這種仿真流程讓相控陣天線仿真不再是一場噩夢【轉發】

2017-06-30 by:CAE仿真在線來源:互聯網

編者注:什么是相控陣天線?相控陣天線是目前衛星移動通信系統中最重要的一種天線形式,由三個部分組成:天線陣、饋電網絡和波束控制器?；驹硎俏⑻幚砥鹘邮盏桨ㄐ欧较虻目刂菩畔⒑?根據控制軟件提供的算法計算出各個移相器的相移量,然后通過天線控制器來控制饋電網絡完成移相過程。由于移相能夠補償同一信號到達各個不同陣元而產生的時間差,所以此時天線陣的輸出同相疊加達到最大。一旦信號方向發生變化,只要通過調整移相器的相移量就可使天線陣波束的最大指向做相應的變化,從而實現波束掃描和跟蹤。相控陣天線技術在雷達、通信、電子戰、導航等領域獲得了廣泛應用?！八_德”那么牛B,其實它就使用的就是相控陣天線,未來5G的應用也會使用大量的相控陣天線。

相控陣天線的優點:

(1)在計算機控制下波束指向靈活,能實現無慣性快速掃描,數據率高;

(2)一個雷達可同時形成多個獨立波束,分別實現搜索、識別、跟蹤、制導、無源探測等多種功能;

(3)目標容量大,可在空域內同時監視、跟蹤數百個目標;

(4)對復雜目標環境的適應能力強;

(5)抗干擾性能好。全固態相控陣雷達的可靠性高,即使少量組件失效仍能正常工作。

缺點:

結構復雜(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°。當需要進行全方位監視時,需配置3~4個天線陣面。

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

使用電磁場仿真工具進行天線仿真已經成為天線設計工程師的必要手段。建立天線幾何結構、輸入材料屬性,設置端口、邊界條件、網格剖分參數及收斂條件,運行仿真就可以得到天線的性能參數。對于有經驗的工程師,無需過多的調整很快就能得到與實際測試相近的仿真結果。而對于相控陣天線設計來講,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仿真分析,如需要評估不同的天線布陣形式、天線間距對合成方向圖的影響;需要進行相控陣天線合成波束的主瓣寬度、增益、旁瓣抑制、輻射零值點以及波束掃描范圍、陣元幅度加窗處理效果等仿真工作。對于由幾十個、上百個甚至上千個陣元天線組成的相控陣天線系統,如果每次更改布陣、陣元間距都重新對天線陣進行電磁場仿真,使用傳統的電磁場仿真工具,往往需要幾十G,上百G的計算機內存資源以及龐大的計算能力,進行完整的相控陣天線性能評估,對天線工程師而言,這不啻于一場噩夢。而如果使用簡單的算法工具使用等效天線模型進行相控陣天線合成波束仿真又無法把真實天線的特性考慮進去,仿真精度也得不到保障。此外,相控陣天線是一個龐大的系統,天線后端還有饋電、控制等模塊。如果等天線模塊設計好了再去設計其它模塊,項目周期會拖得很長。

圖1. 相控陣天線

當前,在進行相控陣天線仿真時,主要是應用EMPro+SystemVue這兩個軟件結合進行仿真,這套陣列天線仿真流程相比傳統其它的方法,可以在保證仿真精度的條件下,大幅度節省仿真時間,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,單個天線陣元的設計:使用EMPro軟件對單個天線陣元進行設計和優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入到SystemVue軟件中,進行天線陣列的設計和仿真。SystemVue軟件中已預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,也可以以三維坐標形式輸入各個陣元位置;陣元間距可調;支持多種窗函數處理;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,就可以快速對天線陣列的拓撲和性能進行評估。通過仿真得到的各波束角度下所需饋電的幅相信息,可以提供給相應工程師進行饋電網絡的設計。
第三步,陣列天線的后仿真:在EMPro軟件中通過Python腳本一鍵導入SystemVue軟件輸出的陣列拓撲和端口幅相信息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,可以直接進行電磁仿真及驗證。同時,也可以進一步加入饋電網絡以及天線罩等進行完整天線系統的仿真。