阵列天线设计流程与高级培训

阵列天线设计流程与高级培训@ANSYS中国2•阵列天线与仿真流程•宽带无限大阵列仿真•实际有限大阵列仿真方法与技巧•阵列RCS评估•新一代场路耦合收发模块设计方法•馈电系统与阵列天线的双向耦合仿真•阵列与载体平台•多物理场（热，结构）主要内容341背景阵面设计场路耦合更多实际条件阵列天线的应用需求•电扫描天线阵列由于诸多优点成为主流；•阵列规模大，仿真存在挑战；•T/R组件集成，耦合效应强，要求精度高；•平台效应以及实际工作时的多物理场效应，影响设计指标相控阵列天线系统概述有源通道天线阵列运载平台I500InputBFNAmpCirculator模块级设计要点T/R模组天线阵列1）单元超宽带设计2）阵列高增益、低副瓣3）方向图赋形4）扫描盲区预评估5）低天线RCS6）通道宽带化设计7）大功率射频发射模块：TWT,铁氧体移相器，PA（无源）8）基于MMIC的T/R模块（有源相控阵）9）天线信号处理与DBF技术（有源相控阵）I500InputBFNAmpCirculatorI500InputBFNAmpCirculator系统级设计难点1）天线与有源T/R模组的相互作用（有源）2）T/R模组的系统稳定性（有源）3）带运载平台的方向图畸变4）评估带运载平台的天线系统的扫描盲区5）对飞机内电缆的电磁干扰（EMI）有源通道天线阵列运载平台波束成形广域搜索–余割平方波束聚束模式－泰勒权重16单元组阵天线单元的幅相控制功率分配波束形成网络(BFN)(幅度/相位)功放环形器天线单元复制n个TransmitReceiveExampleT/RModule发送/接收(T/R)模块功能框图新的设计手段：系统集成化开发天线＋T/R组件功率分配波束成形(BFN)功放天线单元环形器关键问题与仿真技术2•阵列天线与仿真流程•宽带无限大阵列仿真•实际有限大阵列仿真方法与技巧•阵列RCS评估•新一代场路耦合收发模块设计方法•馈电系统与阵列天线的双向耦合仿真•阵列与载体平台•多物理场（热，结构）341背景阵面设计场路耦合更多实际条件Ansoft解决方案•电磁部件–•设计管理–•电路仿真–•热(散热)/应力(变形)–ANSYSMechanical–ANSYSFluent•工程化选项：HPC，DSO，HFSSforECAD，。。。所需的仿真技术系列RadiationCouplingNonlinearMaterialsNonlinearCircuitThermalMatchingFrequency2.天线阵面设计辐射单元HFSS中的3D电磁场仿真微带准八木天线（集成巴伦）铁氧体环形器回波损耗远场辐射方向图AntennaDesignKit天线快速设计助手GUI-basedwizardtool•Automatesgeometrycreation,solutionsetup,andpost-processingreportsfor50commonantennaelements•AssistsinlearningtouseHFSSforantennadesignParametricantennageometry•EasilymodifyparametersinHFSSaftergeneratinginitialmodel•FacilitatesparametricsweepsandoptimizationsSynthesisfeatureforeachantenna•Automaticallygeneratesphysicaldimensionsfordesiredfrequency•ProvidesstartingpointfornewdesignsAvailableAntennaTypes(part)WireDipolePlanarDipoleRectangularPatchEllipticalPatchPyramidalHornE-planeSectoralHornH-planeSectoralHornConicalHornCircularWaveguideRectangularWaveguideArchimedeanSpiralLog-SpiralSinuousSpiralWireDipole16x16单元天线阵•256Y-极化准八木天线单元15mmx15mm单元尺寸•50o圆锥扫描频段9GHz～11GHz天线阵介绍天线阵分析方法忽略阵列边缘效应不支持各单元任意幅相馈电计算量小考虑单元间互耦单元法有限大阵列计算量大包含所有电磁效应验证设计2.1天线阵面设计－单元法单元法仿真准八木天线天线单元仿真时采用周期性边界条件，使Slave边界上的场不Master边界上的场相同或加入固定相差天线单元采用微带T线馈电，设置为波端口在辐射场上方采用Floquet端口可结合Optimetrics模块中对相角(qs,fs)的参数化扫描来预评估扫描盲区MasterSlaveFloquetPortFloquet模式将天线阵的辐射场分解为一组向各个方向传播的平面波之和•类似于波导模式，将波导内的场分解为TE和TM模式•TEFloquet模式是f极化平面波•TMFloquet模式是q极化平面波•随天线阵的工作模式丌同，有的场模式是传输的，有的呈消逝模每种传输的Floquet模式(平面波)代表一种传输的波瓣•主模(TEoo&TMoo)即主波束•高次传输模式代表栅瓣阵中单元方向图是根据主Floquet传输系数直接在HFSS中计算得到的Floquet模式介绍S11(dB)更快捷的结果显示•直接通过端口S参数矩阵生成阵中（有源）单元方向图•通过揑值扫频即可得到各扫频频点处的远场辐射特性提升对设计的洞察力•揑值扫频可快速扫描更多更连续的频点从而更易观察扫描盲区•详细的增益扫描曲线让设计者更了解单元性能•Floquet传输系数使扫描盲点、方向图栅瓣和表面波的研究更加方便精度更高•对辐射能量的吸收丌受入射波角度的限制•对频率选择性表面的研究提供详细的幅度和相位信息Floquet端口的作用定义栅格•a和b矢量可定义单元间的周期性及单元间距•Floquet端口的面定义了一个15mmx15mm的正方形栅格.定义模式•未定义的模式将被反射回模型内•Floquet端口的模式最好包含所有衰减在40dB以内的模式以确保一定的精度•模式计算器可计算出每个模式的衰减Floquet端口设置MasterSlaveFloquetPort对于大部分扫描角度及频点而言，单元天线的回波损耗普遍优于10dB单元天线的回波损耗除以下角度以外•(f,q)=(90,60)•(f,q)=(90,55)•(f,q)=(90,50)•(f,q)=(0,60)•(f,q)=(0,55)•(f,q)=(90,45)蜘蛛图可提供一种优化单元匹配的便捷方法•在SmithChart上显示若干频点上输入阻抗在扫描空间内的变化•当Smith圆图的圆心位于所有曲线中心时，为最理想的匹配效果优化单元匹配10dBRLCircleF=90oplaneat11GHzviolatesthe10dBReturnLossrequirementandcannotberesolvedbyimprovingtheelement’smatchF=90oScanPlane有源阵中单元方向图的角度扫描特性E-PlaneScanBlindness)cos(420,020,02sTETMAGGaincalculateddirectlyfromFloquetTransmissionCoefficients•Speedsupplotcreation•InterpolatingSweepimprovesfrequencyresolution•Fieldsnolongerneedtobesaved•ReducessolutionsizeReducedGainintheE-Plane&H-Plane有源阵中单元方向图的频率扫描特性GainReductionat(f,)=(90o,50o)栅瓣图中显示了f=0和f=90度平面上可能出现的栅瓣.•TE-1,0,TM-1,0,TE0,-1,TM0,-1Floquet模式的传播常数说明导致栅瓣的高次模式在扫描角度空间中无法传播栅瓣预测FloquetModesTM-1,0@(f,)=(0o,60o)TE-1,0@(f,)=(0o,60o)TM0,-1@(f,)=(90o,60o)TE0,-1@(f,)=(90o,60o)FloquetModesTM-1,0@(f,)=(0o,55o)TE-1,0@(f,)=(0o,55o)TM0,-1@(f,)=(90o,55o)TE0,-1@(f,)=(90o,55o)表面波引起的扫描盲点GratingLobeSurfaceWave通过对问题频点的场显示及角度扫描収现表面波是导致增益降低的关键在Floquet端口的帮助下収现了表面波问题•可进行更细致更多的频点研究•通过揑值扫频可以用更少的时间和计算资源収现表面波通过电场作图显示表面波虽然单元法快速，高效但是1.辐射方向必须与周期方向成法向2.边缘效应和二次耦合考虑不精确3.不能实现任意幅相配置馈电4.。。。所以单元法的不足2.2天线阵设计－有限大阵列FA-DDM2.0阵列天线的仿真方法单元法全阵整体仿真验证设计忽略阵列边缘效应不支持各单元任意幅相馈电计算量小考虑单元间互耦计算量大包含所有电磁效应FA-DDM精确验证整体仿真-FA-DDM•通过复制的DDM单元复现阵列问题•几何模型和网格从单元模型直接复制•单元几何通过简单的图形界面扩展为有限大阵列•网格模型通过单元仿真时的自适应网格导入–极大的缩短了有限大阵列问题中的网格剖分时间.–网格的周期性很好的重现了阵列的周期性.FA-DDM——有限大阵列域分解方法域分解算法求解有限大阵列•单个阵元均被作为一个求解子域•每个子域被分配到一个计算节点上进行并行求解Distributeselementsub-domainstonetworkedprocessorsandmemoryHFSS中的有限大阵列工具带来的好处:1.同样的硬件条件下可求解更大的阵列2.得到不HFSS全模型求解同样精确的结果3.使得利用域分解(DDM)技术可高效求解大型阵列问题4.使得将主从边界单元转换称有限大阵列变得非常容易FA-DDM工具优势256个考虑金属厚度的Vivaldi单元单元间的互耦系数可直接通过有限大阵列仿真结果中的S参数获得有限大阵列仿真中提供互耦系数-35.8dB-29.4dB-23.0dB-17.9dB-21.8dB-29.3dB-32.9dB-31.2dB-22.3dB--22.4dB-30.6dB-36.3dB-33.2dB-36.4dB-29.1dB-22.0dB-18.3dB-22.8dB-29.7dB-36.1dB阵中单元方向图由于边缘效应顶端出现起伏•本阵列的边缘效应在E-面比H-面更显著•在正负60度范围内增益的Offset£1dB边缘效应在有限大阵列中单元方向图中的体现呈泰勒分布的有限大阵列方向图SLL=-27dBfrompeakPeak=45°GainGoal有限大阵列算法FA-DDM2.0FEBI边界有限大阵列域分解(FA-DDM)Newinv15带哑单元的阵列蒙版Newinv15MPINewinv15合成激励方式v15辐射场截断边界吸收边界(ABC)可模拟自由空间中的阵列该边界的反射会影响到阵列的方向图或匹配ABC3种选择:•辐射边界•理想匹配层(PML)•FEBI边界精度示例-FA-DDMvs直接阵列求解圆波导组成的547个单元六边形阵列•两种方法中均设置辐射面按照lambda/6密度剖分实线:FA-DDM带圈:Explicit实线:FA-DDM带圈:Explicit直接全模计算的阵列结果不FA-DDM计算的阵列结果辐射方向图在~60dB动态范围内均吻合。Phi=0deg切平面Phi=90deg切平面有限大阵列精确算法FA-DDM2.0阵列蒙版功能赋形阵列/