利用有源阻抗高效仿真相控阵
Murthy Upmaka and Eva Ribes-Vilanova,
Keysight Technologies；Don Dingee,
STRATISET
相控阵（正式名称为有源电子调控阵列）是雷达、5G和6G基站、卫星通信和移动设备的热门选择。经过优化后，相控阵的波束赋形可提高信号质量、数据吞吐量和用户体验。随着阵列规模的扩大，设计和优化天线阵元及信号处理的难度也在增加。在暗室中进行物理评估可能需要数周时间，而力求代表真实世界条件的设置可能不完整、不可靠或不可行。另一种方法是对相控阵设计进行仿真。仿真速度快、成本低，并能在虚拟空间中准确再现行为和效果。利用基于测量结果的模型、全带宽真实调制、电路和电磁（EM）协同仿真、跨域分析和其他技术进行系统级仿真，可以准确再现复杂场景，并为设计优化提供信息。然而，高保真仿真需要计算成本，随着相控阵的阵元数量逐渐增加到数百个，很快就会达到数千个，仿真时间成为一个令人担忧的问题。与阵列有源阻抗相关的效应增加了相控阵分析的复杂性，在阵列激励下，阵元会耦合并相互作用。阵列有源阻抗越来越受到Keysight电子设计自动化(EDA)研究人员的关注。研究团队分三个阶段解决实际问题：通过测量或仿真开发模型，在仿真实际条件时测试这些模型的准确性，然后推广模型和仿真，以评估更复杂的大规模应用。相控阵设计就是这种EDA研究方法取得成效的一个例子。使用Keysight SystemVue的行为仿真方法将大型相控阵及其信号处理链分解成较小的片段，用于提取S参数耦合矩阵，然后通过阵元重映射将片段缝合在一起，以便在快速、准确的虚拟分析中表示具有有源阻抗效应的整个阵列。本文将分四个部分探讨这种更高效的方法，包括首次介绍一种从较小矩阵建立全阵列S参数矩阵的专利技术：•根据测量或电磁仿真的嵌入式阵元方向图建立精确的阵列行为模型•将远场方向图仿真从较小的相控阵系统扩展到较大的相控阵系统。根据测量或仿真的嵌入式阵元方向图建立精确的阵列行为模型传统上，设计人员通过测量天线阵元来了解方向图。在工作流程中使用ADS的电路/电磁协同仿真技术的进步，为在制造物理器件之前预测相控阵阵元行为提供了一种更快、成本更低的方法。图1显示了使用Keysight RFPro在ADS中进行电磁仿真的4×8阵列布局。![]()
RFPro仿真通过每次自动激励整个阵列中的一个阵元，并终止所有其他阵元端口，从而在.ffio文件中生成嵌入式阵元方向图，并捕捉阵列中每个阵元位置的方向图。阵元方向图因金属化、结构细节和阵元在阵列中的位置而异。阵元还会表现出电磁耦合，即一个阵元辐射的能量会被其他阵元接收。仿真这种相互耦合对于准确预测阵列的远场方向图至关重要。仿真还能生成代表整个阵列的S参数矩阵。一个阵列的SystemVue模型从天线配置开始，保留了与ADS布局相对应的编号阵元位置的精确映射。然后，导入嵌入式阵元方向图和S参数矩阵。图2显示了4×8阵列的简单示意图和完成配置的导入对话框。![]()
图2：从SystemVue原理图导入阵元方向图和S参数矩阵。如图3中的视轴方向图所示，从详细的电磁仿真转为行为仿真几乎不会损失任何保真度，而计算量却大大减少。对于小型阵列来说，
