下一代有源相控阵雷达及其天线的设计

开发相控阵系统的复杂性和成本正在通过电子设计自动化(EDA)软件中的新功能得到降低，它支持设计人员开发新的系统架构，组件规格，实现单个组件的物理设计，并验证在原型设计之前的性能。

相控阵基础

通过电子扫描天线，可以通过模拟/射频部件或通过使用混合技术来控制波束方向而无需物理转动天线，从而以数字方式控制相位和振幅的各个单独辐射元件阵列。对各个元件的输入信 的相位和振幅控制提供了天线波束在方位角和仰角方向上的方向可操纵性。

有源电子扫描阵列(AESA)雷达的设计考虑因素包括个别辐射元件(天线设计)，馈电 络的射频链路预算，其直接与组件性能(如插入损耗和阻抗失配)以及阵列本身。

考虑到任务的复杂性，设计团队需要一种系统感知的方法，允许团队成员从不同抽象层次探索相控阵行为，从细节很少的初期概念模型，通过高度定义的阵列模型，这些模型考虑真实的组件交互和可能的损耗。

设计用于高频信 的复杂封装方案必须通过专用于射频和微波电子的电路仿真和电磁分析加以解决。

设计管理和EDA工具

虽然主动控制的相控阵天线具有许多优点，但它们非常复杂，其生产，尤其是非循环开发成本明显高于传统天线设计。随着行业向高度集成的相控阵系统转移，拥有内部系统专业技术人员与硬件开发人员密切合作非常重要，他们都要充分探索可能的体系结构和集成技术之间的功能和权衡。

此外，使用电子设计自动化(EDA)实现从头到尾的设计流程已经成为超越最初的系统仿真的关键，该仿真主要关注早期架构定义以及链路预算和组件规格的开发。

优选的相控阵列系统设计流程管理从开始到结束的前端开发，将射频/微波电路仿真和/或无线电/信 处理(行为)模型的测量数据嵌入相控阵列系统分层结构内。这种软件使系统设计人员能够从混合模块到完全集成的硅芯RFIC器件中选择最佳解决方案，以满足目标应用的特定要求。

设计失败和由此产生的高开发成本通常部分是由于高级系统工具无法精确模拟大量互连通道之间的相互作用，这些通道通常是单独指定和表征的。

由于整个相控阵阵列的性能既不完全由天线驱动，也不由馈电 络中的微波电子器件驱动，所以仿真必须捕获它们的组合相互作用，以准确预测真实的系统行为。电路，系统和电磁协同仿真允许在整个设计过程中进行验证。

相控阵设计流程

虚拟系统仿真器(VSS)是一种先进的相控阵设计流程，VSS是在NI AWR设计环境平台内运行的系统级仿真器。该仿真器提供了作为受控波束方向功能的全部系统性能，包括天线设计以及用于实现电子波束控制的有源和无源电路元件。

使用Microwave Office进行射频/微波电路仿真，使用AXIEM，平面电磁分析仪和分析仪，3D EM对天线设计和无源器件建模进行电磁(EM)分析，可以更加详细地模拟系统组件。

这些工具完全集成到NI AWR设计环境中，支持相控阵列层次结构中的无缝数据共享。此外，使用AntSyn可以根据性能规格生成独立的天线设计，并将生成的几何体导入AXIEM或Analyst中，以便进一步进行EM分析和优化。

这套工具套件中的功能(图1)包括设计辅助附加产品以及与第三方PCB(布局)，RFIC(设计/布局)和EM(分析)工具的互操作性。

VSS中的相控阵分析的亮点包括：

?自动化/管理波束形成算法的实现，并从单个输入/输出模块确定相控阵天线配置

?在一系列用户指定的参数(如功率等级和/或频率)上执行阵列性能

?对射频馈电 络进行各种链路预算分析，包括级联增益，噪声系数，输出功率(P1dB)，增益 – 噪声温度(G / T)等测量值。

?通过良率分析评估对缺陷和硬件损耗的敏感性

?使用相控阵的完整模型进行端到端系统仿真

?根据光束角度模拟改变阵列阻抗，以研究阻抗失配和增益压缩对前端放大器性能的影响

图1：NI AWR设计环境中的产品提供电路，系统和EM分析以及与第三方设计流程的互操作性

定义相控阵配置

任何相控阵雷达的规格都受平台要求和预期应用的驱动。例如，自该技术最早使用以来依靠雷达的气象观测，通常使用机载监视雷达来及时发现危险风暴并及时发出警 ，并对冰雹造成破坏，从而可以发出警 。

天气监视雷达分配给S(?10 cm波长)，C(?5 cm波长)和X(?3 cm波长)频段。虽然较短波长的雷达具有较小的天线尺寸，但它们的辐射信 受到大气衰减的显著影响。

显示了基于多年的非多普勒雷达(即WSR-57)全国 络经验的10厘米波长(S波段)天气监视雷达的要求。这些要求展示了一些驱动范围，频率，天线尺寸和增益的特定应用指标。这些因素代表了系统设计人员的出发点，在考虑可能的架构和定义单个组件性能目标时，系统设计人员还将权衡成本和交付问题，可用半导体和集成技术。

VSS为系统设计人员提供了将这些需求转换为硬件规格并计算初始设计细节的功能。从相控阵配置开始，VSS能够使用单个模型表示数千个天线单元，从而使天线队可以快速生成具有基本阵列属性(如元素数量，单元间距，单个单元增益或辐射方向图)的辐射方向图(导入的测量或模拟天线数据)，阵列配置和增益锥度。该模型允许设计人员根据各种标准格子和圆形几何以及自定义几何(如图2)指定阵列的物理配置。

图2：a)单相阵列元件可以模拟大规模阵列(1000个元件)，取代b)基于单独定义的元件的系统设计

数组行为很容易通过参数对话框或包含配置参数的数据文件来定义，例如增益和相位偏移，theta / phi入射角，两个X / Y位置中元素的数量(长度单位或基于lambda的)，间距和信 频率。

该模型极大地简化了大规模相控阵配置和单个天线性能要求的早期探索，其中使用基本的单个模块实现这种模型，其中阵列大小通常限于几百个元素，每个元素被模拟为单个输入/单个输出块。

图3：相控阵参数对话框的部分，显示几何配置选项，包括点阵，圆形和用户定义的配置

图3显示了参数对话框的一部分，用于使用标准或自定义几何快速定义天线阵列架构。点阵选项允许以格子模式配置相控阵列，该点阵使用沿X轴和Y轴的元素数量NX和NY，沿这些轴的元素间距，dx和dy以及γ，之间的角度这些轴，图4b。

将gamma设置为90°会产生矩形格子，而将其设置为60°会形成三角格子。 gamma的任何正值都可用于配置晶格，而圆形选项可用于配置带有一个或多个同心圆的圆形相控阵。每个同心圆中元素的数量和每个圆的半径可以通过变量NC和R定义为矢量。点阵和圆形阵列配置示例如图4a和b所示。

图4：VSS中相控阵列的标准阵列几何形状 – a)晶格，b)圆形

为了演示相控阵模型的一些功能，构建了一个示例项目，显示了两个工作频率为2.99 GHz的15 x 5单元阵列。图5.一个模型表示简单地通过将天线增益设置为0 dBi而定义的一组无损全向天线，而另一个阵列的元素使用包含单个模拟贴片天线的辐射图的数据集。

两个阵列都使用一个 格配置，元素间距为1/2“，均匀增益逐渐减小 – 下面会详细解释。对于所示的仿真，转向角度(θ)设置为15“，见图5.注意，天线和相控阵模块支持使用U / V坐标以及THETA / PHI角度指定信 方向。

图5：基于各向同性和贴片天线辐射图的2,15×5单元相控阵，θ角设置为15°

VSS阵列模型为天线设计师提供了一个快速直观的工具来观察关键天线指标，提供了一种方法来检查主波束和旁瓣行为，作为任意数量变量的函数，包括阵列大小(图6a)和配置，增益与转向角度，以及作为元件间距和/或频率的函数的梯度瓣的出现(图6b)。

从这些结果中，阵列团队可以针对给定要求(如范围和整体阵列物理尺寸)开发最佳配置。此外，阵列团队可以为单个天线提供设计目标，并将后续的天线仿真结果重新纳入阵列分析。

图6：a)15×5和30×5阵列的辐射图，b)阵列(15×5)的旁瓣行为，元件间距= 0.95°，转向角为15°和80°

通过增益锥化来控制振幅激励通常用于控制波束形状并减小旁瓣电平。在相控阵模块中实现了许多常用的增益锥度。增益锥化系数处理定义增益锥化是否归一化。如果是，则将锥度归一化为单位增益。在相控阵模型中实现的标准增益锥度包括Dolph-Chebyshev，Taylor Hansen和uniform。

先前的例子(15×5元素贴片阵列)用统一的Dolph-Chebyshev增益逐渐减少来重新模拟，显示出对主波束和旁瓣s的影响。图7.另外，用户可以通过为每个数组元素指定增益(dB)和相位来定义自定义增益锥度。

图7：15 x 5 Patch阵列，统一与Dolph-Chebyshev增益逐渐减小

15×5阵列给出了理想各向同性天线（增益= 0dBi）和简单贴片天线的辐射方向图。除了阵列配置本身之外，设计团队可能想要指定单个天线元件的辐射方向图和尺寸约束。这个操作可以使用NI公司的天线综合软件AntSyn中的综合功能来执行。

图8：天线设计“规格表”用户界面，显示用于EM优化的候选天线类型的电气要求输入（a），物理约束输入（b）和数据库

AntSyn使用专有演化算法驱动的电磁求解器，根据工程师定义的天线规格探索多种设计选项。这些规范包括典型的天线指标，物理尺寸约束和可选的候选天线类型（用户可以从天线类型的数据库中进行选择或让软件自动选择可能的天线类型进行优化）。

图9：AntSyn项目树（左）列出了原始规格表以及所有尝试过的天线设计，其“星级”等级显示了天线达到预期结果的程度。单独的天线结果可以通过界面查看（右侧）并导出到支持的EM工具

AntSyn从其设计类型数据库中创建天线几何图形，然后应用电磁仿真和其独特的演化优化来修改这些设计以实现所需的电气性能和尺寸约束。列出正在调查的设计类型的运行时间更新以及“星级”评级系统，以指示哪些设计接近实现期望的性能。随着仿真的进行，用户可以查看结果和设计风格。然后可以将有前景的设计导出到NI或支持的第三方EM模拟器的EM工具中。

AntSyn和NI AWR设计环境之间的设计流程如图10所示，其中AntSyn需要天线要求并生成用于NI EM工具的天线，以便为VSS相控阵模型创建天线模式。

图10：用于创建用于EM分析和并入VSS相控阵模型的新天线设计的操作和产品

由于其尺寸相对较小且制造容易，从AntSyn创建的潜在天线中选择了方形环形贴片天线。使用AXIEM选项输出天线，然后导入初始相控阵项目中的新EM结构（AXIEM）。重新仿真的天线如图11所示。

图11：将AntSyn生成的方形环形天线导入到AXIEM中并进行仿真以生成由VSS相控阵模型使用的天线图案

该仿真提供了天线方向图，用于替换15 x 5相控阵（图12a）中使用的原始贴片天线和12b中显示的新天线方向图。图12c和d显示了原始天线（红色迹线）和方形环形贴片（绿色迹线）的新相控阵结果。

图12：a）原始相控阵分析中使用的单贴片天线的原始天线图案，b）由AntSyn生成的方形环形天线的天线图案，c）和d）基于简单贴片天线和方形的相控阵列的辐射图案的比较环补丁

复杂交互的建模

天线元件之间的相互耦合影响天线参数，如终端阻抗，反射系数，因此影响天线阵列在辐射特性，输出信 与干扰噪声比（SINR）和雷达截面（RCS）方面的性能。

VSS的最新版本包括用于更准确地模拟这些参数的新功能，包括增强的元素模式建模（包括互耦）。下一节将介绍这些先进的相位阵列建模方面的最新进展，包括准确表示馈送结构。

如前所述，设计人员可以为相控阵中的每个天线单元定义增益或全辐射模式。这使他们能够对相控阵的内部，边缘和角部元件使用不同的辐射方向图。图13.每个天线单元的辐射方向图可能会受到相位阵列中位置的影响。

图13：VSS相控阵列模型支持将不同的天线方向图分配给各个元素，从而使设计人员能够更准确地表示拐角，边缘和中心元素

这些模式可以在实验室测量，也可以在集成电磁（EM）模拟器（如AXIEM或Analyst）中计算。表征给定元素的适当辐射图的简单方法是使用3X3相控阵并激发一个元素，即内部元素，边缘元素之一或角落元素之一，同时终止所有其他元素。

这将提供内部，边缘和角落元素辐射图，然后可以使用NI AWR软件输出数据文件测量结果（上述示例中使用的相同技术）将其自动存储在数据文件中。这种方法将包括来自一阶邻居的相互耦合的影响。具有更多元素的阵列可以用于扩展与一阶和二阶相邻元素的相互耦合。

捕获相邻元素之间的相互耦合也很重要。 VSS相控阵模型通过配置文件中定义的耦合表完成此操作。不同的耦合级别可以根据彼此之间的距离来定义。

在图14中，为幅度（dB）和相位（度）指定的耦合针对两个不同距离（相邻侧元件：半径c1和相邻角元件：半径c2）来定义。

建模损耗分析

阵列的射频硬件损耗会影响所产生的旁瓣电平和波束模式，并最终降低系统级性能。对于发射器阵列，来自不完美波束的旁瓣电平可能会干扰外部设备或使发射器可见，以应对干扰。

VSS相控阵配置文件允许工程师模拟由于制造缺陷或元件故障而导致的阵列缺陷。所有增益/相位计算都是内部执行的，并且可以将成品率分析应用于该程序段，以便评估任何定义的相控阵参数的变化的灵敏度。

图15：旁瓣衰减到元件失效2％和5％

作为一个例子，VSS被用来对64个元素（16×4）阵列进行元素失效分析，产生图15中的图表，说明旁瓣响应衰减。

任何数量的与馈电 络相关的项目都可能导致射频损耗设计和相关组件。

可以补偿的系统误差包括由不对称布线（布局），频率依赖性，噪声，温度引起的链间变化以及由于改变天线阻抗以及也影响放大器压缩的转向角而导致的不匹配。因此，能够模拟馈电 络中的天线阵列和各个RF链路之间的相互作用是势在必行的。

射频链路建模

NI AWR软件产品包括模拟和建模技术，以准确捕获这些损耗，并将这些结果纳入VSS相控阵装配模型。这是一个重要的功能，因为射频链路不理想，可能会导致阵列行为显著偏离。

相控阵列组件可以在RX或TX模式下工作，支持阵列单元几何结构的配置，每个单元的天线特性，RF链路特性以及用于将这些单元连接在一起的合路器/分路器的通用线性特性。该配置主要通过文本数据文件执行，其中通常通过块参数（如转向角）直接指定扫描设置，或在数据文件中指定，但可通过块参数覆盖（例如单个元素增益和相位调整）。

相控阵组件的配置可以分为几个部分：

?阵列几何 – 定义元素的数量，它们的位置以及任何与几何相关的增益和相位渐变

?天线特性 – 定义接收和发射配置的天线增益，内部损耗，极化损耗，失配损耗和辐射模式

?RF链路特性 – 定义单个元件的链路，包括增益，噪声，P1dB。使用大信 非线性表征数据支持2端口RF非线性放大器，通常由输入功率或电压电平行以及相应的输出基波，谐波和/或互调产物电平组成。频率相关数据也被支持

?将天线和RF链路特性分配给各个单元

?功率分配器特性 – 将输入信 分成n个连接的输出端口

?相互耦合特征

一个共同的挑战是不是所有的RF链路都应该是平等的。例如，增益锥度通常用于相控阵中;然而，当对所有天线元件使用相同的RF链路时，具有较高增益的元件可以很好地工作在压缩状态，而其他元件工作在纯粹的线性区域，从而导致不希望的阵列性能。

图16：VSS中的测量提取RF链路设计的特性，并允许分配相控阵中的各个元件

为了避免这个问题，设计人员经常为不同的元件使用不同的RF链路设计。虽然这是一个更复杂的任务，但它将导致更高效的相控阵和VSS相控阵建模，使他们能够实现这一点。

为了帮助设计团队创建馈送 络并向系统团队提供RF链接，VSS具有自动生成由这些数据表定义的相控阵元素链接特征的功能。设计人员首先根据系统要求创建基于原理图的链路设计。 “测量”通过Microwave Office协同仿真提取设计特性，包括电路级设计细节（即非线性），并保存格式正确的数据文件以供相控阵组装模型s使用。

原位非线性模拟

精确的模拟还必须考虑天线元件和驱动馈电 络之间发生的相互作用。仿真软件的问题是天线和驱动馈电 络相互影响。通过在各个端口设置输入功率和相对相位来改变天线的模式。同时，端口处的输入阻抗随天线方向图而变化。由于输入阻抗影响非线性驱动电路的性能，变化的天线方向图会影响整个系统的性能。

在这种情况下，阵列中每个元件的输入阻抗必须针对所有光束控制位置进行表征。该阵列仅在EM模拟器中模拟一次。生成的S参数然后由电路仿真器使用，其中还包括馈电 络和放大器。由于移相器在其数值上进行调谐，因此天线的光束被导向。同时，每个放大器都会看到它所连接的天线输入端的阻抗变化，这会影响放大器的性能。

图17：使用馈电 络设计中定义的可变相位和衰减器设置来表征改变的天线馈电阻抗，作为波束控制的函数

在这个最后的例子中，功放是非线性的，设计工作在1分贝压缩点（P1dB）以获得最大效率。因此，它们对由阵列提供的变化的负载阻抗敏感。通过控制各种发射模块的相对相位和衰减来控制16个阵元的阵列波束，如图17所示。

实际上，用Microwave Office来表征功率放大器的谐波平衡模拟需要大量的时间来运行16个功率放大器。因此，光束在放大器关闭的情况下被操纵。一旦获得来自定向天线的负载阻抗，设计师就可以打开单个功率放大器的特定感兴趣点。

图18：宽带MMIC功率放大器的仿真天线馈电阻抗与叠加在功率负载牵引等值线上的频率的关系

此时，设计人员可以直接研究功率放大器的非线性行为，作为负载（天线）阻抗的函数。借助Microwave Office的负载拉动功能，PA设计人员可以研究输出功率，压缩和任何其他数量的非线性度量指标，如图18所示。

通过对每个单独元件的RF链路的详细表征，整个系统仿真能够指示故障区域，图19在实验室中制造和测试昂贵的原型之前，先前不会被发现。

图19：带RF链路效应的相控阵仿真，包括功率放大器和转向天线阵列之间阻抗失配的影响

结论

随着元件数量的增加以及天线/电子集成技术的进步，设计和验证单个元件的性能以及定义AESA雷达的整个信 通道的能力是必不可少的。通过在单一设计平台内运行的电路仿真，系统级行为建模和电磁分析，开发团队可以在昂贵的原型开发之前研究系统性能和组件间的相互作用。