如何整合多项数值模拟和天线测量？

复杂情景中的天线性能分析会因调查中予以考虑的实际细节而产生问题。在这种情况下，测量和数字建模是评估天线性能的基础工具。

向珍

2019-8-12 15:59:35

使用计算电磁学（CEM）工具所创建的数字建模需要对源天线进行特定表述。可通过了解具体的天线特性实现这一点。但在大多数实际情况中，全波表述不可行或不可用。因此天线测量技术被证明是有效的方法。
在本文中，您将了解哪些工具和技术可以克服因未知源模型特性和待测量环境复杂性所引起的限制。这一方法基于对天线的等效电流表述，连接测量设备/技术与商业数字计算工具，从而测量用于最复杂测试环境模拟的源天线。
前言
如要将一个辐射设备部署在大型结构上，比如将天线部署在卫星上、将雷达部署在飞机上或将传感器部署在汽车上，就需要对情景进行调查和优化。由于测得数据的总结性和高度的稳定性，仍需要通过完整的测量对已部署的天线性能进行最终验证，同时在天线部署研究与优化的初始阶段增加数字建模的使用。
由于测试情景愈加复杂，因此计算电磁学（CEM）模拟工具正在使用的是域分解技术（DDT）。有时候，在使用第三方提供的天线时，可能没有天线全波表述所需的机械和电子特性，尤其是在CEM工具要求的格式中。为了克服这一问题，可以通过真正的辐射测量确定辐射天线的特性。
根据测得的辐射图形，可以确定被测近场源天线的等效电流（EQC）表述并且将其导入用于模拟的 CEM工具。所获得的EQC模型是一个对天线辐射图形的电磁完整表述，并且在DDT的基础上可以在模拟中用作基于惠更斯公式的等效黑盒[1-5]。

图1、隔离环境中鲨鱼鳍天线的辐射测量；确定对应的EQC模型。
3D空间辐射设备的黑盒表述
虽然微波组件黑盒电气表述的开发革新了集成电路的设计，但3D空间辐射设备，如天线等的黑盒表述就没那么成功。微波设备的黑盒表述基于设备物理端口的定义以及S参数所定义的入射波和出射波之间的关系。由于只能通过测量、模拟或供应商获得完整描述设备特性的S参数表述，因此用户常常对设备细节一无所知。
与微波组件的S参数类似，可以通过近场（NF）源数据集完整描述3D空间辐射设备的特性。在本文中，基于惠更斯公式，这被定义为表述设备辐射图形的等效黑盒[6]。
操作人员可以通过域分解技术 (DDT) 将测试中的情景分成更易管理的分区，从而优化和减少计算成本。实践中，在复杂天线部署问题中使用DDT，便可以通过非常精确的模拟设置独立获得辐射天线的特性，并作为子问题集成到最终的完整情景模拟中。
在过去，DDT的使用被严格限制于模拟的问题上，并且必须使用不同的数值方法来解决各种子问题。这一限制，最近已被克服。在MVG的INSIGHT 软件中研发的新技术直接使用DDT，允许真实测量来表征子问题。
INSIGHT[7] 是MVG所开发的一款软件，可以使用等效电流（EQC）基于被测场的扩展建立被测天线的精确电磁表述模型 [8-14]。可以从INSIGHT通过多种商业CEM工具导入EQC表述模型用于完整、复杂情景中的模拟和测试。
INSIGHT 提供“缺失的环节”，整合数字模拟和天线测量，了解已部署的天线性能。

使用计算电磁学（CEM）工具所创建的数字建模需要对源天线进行特定表述。可通过了解具体的天线特性实现这一点。但在大多数实际情况中，全波表述不可行或不可用。因此天线测量技术被证明是有效的方法。
在本文中，您将了解哪些工具和技术可以克服因未知源模型特性和待测量环境复杂性所引起的限制。这一方法基于对天线的等效电流表述，连接测量设备/技术与商业数字计算工具，从而测量用于最复杂测试环境模拟的源天线。
前言
如要将一个辐射设备部署在大型结构上，比如将天线部署在卫星上、将雷达部署在飞机上或将传感器部署在汽车上，就需要对情景进行调查和优化。由于测得数据的总结性和高度的稳定性，仍需要通过完整的测量对已部署的天线性能进行最终验证，同时在天线部署研究与优化的初始阶段增加数字建模的使用。
由于测试情景愈加复杂，因此计算电磁学（CEM）模拟工具正在使用的是域分解技术（DDT）。有时候，在使用第三方提供的天线时，可能没有天线全波表述所需的机械和电子特性，尤其是在CEM工具要求的格式中。为了克服这一问题，可以通过真正的辐射测量确定辐射天线的特性。
根据测得的辐射图形，可以确定被测近场源天线的等效电流（EQC）表述并且将其导入用于模拟的 CEM工具。所获得的EQC模型是一个对天线辐射图形的电磁完整表述，并且在DDT的基础上可以在模拟中用作基于惠更斯公式的等效黑盒[1-5]。

图1、隔离环境中鲨鱼鳍天线的辐射测量；确定对应的EQC模型。
3D空间辐射设备的黑盒表述
虽然微波组件黑盒电气表述的开发革新了集成电路的设计，但3D空间辐射设备，如天线等的黑盒表述就没那么成功。微波设备的黑盒表述基于设备物理端口的定义以及S参数所定义的入射波和出射波之间的关系。由于只能通过测量、模拟或供应商获得完整描述设备特性的S参数表述，因此用户常常对设备细节一无所知。
与微波组件的S参数类似，可以通过近场（NF）源数据集完整描述3D空间辐射设备的特性。在本文中，基于惠更斯公式，这被定义为表述设备辐射图形的等效黑盒[6]。
操作人员可以通过域分解技术 (DDT) 将测试中的情景分成更易管理的分区，从而优化和减少计算成本。实践中，在复杂天线部署问题中使用DDT，便可以通过非常精确的模拟设置独立获得辐射天线的特性，并作为子问题集成到最终的完整情景模拟中。
在过去，DDT的使用被严格限制于模拟的问题上，并且必须使用不同的数值方法来解决各种子问题。这一限制，最近已被克服。在MVG的INSIGHT 软件中研发的新技术直接使用DDT，允许真实测量来表征子问题。
INSIGHT[7] 是MVG所开发的一款软件，可以使用等效电流（EQC）基于被测场的扩展建立被测天线的精确电磁表述模型 [8-14]。可以从INSIGHT通过多种商业CEM工具导入EQC表述模型用于完整、复杂情景中的模拟和测试。
INSIGHT 提供“缺失的环节”，整合数字模拟和天线测量，了解已部署的天线性能。

崔家骁

2019-8-12 15:59:58

定义链接
链接是天线测量设备、CEM数字建模以及适用于CEM解算器的源天线近场测量EQC模型之间的交点。为了详细说明这一步骤，让我们来看一个由双脊喇叭天线提供信号的反射系统。该系统分为两个部分：喇叭天线（源天线）和反射器，如图2所示。

图2、反射系统：MVG SR40-A 反射器，由MVG SH4000双脊喇叭天线提供信号
最初测量隔离环境中喇叭天线的辐射图形 (近场和/或远场）。然后对测得的数据进行处理，获得基于惠更斯等式的等效黑盒。然后使用各CEM工具将等效黑盒安装在用于模拟的反射器上。
当天线靠近或直接安装在复杂结构上时，源天线的等效电流表述还能带来精确的结果。这一通用流程可以用于复杂环境中任意形状和复杂程度的天线 [1-5]。

图3、链接
天线测量设备
球形、圆柱形或平面扫描表面上的天线辐射图形近场或远场测量同样适用于用于CEM模拟的EQC的准备。大多数情况下，隔离天线的测量不一定需要大型测量设备，并且可使用紧缩的近场测量范围精确、高效测量源天线。实际上，小巧的便携式测量系统非常适合此类测量，因为如同EM实验室中的其他仪器一样，它们可以轻松地与进行模拟的平台一同使用。此外，如果该系统是一个多探针系统，则按比例缩短测量时间。
如图4所示，由小巧的便携式MVG StarLab测量系统[15]进行本文中所表述的和用于验证链接的测量。

图4、MVG StarLab 18GHz 球形近场多探针系统[14]
等效电流处理：近场源建模
隔离天线的等效电流表述作为测得的近场模型以表示CEM工具中的源天线。通过使用反源或等效电流/源方法 (EQC) 根据INSIGHT [7]测得的数据计算等效电流表述[9-12]。使用反源方法的关键是其在环绕被测天线（AUT）的任意或通用3D表面上重构EQC的能力。为此，可以在各种类型或形状的天线上使用该方法。图5是一个双脊喇叭天线等效电流重构的示例。

图5、根据测得的双脊喇叭天线辐射图形进行等效电流重构以进行诊断。
由于EQC可以生成天线表面形状配合表述，因此源天线可以更自由地安装在任何大型结构上的任何位置（最终情景）。在遇到非球面波扩展的情况下建议使用该方法。在球面波扩展中，只能计算源天线最小球面外侧的辐射场 [15]。这一完全围绕源天线的最小半径球面不能与该结果相交，因此源天线不能安装在过于靠近该结构的位置。这样，这一方法只适用于数量有限的实用测试案例。当等效电流处理用于数字建模测得的数据时，环绕天线的基于惠更斯等式的等效黑盒可以为该流程提供足够的精度。图6显示的是作为等效黑盒的双脊天线EQC表述。

图6、使用INSIGHT软件根据测得的双脊喇叭天线辐射图形重构等效电流。
CEM工具中的数字模拟
当在INSIGHT中创建源天线的等效黑盒时，可以将黑盒应用于多种CEM工具。CEM解算器会将黑盒视为天线在任何模拟情景中的完整表述。在没有更多其他信息的情况下使用黑盒法进行模拟。优点：无需对源文件进行修改并且可以在任何待测情景中使用EQC表述，即便是最复杂的也不例外。可以通过多种商业CEM解算器导入INSIGHT中计算的等效电流表述模型[16-21]，参见图 7。

图7、INSIGHT 的 EQC 源模型可以导出到多个可用的CEM工具。
图8所示的是使用测量、INSIGHT和CEM模拟工具（图3）之间的链接获得的模拟远场辐射图形。

图8、通过链接获得的模拟3D远场图形 (测量安装在反射器上的源，频率 8 GHz) [17]。
验证链接：证明数据和结构
为了验证天线测量和CEM模拟之间的链接，已经对不同的案例情景进行了测试（参见图9）。目标首先是证明这项技术的精确性，其次是展示这项技术能够灵活应用于多种不同的商业计算电磁学模拟工具。

图9、测量和模拟间链接的验证活动测试案例。反射天线的信号来自于喇叭天线 (a)；水平结构上的嵌装单极锥天线和开口波导 (b)；弧形结构上的嵌装单极天线 (c)；作为红箱的等效电流表述。
验证过程中考虑了3种测试案例：
a) 由喇叭天线提供信号的反射天线；
b) 水平结构上的嵌装单极锥天线和开口波导；
c) 弧形结构上的嵌装单极天线。之前在隔离环境中测得的天线等效电流表述已被提供给6家CEM工具供应商。对各供应商的结果进行对比，并且按照最终情景的标准测量进行比较。标准测量包含在测量系统中完全确定的完整最终情景中的天线辐射图形。
已向6家软件供应商提供相同的信息（基于惠更斯等式的等效黑箱，可对源天线进行建模）。为了保持验证活动的精神和效果，在整个活动期间，各软件供应商交换数字模拟结果。
本文只展示了水平结构上的嵌装单极锥天线示例。
验证测试 [情景/结构]
验证结构包含水平结构上的嵌装式单极锥( MVG SMC2200) 天线。已选择一块 30 x 60 cm的接地板作为初始验证情景，从而最大程度地减少不与测量/模拟链接的验证直接相关的错误（参见图10）。单极锥天线有一个低指向辐射图形，该图形带有与接地板正交的极化[1-6]，引起接地板的相关互动。
源天线安装在距离最近边缘1.5l 和 2l 的接地板角落中（在验证频率下）。图10所示的是MVG StarLab 18GHz 球形近场多探针系统测量期间的验证结构。

图10、长方形接地板验证结构-测量MVG StarLab 18 GHz 中的 SMC2200单极锥天线。
使用近场源的模拟
嵌装应用中源天线EQC表述评估的复杂程度远高于从可能是散射源的结构（本文中指接地板）中分离的源模型评估。散射结构的相近性修改天线上的电流分配。无限接地平面边界条件充分接近正确边界条件；但这不能在实际测量情景中直接获得。可根据安装在有限接地平面上的源天线测量以及测量后处理模拟这一条件 [1-5]。图11所示的是测量设置。

图11、MVG SL18GHz 球形近场多探针系统有限接地板上的单极锥天线测量
测得数据的后处理会消除创建目标无限接地平面边界条件的有限接地平面边缘的衍射影响[23]。对于大部分源天线测量而言，直径2l以上的圆形接地平面已足够。图12所示的便是这一过程。

图12、INSIGHT中MVG对测得数据的后处理，可消除创建目标无线接地平面边界条件的有限接地平面边缘的衍射影响 [23]。
在验证示例中，已对位于直径7l (在测试频率 5.28 GHz下) 圆形接地平面上的天线进行了测量。在后处理后，为了消除边缘衍射，使用INSIGHT等效电流技术创建3D电磁模型。

图13、最终情景中近场源的准备和部署。
应注意的是，由于对无限接地平面条件进行了假设，一开始将源天线图像加入到等效电流计算，然后在确定测得源的等效黑盒表述时消除。
结果
将测得的单极锥天线作为灯箱黑盒计算并且导入到CEM模拟软件得到单极锥天线在完整测试情景（设置在图10中的长方形板上）中的最终图形。表1所示的是带单极锥天线的长方形板在5.28 GHz频率下测得和模拟的峰值方向性。" MEAS " 是标准测量。已使用同一惠更斯盒通过不同的CEM工具计算模拟结果[17-22]。可以看到测量结果和模拟结果非常一致。

表I、峰值方向性， 5.28 GHz –长方形板上的 SMC2200
图14所示的是被测频率下主切面的方向性辐射图形。尽管因馈波表述和测量、制造与模拟所引起的不确定性而产生近似值，模拟和测量之间仍保持非常高的一致性。

图14、长方形板上SMC2200单极锥天线方向性图形，频率5.28 GHz；Φ=0° 平面 (上)，Φ=90° 平面 (下)。使用测得的来源进行测量和模拟：CST [17]、Savant[18]、FEKO [19]、HFSS [20]、 ADF [21]、WIPL-D[22]。
根据测得的和模拟的场之间的加权差[5]，已对因测量和模拟之间的关联而产生的链接有效性进行了评估。测得的远场作为参照场。图15所示的是Φ = 0°和Φ= 90°下前半球中带有测得图形的各模拟工具的加权差重叠。

图15、模拟和测量的加权差，Φ=90° 平面。使用测得源进行模拟： CST[17]、Savant[18]、FEKO[19]、HFSS[20]、ADF[21]、WIPL-D [22]。
已计算加权差的中间值，该中间值表示表II所示的单一值中的关联。

表II、测量长方形板上单极锥天线SMC2200的加权均数差
模拟和测量之间的平均关联为约30 dB，这与从天线传统全波模拟中获得的结构相近。
这一积极的结果确认了技术的精度和有效性以及测量与CEM模拟工具之间的链接。
结论
在诸多复杂天线情景的实际电磁分析中，物理天线的全波表述无法提供用于部分计算电磁学（CEM）工具所要求的格式，尤其是当第三方提供天线和/或天线受知识产权保护时。
在这些情况中必须进行测量和模拟。拟定的解决方案植根于域分解技术并且测量隔离环境中物理天线的辐射图形，从而创建可以导入到商业CEM模拟工具的等效表述。该技术的主要优势在于在所采取的工作流程中无需对源文件进行额外的修改。因此，EQC模型可以用作多种和/或复杂模拟情景中的近场源。
这一被测源天线的等效模型基于黑盒理论并且包含一个EQC表述，形式为基于惠更斯等式的等效黑盒。使用反源法由MVG软件INSIGHT创建这一表述。如今，INSIGHT能够将EQC模型导出至多个CEM解算器：CST[17]、Savant[18]、FEKO[19]、HFSS[20]、ADF[21]、 WIPL-D[22]。
已验证测量和模拟之间的链接，从而证明了测得的近场源表述的精度及其在不同CEM工具和数字方法中的应用。该结果展示了该链接能够非常有效地确定多种复杂情景中的天线的特性。
这项技术的实际用途在于能够非常灵活地测试大型或复杂设备，尤其是在源天线特性未知的情况下。这是天线设计师工具包中的一件实用工具并且在面对因全球电子化程度与日俱增所产生的测试要求时能够顺利地实现这一用途。
·Lars Jacob Foged, MVG
·Lucia Scialacqua, MVG

李雨坤

2019-8-12 16:00:01

参考资料
[1] L. J. Foged, L. Scialacqua, F. Saccardi, F. Mioc, D.Tallini, E. Leroux, U. Becker, J. L. Araque Quijano, G.Vecchi, “集成数字模拟和天线测量”, IEEE天线和传播协会国际研讨会, 2014年7月6日-11日
[2] L. J. Foged, L. Scialacqua, F. Saccardi, F. Mioc “通过测量增强棘手天线的数字模拟”, EUCAP 2015, 2015年4月12日-17日
[3] L. J. Foged, L. Scialacqua, F. Saccardi, F. Mioc, G.Vecchi. J. L. Araque Quijano, “基于精确被测源表述和数字工具的天线部署”, IEEE天线和传播协会国际研讨会,2015年7月19日-24日
[4] L.J. Foged, L. Scialacqua, F. Saccardi, F. Mioc, Morten Sørensen, G. Vecchi. J. L. Araque Quijano,使用被测场作为计算电磁学的场源”，第37届天线测量技术协会年度研讨会, AMTA, 2015年10月, 美国加利福尼亚州长滩
[5] L.J. Foged, L. Scialacqua, F. Saccardi, F. Mioc,“ 计算电磁学解算器嵌装天线的被测天线表述” ,EUCAP 2016, 2016年4月10日-15日, 瑞士达沃斯[6] C. A. Balanis, 高级工程电子学, 纽约: John Wiley &Sons, Inc., 1989年, 第7章
[7] INSIGHT 网站: http://www.mvg-world.com/en/products/field_product_family/antenna-measurement-2/insight
[8] J. L. A. Quijano, G. Vecchi, 《3D表面上源重构中的场和源等效》, 电磁波(PIER), 2010年, 第103卷, 第67-100页,ISSN: 1559-8985.
[9] J. L. A. Quijano, G. Vecchi, 《3D源重构中的近场和超近场精度》, IEEE天线和无线传播信, pp. 4, 2010年, 第9卷,634-637页, ISSN: 1536-1225.
[10] J. L. A. Quijano, G. Vecchi, 《任意3D表面上的精度改良源重构》, IEEE 天线和无线传播信, pp. 4, 2009年, 第8卷,1046-1049页, ISSN: 1536-1225.
[11] J. L. Araque, L. Scialacqua, J. Zackrisson, L. J. Foged,M. Sabbadini 和 G. Vecchi, “根据测得数据基于等效电流重组抑制意外辐射场”, IEEE 天线和无线传播信, 2011.
[12] J. L. A. Quijano, G. Vecchi, L. Li, M. Sabbadini, L.Scialacqua, B. Bencivenga, F. Mioc, L. J. Foged 《球面近场天线测量中的3D空间过滤应用》, AMTA 2010 研讨会, 10月, 美国乔治亚洲亚特兰大.
[13] L. Scialacqua, F. Saccardi, L. J. Foged, J. L. Araque Quijano, G. Vecchi, M. Sabbadini, “等效源方法作为天线诊断工具时的实际应用”, AMTA 研讨会，2011年10月，美国科罗拉多州恩格尔伍德.
[14] J. L. Araque Quijano, L. Scialacqua, J. Zackrisson, L.J. Foged, M. Sabbadini, G. Vecchi “根据测得数据基于等效电流重组抑制意外辐射场”, IEEE 天线和无线传播信,第10卷, 2011年, 314-317页.
[15] L.J. Foged, A. Scannavini, “800MHz至18GHz无线设备的高效测试”, 无线电工程杂志,第18卷, 4号, 2009年12月.
[16] J. E. Hansen (ed.), 球面近场天线测量, Peter PeregrinusLtd., 代表IEE, 英国伦敦, 1988年.
[17] www.cst.com, CST STUDIO SUITE™, CST AG
[18] www.delcross.com/products-savant.php, Delcross
[19] www.feko.info, Altair Engineering GmbH
[20] www.ansys.com, HFSS, Ansy.
[21] www.idscorporation.com/space, ADF, IDS.
[22] www.wipl-d.com, WIPL-D, WIPL-D d.o.o.
[23] L. J. Foged, F. Mioc, B. Bencivenga, M. Sabbadini,E. Di Giam-paolo, “通过有限接地平面测量确定无限接地平面天线的”,天线和传播协会国际研讨会APSURSI, 2010年7月11日-17日
本文刊登于微波射频网旗下《微波射频技术》杂志 2016无线射频专刊，未经允许谢绝转载。

王明

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