執(zhí)行摘要

復(fù)雜情景中的天線性能分析會因調(diào)查中予以考慮的實際細(xì)節(jié)而產(chǎn)生問題。在這種情況下，測量和數(shù)字建模是評估天線性能的基礎(chǔ)工具。

使用計算電磁學(xué)（CEM）工具所創(chuàng)建的數(shù)字建模需要對源天線進(jìn)行特定表述?？赏ㄟ^了解具體的天線特性實現(xiàn)這一點。但在大多數(shù)實際情況中，全波表述不可行或不可用。因此天線測量技術(shù)被證明是有效的方法。

在本文中，您將了解哪些工具和技術(shù)可以克服因未知源模型特性和待測量環(huán)境復(fù)雜性所引起的限制。這一方法基于對天線的等效電流表述，連接測量設(shè)備/技術(shù)與商業(yè)數(shù)字計算工具，從而測量用于最復(fù)雜測試環(huán)境模擬的源天線。

前言

如要將一個輻射設(shè)備部署在大型結(jié)構(gòu)上，比如將天線部署在衛(wèi)星上、將雷達(dá)部署在飛機(jī)上或?qū)鞲衅鞑渴鹪谄嚿?，就需要對情景進(jìn)行調(diào)查和優(yōu)化。由于測得數(shù)據(jù)的總結(jié)性和高度的穩(wěn)定性，仍需要通過完整的測量對已部署的天線性能進(jìn)行最終驗證，同時在天線部署研究與優(yōu)化的初始階段增加數(shù)字建模的使用。

由于測試情景愈加復(fù)雜，因此計算電磁學(xué)（CEM）模擬工具正在使用的是域分解技術(shù)（DDT）。有時候，在使用第三方提供的天線時，可能沒有天線全波表述所需的機(jī)械和電子特性，尤其是在CEM工具要求的格式中。為了克服這一問題，可以通過真正的輻射測量確定輻射天線的特性。

根據(jù)測得的輻射圖形，可以確定被測近場源天線的等效電流（EQC）表述并且將其導(dǎo)入用于模擬的 CEM工具。所獲得的EQC模型是一個對天線輻射圖形的電磁完整表述，并且在DDT的基礎(chǔ)上可以在模擬中用作基于惠更斯公式的等效黑盒^[1-5]。

圖1、隔離環(huán)境中鯊魚鰭天線的輻射測量；確定對應(yīng)的EQC模型。

3D空間輻射設(shè)備的黑盒表述

雖然微波組件黑盒電氣表述的開發(fā)革新了集成電路的設(shè)計，但3D空間輻射設(shè)備，如天線等的黑盒表述就沒那么成功。微波設(shè)備的黑盒表述基于設(shè)備物理端口的定義以及S參數(shù)所定義的入射波和出射波之間的關(guān)系。由于只能通過測量、模擬或供應(yīng)商獲得完整描述設(shè)備特性的S參數(shù)表述，因此用戶常常對設(shè)備細(xì)節(jié)一無所知。

與微波組件的S參數(shù)類似，可以通過近場（NF）源數(shù)據(jù)集完整描述3D空間輻射設(shè)備的特性。在本文中，基于惠更斯公式，這被定義為表述設(shè)備輻射圖形的等效黑盒^[6]。

操作人員可以通過域分解技術(shù) (DDT) 將測試中的情景分成更易管理的分區(qū)，從而優(yōu)化和減少計算成本。實踐中，在復(fù)雜天線部署問題中使用DDT，便可以通過非常精確的模擬設(shè)置獨立獲得輻射天線的特性，并作為子問題集成到最終的完整情景模擬中。

在過去，DDT的使用被嚴(yán)格限制于模擬的問題上，并且必須使用不同的數(shù)值方法來解決各種子問題。這一限制，最近已被克服。在MVG的INSIGHT 軟件中研發(fā)的新技術(shù)直接使用DDT，允許真實測量來表征子問題。

INSIGHT^[7] 是MVG所開發(fā)的一款軟件，可以使用等效電流（EQC）基于被測場的擴(kuò)展建立被測天線的精確電磁表述模型 ^[8-14]?？梢詮腎NSIGHT通過多種商業(yè)CEM工具導(dǎo)入EQC表述模型用于完整、復(fù)雜情景中的模擬和測試。

INSIGHT 提供“缺失的環(huán)節(jié)”，整合數(shù)字模擬和天線測量，了解已部署的天線性能。

定義鏈接

鏈接是天線測量設(shè)備、CEM數(shù)字建模以及適用于CEM解算器的源天線近場測量EQC模型之間的交點。為了詳細(xì)說明這一步驟，讓我們來看一個由雙脊喇叭天線提供信號的反射系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為兩個部分：喇叭天線 （源天線）和反射器，如圖2所示。

圖2、反射系統(tǒng)：MVG SR40-A 反射器，由MVG SH4000雙脊喇叭天線提供信號

最初測量隔離環(huán)境中喇叭天線的輻射圖形 (近場和/或遠(yuǎn)場）。然后對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得基于惠更斯等式的等效黑盒。然后使用各CEM工具將等效黑盒安裝在用于模擬的反射器上。

當(dāng)天線靠近或直接安裝在復(fù)雜結(jié)構(gòu)上時，源天線的等效電流表述還能帶來精確的結(jié)果。這一通用流程可以用于復(fù)雜環(huán)境中任意形狀和復(fù)雜程度的天線 ^[1-5]。

圖3、鏈接

天線測量設(shè)備

球形、圓柱形或平面掃描表面上的天線輻射圖形近場或遠(yuǎn)場測量同樣適用于用于CEM模擬的EQC的準(zhǔn)備。大多數(shù)情況下，隔離天線的測量不一定需要大型測量設(shè)備，并且可使用緊縮的近場測量范圍精確、高效測量源天線。實際上，小巧的便攜式測量系統(tǒng)非常適合此類測量，因為如同EM實驗室中的其他儀器一樣，它們可以輕松地與進(jìn)行模擬的平臺一同使用。此外，如果該系統(tǒng)是一個多探針系統(tǒng)，則按比例縮短測量時間。

如圖4所示，由小巧的便攜式MVG StarLab測量系統(tǒng)^[15]進(jìn)行本文中所表述的和用于驗證鏈接的測量。

圖4、MVG StarLab 18GHz 球形近場多探針系統(tǒng)^[14]

等效電流處理：近場源建模

隔離天線的等效電流表述作為測得的近場模型以表示CEM工具中的源天線。通過使用反源或等效電流/源方法 (EQC) 根據(jù)INSIGHT ^[7]測得的數(shù)據(jù)計算等效電流表述^[9-12]。使用反源方法的關(guān)鍵是其在環(huán)繞被測天線（AUT）的任意或通用3D表面上重構(gòu)EQC的能力。為此，可以在各種類型或形狀的天線上使用該方法。圖5是一個雙脊喇叭天線等效電流重構(gòu)的示例。

圖5、根據(jù)測得的雙脊喇叭天線輻射圖形進(jìn)行等效電流重構(gòu)以進(jìn)行診斷。

由于EQC可以生成天線表面形狀配合表述，因此源天線可以更自由地安裝在任何大型結(jié)構(gòu)上的任何位置（最終情景）。在遇到非球面波擴(kuò)展的情況下建議使用該方法。在球面波擴(kuò)展中，只能計算源天線最小球面外側(cè)的輻射場 ^[15]。這一完全圍繞源天線的最小半徑球面不能與該結(jié)果相交，因此源天線不能安裝在過于靠近該結(jié)構(gòu)的位置。這樣，這一方法只適用于數(shù)量有限的實用測試案例。當(dāng)?shù)刃щ娏魈幚碛糜跀?shù)字建模測得的數(shù)據(jù)時，環(huán)繞天線的基于惠更斯等式的等效黑盒可以為該流程提供足夠的精度。圖6顯示的是作為等效黑盒的雙脊天線EQC表述。

圖6、使用INSIGHT軟件根據(jù)測得的雙脊喇叭天線輻射圖形重構(gòu)等效電流。

CEM工具中的數(shù)字模擬

當(dāng)在INSIGHT中創(chuàng)建源天線的等效黑盒時，可以將黑盒應(yīng)用于多種CEM工具。CEM解算器會將黑盒視為天線在任何模擬情景中的完整表述。在沒有更多其他信息的情況下使用黑盒法進(jìn)行模擬。優(yōu)點：無需對源文件進(jìn)行修改并且可以在任何待測情景中使用EQC表述，即便是最復(fù)雜的也不例外?？梢酝ㄟ^多種商業(yè)CEM解算器導(dǎo)入INSIGHT中計算的等效電流表述模型^[16-21]，參見圖 7。

圖7、INSIGHT 的 EQC 源模型可以導(dǎo)出到多個可用的CEM工具。

圖8所示的是使用測量、INSIGHT和CEM模擬工具（圖3）之間的鏈接獲得的模擬遠(yuǎn)場輻射圖形。

圖8、通過鏈接獲得的模擬3D遠(yuǎn)場圖形 (測量安裝在反射器上的源，頻率 8 GHz) ^[17]。

驗證鏈接：證明數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)

為了驗證天線測量和CEM模擬之間的鏈接，已經(jīng)對不同的案例情景進(jìn)行了測試（參見圖9）。目標(biāo)首先是證明這項技術(shù)的精確性，其次是展示這項技術(shù)能夠靈活應(yīng)用于多種不同的商業(yè)計算電磁學(xué)模擬工具。

圖9、測量和模擬間鏈接的驗證活動測試案例。反射天線的信號來自于喇叭天線 (a)；水平結(jié)構(gòu)上的嵌裝單極錐天線和開口波導(dǎo) (b)；弧形結(jié)構(gòu)上的嵌裝單極天線 (c)；作為紅箱的等效電流表述。

驗證過程中考慮了3種測試案例：

a) 由喇叭天線提供信號的反射天線；
b) 水平結(jié)構(gòu)上的嵌裝單極錐天線和開口波導(dǎo)；
c) 弧形結(jié)構(gòu)上的嵌裝單極天線。

之前在隔離環(huán)境中測得的天線等效電流表述已被提供給6家CEM工具供應(yīng)商。對各供應(yīng)商的結(jié)果進(jìn)行對比，并且按照最終情景的標(biāo)準(zhǔn)測量進(jìn)行比較。標(biāo)準(zhǔn)測量包含在測量系統(tǒng)中完全確定的完整最終情景中的天線輻射圖形。

已向6家軟件供應(yīng)商提供相同的信息（基于惠更斯等式的等效黑箱，可對源天線進(jìn)行建模）。為了保持驗證活動的精神和效果，在整個活動期間，各軟件供應(yīng)商交換數(shù)字模擬結(jié)果。

本文只展示了水平結(jié)構(gòu)上的嵌裝單極錐天線示例。

驗證測試 [情景/結(jié)構(gòu)]

驗證結(jié)構(gòu)包含水平結(jié)構(gòu)上的嵌裝式單極錐( MVG SMC2200) 天線。已選擇一塊 30 x 60 cm的接地板作為初始驗證情景，從而最大程度地減少不與測量/模擬鏈接的驗證直接相關(guān)的錯誤（參見圖10）。單極錐天線有一個低指向輻射圖形，該圖形帶有與接地板正交的極化^[1-6]，引起接地板的相關(guān)互動。

源天線安裝在距離最近邊緣1.5l 和 2l 的接地板角落中（在驗證頻率下）。圖10所示的是MVG StarLab 18GHz 球形近場多探針系統(tǒng)測量期間的驗證結(jié)構(gòu)。

圖10、長方形接地板驗證結(jié)構(gòu)-測量MVG StarLab 18 GHz 中的 SMC2200單極錐天線。

使用近場源的模擬

嵌裝應(yīng)用中源天線EQC表述評估的復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于從可能是散射源的結(jié)構(gòu)（本文中指接地板）中分離的源模型評估。散射結(jié)構(gòu)的相近性修改天線上的電流分配。無限接地平面邊界條件充分接近正確邊界條件；但這不能在實際測量情景中直接獲得?？筛鶕?jù)安裝在有限接地平面上的源天線測量以及測量后處理模擬這一條件 ^[1-5]。圖11所示的是測量設(shè)置。

圖11、MVG SL18GHz 球形近場多探針系統(tǒng)有限接地板上的單極錐天線測量

測得數(shù)據(jù)的后處理會消除創(chuàng)建目標(biāo)無限接地平面邊界條件的有限接地平面邊緣的衍射影響^[23]。對于大部分源天線測量而言，直徑2l以上的圓形接地平面已足夠。圖12所示的便是這一過程。

圖12、INSIGHT中MVG對測得數(shù)據(jù)的后處理，可消除創(chuàng)建目標(biāo)無線接地平面邊界條件的有限接地平面邊緣的衍射影響 ^[23]。

在驗證示例中，已對位于直徑7l (在測試頻率 5.28 GHz下) 圓形接地平面上的天線進(jìn)行了測量。在后處理后，為了消除邊緣衍射，使用INSIGHT等效電流技術(shù)創(chuàng)建3D電磁模型。

圖13、最終情景中近場源的準(zhǔn)備和部署。

應(yīng)注意的是，由于對無限接地平面條件進(jìn)行了假設(shè)，一開始將源天線圖像加入到等效電流計算，然后在確定測得源的等效黑盒表述時消除。

結(jié)果

將測得的單極錐天線作為燈箱黑盒計算并且導(dǎo)入到CEM模擬軟件得到單極錐天線在完整測試情景（設(shè)置在圖10中的長方形板上）中的最終圖形。表1所示的是帶單極錐天線的長方形板在5.28 GHz頻率下測得和模擬的峰值方向性。" MEAS " 是標(biāo)準(zhǔn)測量。已使用同一惠更斯盒通過不同的CEM工具計算模擬結(jié)果^[17-22]。可以看到測量結(jié)果和模擬結(jié)果非常一致。

表I、峰值方向性， 5.28 GHz –長方形板上的 SMC2200

圖14所示的是被測頻率下主切面的方向性輻射圖形。盡管因饋波表述和測量、制造與模擬所引起的不確定性而產(chǎn)生近似值，模擬和測量之間仍保持非常高的一致性。

圖14、長方形板上SMC2200單極錐天線方向性圖形，頻率5.28 GHz；Φ=0° 平面 (上)，Φ=90° 平面 (下)。使用測得的來源進(jìn)行測量和模擬：CST ^[17]、Savant^[18]、FEKO ^[19]、HFSS ^[20]、 ADF ^[21]、WIPL-D^[22]。

根據(jù)測得的和模擬的場之間的加權(quán)差^[5]，已對因測量和模擬之間的關(guān)聯(lián)而產(chǎn)生的鏈接有效性進(jìn)行了評估。測得的遠(yuǎn)場作為參照場。圖15所示的是Φ = 0°和Φ= 90°下前半球中帶有測得圖形的各模擬工具的加權(quán)差重疊。

圖15、模擬和測量的加權(quán)差，Φ=90° 平面。使用測得源進(jìn)行模擬： CST^[17]、Savant^[18]、FEKO^[19]、HFSS^[20]、ADF^[21]、WIPL-D ^[22]。

已計算加權(quán)差的中間值，該中間值表示表II所示的單一值中的關(guān)聯(lián)。

表II、測量長方形板上單極錐天線SMC2200的加權(quán)均數(shù)差

模擬和測量之間的平均關(guān)聯(lián)為約30 dB，這與從天線傳統(tǒng)全波模擬中獲得的結(jié)構(gòu)相近。

這一積極的結(jié)果確認(rèn)了技術(shù)的精度和有效性以及測量與CEM模擬工具之間的鏈接。

結(jié)論

在諸多復(fù)雜天線情景的實際電磁分析中，物理天線的全波表述無法提供用于部分計算電磁學(xué)（CEM）工具所要求的格式，尤其是當(dāng)?shù)谌教峁┨炀€和/或天線受知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)時。

在這些情況中必須進(jìn)行測量和模擬。擬定的解決方案植根于域分解技術(shù)并且測量隔離環(huán)境中物理天線的輻射圖形，從而創(chuàng)建可以導(dǎo)入到商業(yè)CEM模擬工具的等效表述。該技術(shù)的主要優(yōu)勢在于在所采取的工作流程中無需對源文件進(jìn)行額外的修改。因此，EQC模型可以用作多種和/或復(fù)雜模擬情景中的近場源。

這一被測源天線的等效模型基于黑盒理論并且包含一個EQC表述，形式為基于惠更斯等式的等效黑盒。使用反源法由MVG軟件INSIGHT創(chuàng)建這一表述。如今，INSIGHT能夠?qū)QC模型導(dǎo)出至多個CEM解算器：CST^[17]、Savant^[18]、FEKO^[19]、HFSS^[20]、ADF^[21]、 WIPL-D^[22]。

已驗證測量和模擬之間的鏈接，從而證明了測得的近場源表述的精度及其在不同CEM工具和數(shù)字方法中的應(yīng)用。該結(jié)果展示了該鏈接能夠非常有效地確定多種復(fù)雜情景中的天線的特性。

這項技術(shù)的實際用途在于能夠非常靈活地測試大型或復(fù)雜設(shè)備，尤其是在源天線特性未知的情況下。這是天線設(shè)計師工具包中的一件實用工具并且在面對因全球電子化程度與日俱增所產(chǎn)生的測試要求時能夠順利地實現(xiàn)這一用途。

·Lars Jacob Foged, MVG

·Lucia Scialacqua, MVG

參考資料

[1] L. J. Foged, L. Scialacqua, F. Saccardi, F. Mioc, D.Tallini, E. Leroux, U. Becker, J. L. Araque Quijano, G.Vecchi, “集成數(shù)字模擬和天線測量”, IEEE天線和傳播協(xié)會國際研討會, 2014年7月6日-11日
[2] L. J. Foged, L. Scialacqua, F. Saccardi, F. Mioc “通過測量增強(qiáng)棘手天線的數(shù)字模擬”, 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, “基于精確被測源表述和數(shù)字工具的天線部署”, IEEE天線和傳播協(xié)會國際研討會,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,使用被測場作為計算電磁學(xué)的場源”，第37屆天線測量技術(shù)協(xié)會年度研討會, AMTA, 2015年10月, 美國加利福尼亞州長灘
[5] L.J. Foged, L. Scialacqua, F. Saccardi, F. Mioc,“ 計算電磁學(xué)解算器嵌裝天線的被測天線表述” ,EUCAP 2016, 2016年4月10日-15日, 瑞士達(dá)沃斯[6] C. A. Balanis, 高級工程電子學(xué), 紐約: John Wiley &Sons, Inc., 1989年, 第7章
[7] INSIGHT 網(wǎng)站: http://www.mvg-world.com/en/products/field_product_family/antenna-measurement-2/insight
[8] J. L. A. Quijano, G. Vecchi, 《3D表面上源重構(gòu)中的場和源等效》, 電磁波(PIER), 2010年, 第103卷, 第67-100頁,ISSN: 1559-8985.
[9] J. L. A. Quijano, G. Vecchi, 《3D源重構(gòu)中的近場和超近場精度》, IEEE天線和無線傳播信, pp. 4, 2010年, 第9卷,634-637頁, ISSN: 1536-1225.
[10] J. L. A. Quijano, G. Vecchi, 《任意3D表面上的精度改良源重構(gòu)》, IEEE 天線和無線傳播信, pp. 4, 2009年, 第8卷,1046-1049頁, ISSN: 1536-1225.
[11] J. L. Araque, L. Scialacqua, J. Zackrisson, L. J. Foged,M. Sabbadini 和 G. Vecchi, “根據(jù)測得數(shù)據(jù)基于等效電流重組抑制意外輻射場”, IEEE 天線和無線傳播信, 2011.
[12] J. L. A. Quijano, G. Vecchi, L. Li, M. Sabbadini, L.Scialacqua, B. Bencivenga, F. Mioc, L. J. Foged 《球面近場天線測量中的3D空間過濾應(yīng)用》, AMTA 2010 研討會, 10月, 美國喬治亞洲亞特蘭大.
[13] L. Scialacqua, F. Saccardi, L. J. Foged, J. L. Araque Quijano, G. Vecchi, M. Sabbadini, “等效源方法作為天線診斷工具時的實際應(yīng)用”, AMTA 研討會，2011年10月，美國科羅拉多州恩格爾伍德.
[14] J. L. Araque Quijano, L. Scialacqua, J. Zackrisson, L.J. Foged, M. Sabbadini, G. Vecchi “根據(jù)測得數(shù)據(jù)基于等效電流重組抑制意外輻射場”, IEEE 天線和無線傳播信,第10卷, 2011年, 314-317頁.
[15] L.J. Foged, A. Scannavini, “800MHz至18GHz無線設(shè)備的高效測試”, 無線電工程雜志,第18卷, 4號, 2009年12月.
[16] J. E. Hansen (ed.), 球面近場天線測量, Peter PeregrinusLtd., 代表IEE, 英國倫敦, 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, “通過有限接地平面測量確定無限接地平面天線的”,天線和傳播協(xié)會國際研討會APSURSI, 2010年7月11日-17日