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