阵列天线设计流程与高级培训
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setup, and post-processing reports for 50 common antenna elements
• Assists in learning to use HFSS for
antenna design
Parametric antenna geometry
• Easily modify parameters in HFSS after
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
单元天线的回波损耗
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
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)
Floquet Port Slave Master
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
Floquet 模式介绍
Floquet 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 • TE Floquet 模式是 f 极化平面波 • TM Floquet 模式是q 极化平面波 • 随天线阵的工作模式不同，有的场模式是传输的，有的呈消逝模
15mm x 15mm 单元尺寸
• 50o 圆锥扫描
频段9GHz ～11GHz
天线阵分析方法
设计
单元法
计算量小 考虑单元间互耦 忽略阵列边缘效应 不支持各单元任意幅相馈电
验证
有限大阵列
包含所有电磁效应 计算量大
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 边界上的场与Master边界上的场相同或加入 固定相差
优化单元匹配
蜘蛛图可提供一种优化单元匹配的便捷方法
• 在Smith Chart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
F = 90o Scan Plane
10dB RL Circle
F = 90o plane at 11GHz violates the 10dB Return Loss requirement and cannot be resolved by improving the element’s match
BFN
Input
I
天线阵列
Amp
Circulator
0
50
6）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）
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RCS
• Provides starting point for new designs
Available Antenna Types (part)
Planar Dipole
Wire Dipole
Rectangular Patch
Elliptical Patch
Pyramidal Horn
E-plane Sectoral Horn
Floquet Modes
TM-1,0 @ (f,)=(0o ,55o) TE-1,0 @ (f,)=(0o ,55o) TM0,-1 @ (f,)=(90o,55o) TE0,-1 @ (f,)=(90o,55o)
Floquet Modes
表面波引起的扫描盲点
Grating Lobe
Surface Wave
• TE-1,0, TM-1,0, TE0,-1, TM0,-1
Floquet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
TM-1,0 @ (f,)=(0o ,60o) TE-1,0 @ (f,)=(0o ,60o) TM0,-1 @ (f,)=(90o,60o) TE0,-1 @ (f,)=(90o,60o)
16单元组阵
天线单元的幅相控制
发送/接收 (T/R) 模块功能框图
功率分配 波束形成网络 (BFN) 天线单元
环形器
Transmit
Receive
(幅度/相位)
功放
复制n个
Example T/R Module
新的设计手段：系统集成化开发
天线＋T/R组件
天线单元
环形器 功放 波束成形 (BFN)
功率分配
阵列天线设计流程与高级培训
@ANSYS中国
主要内容
• • • 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
1 2 3 4
背景
阵面设计
•
•
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
场路耦合
•
多物理场（热，结构）
更多实际条件
阵列天线的应用需求
256 个考虑金属厚 度的Vivaldi单元
有限大阵列仿真中提供互耦系数
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
-35.8dB -32.9dB -36.4dB
-29.4dB
-31.2dB
-29.1dB
-23.0dB
-22.3dB
-22.0dB
-17.9dB
-
-18.3dB
-21.8dB
• •
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 • 对辐射能量的吸收不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
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
FA-DDM——有限大阵列域分解方法
• • 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.
域分解算法求解有限大阵列
H-plane Sectoral Horn
Conical Horn
Circular Waveguide
Rectangular Waveguide
Wire Dipole
Archimedean Spiral
Log-Spiral
Sinuous Spiral
天线阵介绍
16 x16 单元天线阵
• 256 Y-极化准八木天线单元
有源阵中单元方向图的角度扫描特性
Gain calculated directly from Floquet Transmission Coefficients
G
4A
2
TM
2 0, 0
TE0,0
2
cos( )
s
• Speeds up plot creation • Interpolating Sweep improves frequency resolution • Fields no longer need to be saved • Reduces solution size
3.
4.
不能实现任意幅相配置馈电
。。。
所以
2.2 天线阵设计－有限大阵列 FA-DDM 2.0
阵列天线的仿真方法
设计
单元法
计算量小 考虑单元间互耦 忽略阵列边缘效应 不支持各单元任意幅相馈电
FA-DDM精确验证
验证
整体仿真-FA-DDM
全阵整体仿真
包含所有电磁效应 计算量大
关键问题与仿真技术
• • • 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
1 2 3 4
背景
阵面设计
•
•
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
场路耦合
•
多物理场（热，结构）
更多实际条件
所需的仿真技术系列
Ansoft 解决方案 • 电磁部件
–
Nonlinear Materials
Radiation
Matching Frequency
Thermal
• 设计管理
–
Coupling
• 电路仿真
–
Nonlinear Circuit
• 热(散热)/应力(变形)
– ANSYS Mechanical – ANSYS Fluent
• 工程化选项：HPC，DSO，
系统级设计难点
运载平台 天线阵列 有源通道
BFN
Input
I
Amp
Circulator
0
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）
50
波束成形
广域搜索– 余割平方波束 聚束模式－泰勒权重
通过电场作图显示表面波
通过对问题频点的场显示及角度扫描发现表面波是导致 增益降低的关键 在Floquet 端口的帮助下发现了表面波问题
• 可进行更细致更多的频点研究 • 通过插值扫频可以用更少
的时间和计算资源发现表 面波
单元法的不足
虽然单元法快速，高效
但是 1. 2. 辐射方向必须与周期方向成法向 边缘效应和二次耦合考虑不精确
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 端口的作用
向图 通过插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 • 插值扫频可快速扫描更多更连续的频点从而更易
• 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
Distributes element sub-domains to networked processors and memory
FA-DDM 工具优势
HFSS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. 得到与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
HFSS for ECAD，。。。
2. 天线阵面设计
辐射单元
微带准八木天线 （集成巴伦）
回波损耗
铁氧体环形器
HFSS中的3D电磁场仿真 远场辐射方向图
Antenna Design Kit 天线快速设计助手
GUI-based wizard tool
• Automates geometry creation, solution
generating initial model
• Facilitates parametric sweeps and
optimizations
Synthesis feature for each antenna
• Automatically generates physical
dimensions for desired frequency
Reduced Gain in the E-Plane Scan Blindness E-Plane & H-Plane
有源阵中单元方向图的频率扫描特性
Gain Reduction at (f,) = (90o,50o)
栅瓣预测
栅瓣图中显示了f = 0 和 f = 90 度平面上可能出现的栅瓣.
• 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
运载平台 有源通道 天线阵列
BFN
Input
Amp
Circulator
I
0
50
模块级设计要点
T/R 模组
-22.4dB
-22.8dB
-29.3dB
-30.6dB
-29.7dB
-36.3dB
-33.2dB
-36.1dB
边缘效应在有限大阵列中单元方向图中的体现
Байду номын сангаас
Floquet 端口设置
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15mm x 15mm 的正
方形栅格.
Floquet Port Slave Master
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 •
• Assists in learning to use HFSS for
antenna design
Parametric antenna geometry
• Easily modify parameters in HFSS after
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
单元天线的回波损耗
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
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)
Floquet Port Slave Master
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
Floquet 模式介绍
Floquet 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 • TE Floquet 模式是 f 极化平面波 • TM Floquet 模式是q 极化平面波 • 随天线阵的工作模式不同，有的场模式是传输的，有的呈消逝模
15mm x 15mm 单元尺寸
• 50o 圆锥扫描
频段9GHz ～11GHz
天线阵分析方法
设计
单元法
计算量小 考虑单元间互耦 忽略阵列边缘效应 不支持各单元任意幅相馈电
验证
有限大阵列
包含所有电磁效应 计算量大
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 边界上的场与Master边界上的场相同或加入 固定相差
优化单元匹配
蜘蛛图可提供一种优化单元匹配的便捷方法
• 在Smith Chart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
F = 90o Scan Plane
10dB RL Circle
F = 90o plane at 11GHz violates the 10dB Return Loss requirement and cannot be resolved by improving the element’s match
BFN
Input
I
天线阵列
Amp
Circulator
0
50
6）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）
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RCS
• Provides starting point for new designs
Available Antenna Types (part)
Planar Dipole
Wire Dipole
Rectangular Patch
Elliptical Patch
Pyramidal Horn
E-plane Sectoral Horn
Floquet Modes
TM-1,0 @ (f,)=(0o ,55o) TE-1,0 @ (f,)=(0o ,55o) TM0,-1 @ (f,)=(90o,55o) TE0,-1 @ (f,)=(90o,55o)
Floquet Modes
表面波引起的扫描盲点
Grating Lobe
Surface Wave
• TE-1,0, TM-1,0, TE0,-1, TM0,-1
Floquet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
TM-1,0 @ (f,)=(0o ,60o) TE-1,0 @ (f,)=(0o ,60o) TM0,-1 @ (f,)=(90o,60o) TE0,-1 @ (f,)=(90o,60o)
16单元组阵
天线单元的幅相控制
发送/接收 (T/R) 模块功能框图
功率分配 波束形成网络 (BFN) 天线单元
环形器
Transmit
Receive
(幅度/相位)
功放
复制n个
Example T/R Module
新的设计手段：系统集成化开发
天线＋T/R组件
天线单元
环形器 功放 波束成形 (BFN)
功率分配
阵列天线设计流程与高级培训
@ANSYS中国
主要内容
• • • 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
1 2 3 4
背景
阵面设计
•
•
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
场路耦合
•
多物理场（热，结构）
更多实际条件
阵列天线的应用需求
256 个考虑金属厚 度的Vivaldi单元
有限大阵列仿真中提供互耦系数
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
-35.8dB -32.9dB -36.4dB
-29.4dB
-31.2dB
-29.1dB
-23.0dB
-22.3dB
-22.0dB
-17.9dB
-
-18.3dB
-21.8dB
• •
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 • 对辐射能量的吸收不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
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
FA-DDM——有限大阵列域分解方法
• • 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.
域分解算法求解有限大阵列
H-plane Sectoral Horn
Conical Horn
Circular Waveguide
Rectangular Waveguide
Wire Dipole
Archimedean Spiral
Log-Spiral
Sinuous Spiral
天线阵介绍
16 x16 单元天线阵
• 256 Y-极化准八木天线单元
有源阵中单元方向图的角度扫描特性
Gain calculated directly from Floquet Transmission Coefficients
G
4A
2
TM
2 0, 0
TE0,0
2
cos( )
s
• Speeds up plot creation • Interpolating Sweep improves frequency resolution • Fields no longer need to be saved • Reduces solution size
3.
4.
不能实现任意幅相配置馈电
。。。
所以
2.2 天线阵设计－有限大阵列 FA-DDM 2.0
阵列天线的仿真方法
设计
单元法
计算量小 考虑单元间互耦 忽略阵列边缘效应 不支持各单元任意幅相馈电
FA-DDM精确验证
验证
整体仿真-FA-DDM
全阵整体仿真
包含所有电磁效应 计算量大
关键问题与仿真技术
• • • 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
1 2 3 4
背景
阵面设计
•
•
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
场路耦合
•
多物理场（热，结构）
更多实际条件
所需的仿真技术系列
Ansoft 解决方案 • 电磁部件
–
Nonlinear Materials
Radiation
Matching Frequency
Thermal
• 设计管理
–
Coupling
• 电路仿真
–
Nonlinear Circuit
• 热(散热)/应力(变形)
– ANSYS Mechanical – ANSYS Fluent
• 工程化选项：HPC，DSO，
系统级设计难点
运载平台 天线阵列 有源通道
BFN
Input
I
Amp
Circulator
0
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）
50
波束成形
广域搜索– 余割平方波束 聚束模式－泰勒权重
通过电场作图显示表面波
通过对问题频点的场显示及角度扫描发现表面波是导致 增益降低的关键 在Floquet 端口的帮助下发现了表面波问题
• 可进行更细致更多的频点研究 • 通过插值扫频可以用更少
的时间和计算资源发现表 面波
单元法的不足
虽然单元法快速，高效
但是 1. 2. 辐射方向必须与周期方向成法向 边缘效应和二次耦合考虑不精确
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 端口的作用
向图 通过插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 • 插值扫频可快速扫描更多更连续的频点从而更易
• 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
Distributes element sub-domains to networked processors and memory
FA-DDM 工具优势
HFSS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. 得到与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
HFSS for ECAD，。。。
2. 天线阵面设计
辐射单元
微带准八木天线 （集成巴伦）
回波损耗
铁氧体环形器
HFSS中的3D电磁场仿真 远场辐射方向图
Antenna Design Kit 天线快速设计助手
GUI-based wizard tool
• Automates geometry creation, solution
generating initial model
• Facilitates parametric sweeps and
optimizations
Synthesis feature for each antenna
• Automatically generates physical
dimensions for desired frequency
Reduced Gain in the E-Plane Scan Blindness E-Plane & H-Plane
有源阵中单元方向图的频率扫描特性
Gain Reduction at (f,) = (90o,50o)
栅瓣预测
栅瓣图中显示了f = 0 和 f = 90 度平面上可能出现的栅瓣.
• 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
运载平台 有源通道 天线阵列
BFN
Input
Amp
Circulator
I
0
50
模块级设计要点
T/R 模组
-22.4dB
-22.8dB
-29.3dB
-30.6dB
-29.7dB
-36.3dB
-33.2dB
-36.1dB
边缘效应在有限大阵列中单元方向图中的体现
Байду номын сангаас
Floquet 端口设置
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15mm x 15mm 的正
方形栅格.
Floquet Port Slave Master
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 •