仅仅模拟天线是不够的:分析完整天线系统与环境的关系

相控阵天线系统(PAAS)是一种可以在不物理移动天线的情况下改变辐射模式形状和方向的天线阵列。通过放置天线在一个阵列中，各个天线传输的信号相互加强，工程师可以在特定方向上获得更好的增益、方向性和性能。

从国防雷达应用到商业应用，PAAS的应用无处不在5克。它们通常被放置在移动平台上，如船舶、飞机、卫星和卡车。然而，移动平台增加了一定程度的困难，瞄准辐射模式在期望的方向。其他挑战来自天线-天线相互作用和天线-平台相互作用，因此在构建平台时使用的天线和材料的放置可以在PAAS的效率中发挥重要作用。

设计这些天线阵列涉及复杂的数学，不容易用手解决。Ansys基于全场三维电磁仿真软件对于快速轻松地应对这些挑战非常有帮助。

分析PAAS交互变量

PAAS有多个子系统等天线阵列、发射-接收模块(TRMs)、阵列波束形成模块等。天线阵列后面的有源电子元件被封闭在一个金属盒中，或放置在天线地平面后面，以避免不必要的耦合。

的基于分析研究天线单元单元、有限阵列和在大平台上的放置效应。在本文中将重点介绍的示例中，大型平台是海军舰船的钢桅杆。如此大质量的金属的接近会对天线及其发出的辐射模式产生重大影响。此外，为了在舰船移动时保持波束对准目标，发射波束的角度将随着舰船方向的变化而经常改变。有效的PAAS必须在所有传输角度上产生令人满意的光束形状和范围。

HFSS结合了各种模拟技术，如基于3D组件的有限阵列域分解(FA-DDM)、矩量法(MOM)和射射线和反射射线(SBR)，以最小的计算资源高效地分析大范围扫描角度上的波束形式。我们将分析一个256元有限天线阵列，包括宽带宽(BW)和宽半功率波束宽度(HPBW)的基于u槽的微带贴片天线(UMSA)。每个UMSA被衬底集成波导(SIW)壁包围，模拟金属腔以减轻相互耦合效应。这些参数是保证PAAS的宽频带和宽扫描性能所必需的。

确定扫描角度效果

我们使用基于siw的UMSA对64元有限数组进行建模，如图1所示。我们使用32核和376 GB RAM的高性能计算(HPC)分析了不同频率点和扫描角度的结构。使用基于3D组件的阵列仿真特性，HFSS在28分钟内使用32核机器解决了64元素PAAS，最大利用率为20 GB RAM。

图2显示了有限阵列图像的模拟和测量阵列模式性能的比较，显示了HFSS模拟和物理测量之间的良好一致性。图3显示了三维辐射图。你可以看到峰值增益为20 dBi和峰值旁瓣电平优于-13 dB，所有阵列元素均被均匀激发——这是天线阵列所期望的特性。通过使用HFSS中的内置脚本对波束形成相位梯度进行后处理，可以估计扫描角度的影响，而无需重新进行模拟，从而节省了大量时间。

这些结果表明了HFSS如何有效地模拟大范围扫描角度下的波束模式，从而使天线能够从移动平台跟踪目标。

天线平台交互

现在让我们考虑安装平台:一艘海军舰艇，船上有许多其他电子设备和各种结构(见图4)。

256单元天线安装在舰上的桅杆上，如图4中突出显示。图5显示了天线安装在不同转向角度(0度和45度)的桅杆一侧时的性能。从安装图样上可以清楚地看到较大扫描角的光栅瓣的效果。图6显示了安装在桅杆的两个面时天线对天线的耦合。图7显示了在不同扫描角度下估计的两个天线阵列之间的相互耦合模拟。

这些结果表明，HFSS提供的分布式计算系统能够以最少的计算资源解决复杂的相控阵天线平台。在实际应用中，分析复杂平台和环境对天线性能的影响是正确预测天线性能的必要条件。

充满信心地模拟

我们可以模拟一个复杂的相控阵天线系统Ansys基于在考虑复杂激励、环境(即附近天线)和平台对其性能的影响的情况下，在合理的时间内以较低的计算成本实现。孤立天线阵列的仿真结果与实测值吻合较好，为Ansys仿真提供了更大的信心。这种信心有助于缩短产品开发周期。不同的求解器无缝地一起工作，以扩展模拟计算阵列到阵列的耦合和平台的相互作用，在这些电大的模型上，这是很难在现实世界中测量的。

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