实世界的系统级行为。

　　依照如下的过程来设计一个小型的宽带相控阵雷达天线，当将其安装到飞机上时，涉及到辐射单元设计、馈电网络以及性能分析等。作为这一过程的一个实例，可以采用基于仿真的设计流程来用于先前已经公布的天线系统，在飞机上的天线罩后面进行安装时，除了天线性能以外，这一工作可以扩展到将供电电路的影响包含在内。从这个例子中可以很明显的看出，复杂天线系统的行为是可以利用商业3D电磁（EM）软件以及先进的电路仿真软件来进行预测的。

　　基于仿真的设计流程

　　这一工作的目标就是要通过设计安装在飞机平台上的低成本相控阵系统，来对基于仿真的设计流程进行演示。图1是该天线系统和平台安装的概览。该系统包括一个安装在固定翼飞机天线罩内的四元Vivaldi阵列天线。该阵列是由有源的Tx/Rx电路来提供信号，该电路采用了传统的微带电路技术，以及MMIC LNA和Pas。

　　按照如下过程对微波电路进行设计和仿真，这一过程对微波工程师而言是非常熟悉的。采用传输线电路器件的分布式模型来构建滤波器或匹配网络等电路。通过将这些器件级联在一起，工程师们可以在构建原型之前在电脑上对这些电路进行设计和仿真。只要在其工作范围内在频率、尺寸和衬底参数等方面使用分布式模型，那么仿真结果是准确的。通过提供更详尽的物理提取，先进的EM仿真器协助电路仿真器进行工作，物理提取在器件之间捕获器件性能以及相互作用。结合了EM仿真的电路仿真器允许工程师通过计算机重复进行提取、仿真和验证来对设计进行优化。这一概念可以扩展到天线设计。然而，还需要将电路与电磁仿真结合在一起的崭新尖端技术，这是因为天线一般不具备用于仿真的电路模型。动态链接、推入激励（Pushed Excitation）以及数据链路都是软件技术，其提供了实现复杂天线系统仿真的技术。

　　动态链接是一项在电路和EM仿真器之间提供了双向连接的技术。微波工程师所熟悉的采用EM仿真来产生元件及电路的S参数模型并不包含在电路仿真库中。这些S参数通常被作为一种静态黑箱组件添加到电路中。动态链接自动实现并扩展了这一进程。一个完整的参数化EM模型被连接到电路，并且其行为就像任何其它电路模型一样。双向连接允许如尺寸和材料性能等参数被传递给EM仿真器，然后将S参数结果返回。在EM模型中所解得的尺寸之间先进的多维插值，在提供高精度全波电磁仿真的同时，保证了电路仿真的速度。

　　推入激励是一项关闭电路和电磁之间环路的技术。电路仿真对电路所有节点和支路分别计算电压和电流。这些电压和电流可被用作EM模型的激励，以便工程师们能够实现对场的可视化，并计算出二次辐射模式。

　　数据链路通过利用电磁等效原理结合了多个EM仿真项。在3-D场求解器高频结构仿真器（HFSS）中，采用有限元方法在有限的3-D量中来计算场。该量外表面上的切向场可以用于计算近区或远区的辐射场。数据链路技术在第一个HFSS项的表面采用切向场来作为第二个HFSS项的激励。该项之间的连接允许工程师们有效地仿真非常庞大和复杂的几何形状。举例来说，第一HFSS项可含有极为详细的天线模型。然后，从天线辐射出的场可以再被连接到包含天线罩的第二HFSS项。被连接的组合可以采用较大天线罩的宏行为来分析天线的精细细节。

　　天线系统概论

　　图2描述了宽带斜槽天线1×4阵列中的单个单元。每个单元包括一个Vivaldi天线、微带多路复用器、低噪声和功率放大器以及移相器。如图2所示，Vivaldi天线具有指数斜槽，其在GHz频率提供了超带宽，主平面中具有高交叉极化隔离的线性极化，以及低旁瓣。通过使用具有巴伦的槽线到带状线转换，VSWR小于2，这可以在几倍频程之上实现。

　　如图3所示，馈电网络为4通道全双工系统，其包含有多路复用器、Tx/Rx放大器模块及移相器。选定微带多路复用器作为传统循环器的低成本、易制造的替代品。多路复用器和Tx/Rx模块的顶部都是向外发射波，而下半部是返回的接收波。在每个多路复用器中有4个信道。两路是用于两个发射频率（10GHz和19GHz），而另两路是用于两个接收频率（12GHz和21Ghz）。该全双工设计支持同步发射和接收。

　　设计和仿真

　　多路复用器中四个滤波器中的每一个都采用了通常数量截面的耦合线谐振器法。截面的尺寸被调整为将每个滤波器调谐为其中心频率并消除寄生、高阶谐波。将该滤波器谐振器长度在电路仿真器中进行参数化调整，调整为适当的带通中心频率（10GHz、12GHz、19GHz或21GHz）。通过调整微带传输线的宽度及其之间的孔隙间隔来消除杂散通带。这一工作采用具有分布式器件模型的传统微波电路进行仿真。

　　一旦完成四个滤波器，添加组成多路复用器的其余器件（T形、908弯、传输线等）来完成这一构造。然后，多路复用器的电路仿真旨在实现中心频率和插入损耗的快速确认。采用平面矩量法（MoM）求解器来捕捉所有电路元件中的复杂耦合行为从而实现了最终的设计仿真。

　　下一步就是设计和仿真Vivaldi天线阵。单个Vivaldi单元设计被分成两个部分。首先是优化巴仑和槽线，其二是优化锥体。最初所选择的巴伦尺寸是基于先前Dan Schaubert和Richard Lee所独立做出的建议。通过依照实时调谐对巴伦尺寸进行参数化求解，采用HFSS对巴仑和槽线进行精细设计。

　　通过采用动态链接的电路仿真来连接HFSS，从而完成最初的锥体。图4说明了斜度如何是解构为具有不同孔隙宽度的级联传输线。片断、传输线宽度、长度及其之间的孔隙可以在HFSS中快速地参数化。每个片段沿其长度是均匀的，所以采用唯一端口的解决方案来建立可用于电路仿真的W单元电路模型。最后的片断可以被连接到代表自由空间阻抗的377电阻，或者连接到HFSS的辐射边界。后者的方法是用于这方面的实例。

　　一旦，采用级联网络获得了最佳形状，耦合线的孔隙距离拟合为锥体方程的曲线。该方程被反馈回采用用户定义原语（UDP）的HFSS。最后的堆包括了两个被RT/Duroid 5870介质分离开的铜接地面。

　　采用最终的单一单元设计，制作了四份并组装成一个阵列。然后，采用一系列推入激励对该阵列进行测试，其行为是众所周知的。举例来说，相位序列{0°、60°、120°、180°}众所周知可以产生大约22°的波束角。当理想激励输入时，图5中所示的结果确认了阵列的良好行为。

　　其次，该阵列与图3中的Tx/Rx模块进行集成，以便可以实现全耦合天线系统的仿真。采用动态链接和推入激励法来研究天线的辐射性能，同时还包括了馈电网络。

　　在一项测试实例仿真中，每个Tx/Rx电路被输入符合22°波束角的推入激励。此外，改变每个单元的输入幅度和相位，来仿真测量到的原型阵列所累积的制造公差[2]。理想推入激励的结果与这一测试实例进行了对比。两个实例之间差异结果出现在较低频率的旁瓣，并且在扫描角有2°的偏移。这一比较说明了制造公差的影响如何在制作之前可以进行测试的。

　　最终目标是将天线系统与固定翼飞机集成在一起。数据链路技术可以用来有效地解决这一计算密集型工作（图6）。该天线系统和天线罩被分别构建作为单独的HFSS项目。每一组成项目在HFSS中单独求解，并在串级链方式中通过数据连接源和目标来组装。源（天线阵）和目标（天线罩）经数据连接，以便该天线阵是天线罩目标项目的辐射源。传送给Tx/Rx电路的推入激励被用来获得22°的扫描角。然后，来自Vivaldi阵列的结果被用来作为天线罩项目的源。所以，在天线罩内外产生的场是符合22°波束扫描的。

　　将仿真技术用于微波系统

　　随着项目仿真次数的减少，以及构建模型的过程变得更加自动化，仿真价值的主张将变得更加显著。这对微波系统将是特别真实的，例如这里所讨论雷达的应用。这两个设计流程的实例介绍了当电路和EM仿真被智能化地集成在一起时，相控阵天线及馈电网络系统（一个是1×4 Vivaldi阵和馈电网络的制造公差；另一个是连同其观测到的场辐射行为一起，与固定翼飞机的天线罩进行集成的阵列）揭示出仿真可以提供对系统行为的详细了解。