搜索一種基于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(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于相控陣天線的設(shè)計(jì)中[1]。相控陣天線仿真,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分析[2]。對于由幾十、上百甚至上千個(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(jìn)行仿真,需要消耗巨大的硬件和時(shí)間資源,效率很低;如果使用普通的算法工具去計(jì)算陣列天線合成波束,無法考慮真實(shí)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?fù)浜头嘈畔⒖焖贉?zhǔn)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(biāo)。
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(jié)合起來。該方法既大大節(jié)省了相控陣天線仿真評估的時(shí)間,縮短了天線陣列設(shè)計(jì)周期,又使得相控陣系統(tǒng)各個(gè)模塊的工程師在設(shè)計(jì)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,同時(shí)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(gè)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(gè)輻射單元的性能。在這一步完成之后,可以把記錄有單個(gè)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(gè)輻射單元特征文件導(dǎo)入系統(tǒng)級仿真軟件SystemVue中,利用數(shù)學(xué)算法進(jìn)行整個(gè)相控陣天線的仿真[3]。
SystemVue軟件中預(yù)置了多種相控陣天線布陣模板,也可以以三維坐標(biāo)形式自定義輸入各個(gè)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(biāo)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(diǎn)以及陣元幅度加窗處理效果等。使用SystemVue進(jìn)行相控陣天線的仿真速度非?？?一次仿真只需幾秒鐘的時(shí)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?fù)浜?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?fù)湫畔⒑退卸丝诜嘈畔?dǎo)入到第一步所使用的單個(gè)天線陣元的EMPro文件里,并自動(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,從而能夠直接使用EMPro對SystemVue所設(shè)計(jì)出的整個(gè)天線陣列進(jìn)行全波電磁仿真及驗(yàn)證。圖1是這一仿真方法的流程圖。
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(diǎn):
1、在利用系統(tǒng)級仿真軟件SystemVue仿真天線陣列時(shí),使用的是通過電磁仿真得到的單個(gè)天線陣元特征文件,能夠?qū)?shí)際的天線信息考慮進(jìn)去。
2、使用SystemVue對天線陣列進(jìn)行仿真,即使陣元數(shù)目達(dá)到上千個(gè),一次也僅需幾秒鐘,內(nèi)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(wù)器集群,動(dòng)輒花費(fèi)幾天甚至幾周時(shí)間,消耗幾十甚至上百G內(nèi)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(shè)計(jì)者在短時(shí)間內(nèi)能夠大量嘗試各種陣列拓?fù)?大大提高了陣列天線的設(shè)計(jì)效率。
3、相控陣系統(tǒng)是一個(gè)龐大復(fù)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(shè)計(jì)后再去設(shè)計(jì)其它模塊,整個(gè)相控陣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期會(huì)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(shè)計(jì)者就可以根據(jù)仿真結(jié)果去做自己的設(shè)計(jì),有效縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期。
4、SystemVue和EMPro兩個(gè)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?fù)浜投丝诜嘈畔⒑?可以直接通過腳本將這些信息導(dǎo)入EMPro,陣列天線的設(shè)計(jì)者無需再在EMPro中對整個(gè)陣列進(jìn)行建模,更不需要對各個(gè)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(dāng)天線陣列陣元繁多時(shí),這個(gè)腳本帶來的優(yōu)勢非常明顯。
5、在EMPro中進(jìn)行整個(gè)天線陣列的電磁仿真,一方面能夠和SystemVue中的仿真做結(jié)果交叉驗(yàn)證,保證整個(gè)仿真流程每一步結(jié)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(biāo),例如S參數(shù)、天線輻射效率等,并可以進(jìn)一步加入饋電網(wǎng)絡(luò)以及天線罩等結(jié)構(gòu)進(jìn)行更貼合實(shí)際的天線陣列電磁仿真。
總的來說,從相控陣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度,這套方法降低了不同模塊設(shè)計(jì)者彼此工作的依賴程度,降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,有效縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期;從相控陣天線的設(shè)計(jì)角度,這套方法大大減少了陣列天線仿真的試錯(cuò)成本,在不降低仿真精度的前提下,有效提高了陣列天線設(shè)計(jì)的效率。
3 實(shí)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(diǎn)在28GHz的貼片相控陣天線做了仿真驗(yàn)證。圖2展示了單個(gè)天線陣元的結(jié)構(gòu)及使用EMPro仿真得到的方向圖。
圖 2 單個(gè)輻射單元結(jié)構(gòu)及方向圖
首先驗(yàn)證的是陣元間距0.5λ的16×16方陣,以主瓣朝向θ=15°,φ=15°為例,圖3是SystemVue中的原理圖,天線拓?fù)浜头抡娣较驁D,圖4是完成導(dǎo)入后EMPro里的天線結(jié)構(gòu)圖和方向圖。可以看到前仿真與后仿真結(jié)果吻合的非常好。
圖 3 方陣前仿真原理圖,陣列拓?fù)浼胺较驁D
圖 4 方陣后仿真天線結(jié)構(gòu)圖及方向圖
圖5和圖6分別是對陣元間距0.7λ的61陣元六角陣,在主瓣朝向θ=15°,φ=30°情形下做前仿真和后仿真的拓?fù)浼敖Y(jié)果圖。前仿真和后仿真吻合度很高。
圖 5 六角陣前仿真陣列拓?fù)浼胺较驁D
圖 6 六角陣后仿真陣列拓?fù)浼胺较驁D
作者也對其它二維、三維天線陣列拓?fù)渥鲞^仿真驗(yàn)證,結(jié)果也都吻合,受篇幅限值,這里不再給出更多驗(yàn)證結(jié)果。
4 結(jié)論
本文針對當(dāng)前相控陣天線仿真的難點(diǎn)、痛點(diǎn),提出了一種用于相控陣天線仿真的新方法。該方法將全波電磁仿真軟件EMPro與系統(tǒng)級算法軟件SystemVue結(jié)合起來,可以大大提高相控陣天線的設(shè)計(jì)效率,縮短整個(gè)相控陣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期。仿真實(shí)例表明,該方法是合理而可靠的。
參考文獻(xiàn)
1 陳立,潘誼春,鄭凱. 相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展[J]. 艦船電子工程,2009,(5):13-17
2 向前,王萌. 相控陣天線方向圖仿真方法評估[J]. 艦船科學(xué)技術(shù),2014,36(4):120-122
3 魏文元,宮德明,陳必森. 天線原理[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,1985
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