仅仅模拟天线是不够的:分析整个天线系统的环境

相控阵天线系统(PAAS)是一种无需物理移动天线就能改变辐射方向图形状和方向的天线阵列。通过放置天线在阵列中，由单个天线传输的信号相互增强，工程师可以在特定方向上获得更好的增益、指向性和性能。

从国防雷达应用到商业应用，PAAS无处不在5克。它们通常被放置在移动平台上，如轮船、飞机、卫星和卡车。然而，移动的平台增加了一定程度的困难，以瞄准辐射模式在期望的方向。其他挑战来自天线与天线之间的相互作用以及天线与平台之间的相互作用，因此天线的放置和用于构建平台的材料可以在PAAS的效率中发挥重要作用。

设计这些天线阵列涉及到不容易用手解决的复杂数学。Ansys基于全场三维电磁仿真软件在快速、轻松地解决这些挑战方面非常有帮助。

分析PAAS交互变量

PAAS有多个子系统，比如天线阵列、收发模块(trm)、阵列波束形成模块等。天线阵列后面的有源电子设备被封闭在金属盒中或放置在天线的接地面后面，以避免不必要的耦合。

的基于分析主要研究天线单元格、有限阵以及在大平台上的放置效应。在本文的示例中，大型平台是一艘军舰的钢桅杆。如此大质量的金属的接近会对天线和从它们发出的辐射模式产生重大影响。此外，为了使光束在船舶移动时对准目标，发射光束的角度会随着船舶方向的变化而经常改变。有效的PAAS必须在所有透射角上产生令人满意的波束形状和范围。

HFSS结合了多种模拟技术，如基于3D组件的有限阵列域分解(FA-DDM)、矩量法(MOM)和射击和反射射线(SBR)，以最小的计算资源，以极高的效率分析大范围扫描角度的波束形式。我们将分析一种256单元有限天线阵列，该阵列包括基于u槽的微带贴片天线(UMSA)，具有宽带宽(BW)和宽半功率波束宽度(HPBW)。每个UMSA都被基板集成波导(SIW)壁包围，模拟金属腔，以减轻相互耦合效应。这些参数是确保PAAS的宽带和宽扫描性能所必需的。

确定扫描角度效应

我们使用基于siw的UMSA建模了一个64元素有限阵列，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。HFSS使用基于3D组件的阵列模拟功能，在28分钟内使用32核机器解决了64元素的PAAS，最大利用率为20gb RAM。

图2显示了有限阵列图像的模拟和测量阵列方向图性能的比较，表明HFSS模拟和物理测量之间有很好的一致性。图3显示了三维辐射模式图。您可以看到20 dBi的峰值增益和峰值副瓣电平优于-13 dB，所有阵列元素均被均匀激发，这是天线阵列的理想特性。在HFSS中使用内置脚本对波束形成相位梯度进行后处理，可以估计扫描角度对频率的影响，而无需重新进行模拟，从而节省了大量的时间。

这些结果表明，HFSS是如何有效地模拟波束模式在大范围的扫描角度，使天线可以跟踪目标从一个移动的平台。

天线平台交互

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

256单元天线安装在船的桅杆上，如图4所示。图5显示了天线的性能，当安装在桅杆的一个面与不同的转向角度(0度和45度)。从安装的图样上可以清楚地看出扫描角度较大的光栅瓣的影响。图6显示了安装在桅杆两侧的天线对天线耦合。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模拟相互耦合。

这些结果表明，HFSS提供了能够以最小的计算资源求解复杂相控阵天线平台的分布式计算系统。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。隔离天线阵的仿真结果与实测值吻合较好，使我们对Ansys的仿真结果更有信心。这种信心有助于缩短产品开发周期。不同的求解器可以无缝地协同工作，以扩展在这些电子大模型上计算阵列到阵列耦合和平台相互作用的模拟，这些模型在现实世界中很难测量。

下载“复杂相控阵天线和平台如何相互作用"申请简介了解更多信息。