相控陣天線設(shè)計的案例
一期一會 | 什么是相控陣列天線？
本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領(lǐng)域?qū)＜遥瑖@Ansys全產(chǎn)品線的技術(shù)優(yōu)勢，帶您深入解析流體、結(jié)構(gòu)、電子設(shè)計及電磁仿真、光學、光子學、半導(dǎo)體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關(guān)鍵領(lǐng)域，讓復(fù)雜的專業(yè)知識觸手可及。
相控陣列天線是一組排列成陣列的單元天線，其像單個天線一樣協(xié)同工作，通過電子方式控制發(fā)射無線電波，無需物理移動天線即可使其指向一個或多個方向。
在波束成形的過程中，相控陣列系統(tǒng)以相同頻率從每個天線單元發(fā)送信號，但每個單元的相位和大小各不相同。這樣做，就會在電磁波疊加時產(chǎn)生相長干涉和相消干涉，從而形成一種代表定向高增益波束的輻射方向圖。
大多數(shù)相控陣列天線是平面的，由成百上千個天線單元組成，這些單元可能排列成一條線、一個平面，或者是三維立體結(jié)構(gòu)。工程師會利用仿真驅(qū)動的高頻電磁物理學來設(shè)計陣列元件、整體陣列配置，以及驅(qū)動天線的射頻（RF）硬件和電子電路。
相控陣列天線的基礎(chǔ)知識
相控陣列天線系統(tǒng)十分復(fù)雜且功能強大，包含電力電子設(shè)備、RF組件和天線設(shè)計。為了解設(shè)計團隊如何配置相控陣列天線系統(tǒng)，以及哪些應(yīng)用最適合該技術(shù)，工程師應(yīng)熟悉以下基礎(chǔ)知識。
無線電波振幅、相位、頻率和波長
無線電波是一種高頻電磁輻射，其波形是正弦波，在大約3 KHz至3,000 GHz的帶寬范圍內(nèi)振蕩。此圖顯示了無線電波的基本特征：
波長是波在一個周期內(nèi)傳播的距離。幅度是波的最大值，而相位是每個波的峰值之間的差值，或者說是它們的時間延遲。相控陣列天線的頻率通常是恒定的，只有微小的變化，但每個天線的相位和振幅都可以發(fā)生變化。
天線單元
天線單元是陣列中的單個天線。雖然有許多不同類型的天線單元可以用于組合形成陣列，但最常用的天線單元是貼片天線、微帶貼片天線、波導(dǎo)喇叭或單極子天線。天線的工作頻率決定了單元的尺寸和間距。
展開 基于CST相控陣天線快速設(shè)計方法
前言
在上世紀三十年代，相控陣技術(shù)就已經(jīng)出現(xiàn)在軍事領(lǐng)域的雷達應(yīng)用中。近年來隨著模擬微波/毫米波集成電路（MMIC）技術(shù)、數(shù)字波束形成技術(shù)、計算機及信號處理技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，相控陣理論也得到了長足的發(fā)展，結(jié)合相控陣理論的天線技術(shù)也成為天線領(lǐng)域里的一個熱門話題。相控陣雷達成為近幾年快速發(fā)展的一種新型雷達，主要的優(yōu)點在于其搜索跟蹤目標時，陣列天線是固定的，只要改變天線陣元間的相位差，即可達到使天線方向圖進行無慣性掃描的目的，避免了使陣列天線做機械轉(zhuǎn)動時的一系列問題。并且通過改變天線陣元饋電幅度的 大小，也可以使天線陣方向圖的形狀進行一定的改變，以便應(yīng)對不同的需求。目前，相控陣雷達已經(jīng)成為一個具有多目標搜索跟蹤、高自適應(yīng)能力的先進檢測系統(tǒng)。
當前計算機技術(shù)和各種三維電磁軟件的發(fā)展，為天線設(shè)計提供了強大的輔助，目前使用較多的有FEKO，HFSS，CST等軟件，本文采用CST設(shè)計一款相控陣天線，實現(xiàn)波束掃描，相對于傳統(tǒng)方法，大大節(jié)省計算資源和時間。
1． 單元設(shè)計
這里方便起見，采用背饋的微帶天線，模型如下
本文設(shè)計在73.5GHZ左右，經(jīng)過不斷優(yōu)化仿真，得到回撥損耗如下圖
上圖可知，-10db帶寬為71GHz---76.5GHz
天線單元的增益比較重要，太小的話會影響天線陣列的性能，根據(jù)相關(guān)理論，天線單元沒翻倍，增益將增加3dB左右，當然這是在理想情況下，也就是耦合很小情況。
上圖可知，微帶單元的最大輻射方向垂直于貼片，最大增益為7.64dB，符合常規(guī)要求。
二.陣列快速建立
接下來打開CST陣列快速建模功能如下如，這里采用橢圓形，單元個數(shù)在x方向為30個，y方向為20個。間隔3mm。
為了有效減低副瓣，采用泰勒綜合功能
上圖可知，在周邊幅度盡量小，中心大，這樣可以有效得到低副瓣。
展開 綜述 \\ 星載有源相控陣天線熱控技術(shù)研究進展
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摘要：分析了近年來國內(nèi)外星載有源相控陣天線熱控相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，包括導(dǎo)熱、非分離式熱管、毛細泵驅(qū)回路熱管、相變儲能技術(shù)、單相泵驅(qū)流體回路、兩相泵驅(qū)流體回路、微通道冷卻及射流沖擊冷卻等先進熱控技術(shù)．結(jié)合對國外其他航天器熱控系統(tǒng)的相關(guān)創(chuàng)新性技術(shù)和設(shè)計的綜述，對比指出目前我國在一些關(guān)鍵技術(shù)方面與國外先進技術(shù)水平的差距；同時，考慮航天器在空間特殊應(yīng)用環(huán)境下熱管理過程的熱量收集、傳輸和排散環(huán)節(jié)，分析熱控系統(tǒng)整體化設(shè)計過程，提出了星載有源相控陣天線熱控技術(shù)的未來主要發(fā)展方向，包括兩相泵驅(qū)流體回路關(guān)鍵技術(shù)突破、新型高效主被動復(fù)合式熱控架構(gòu)探索及新型熱控技術(shù)與輻射器設(shè)計相結(jié)合等，可為未來我國新一代星載有源相控陣天線的散熱方案研究提供參考．
關(guān)鍵詞：相控陣天線; 熱控技術(shù); 結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱; 相變儲能; 泵驅(qū)流體回路技術(shù); 射流冷卻
以衛(wèi)星為平臺的有源相控陣天線(active phased array antennas，APAA)因其具有大口徑、輕型結(jié)構(gòu)及高增益、作用距離遠、波束快速掃描、波束形狀捷變和多波束形成等特點，可滿足先進星載信息裝備的結(jié)構(gòu)與性能要求．
展開 自適應(yīng)微帶相控陣天線建模模塊
step3:依據(jù)天線口徑以及基板材料等參數(shù)，完成介質(zhì)基板建模，最終完成微帶相控陣天線自動建模。
總結(jié)
本文介紹了一種微帶相控陣天線自適應(yīng)建模方法，其依據(jù)天線口徑/貼片與饋線的結(jié)構(gòu)參數(shù)/波束掃描角范圍，可實現(xiàn)微帶相控陣天線的自適應(yīng)建模，相較于原模塊，建模效率更高，操作更加便捷。
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某有源相控陣天線冷板散熱仿真分析
來源：科學與技術(shù) 作者：蔣瑞 高天一
關(guān)鍵字：相控陣雷達 天線冷板 散熱仿真
本文根據(jù)某機載相控陣雷達天線艙內(nèi)的空間布局，對天線冷板進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并運用有限元體積法的Icepak軟件對三維模型進行散熱效能仿真，對仿真結(jié)果進行分析，驗證了冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足了相控陣雷達天線陣面發(fā)熱插件通風散熱要求。
1 某機載雷達相控陣的構(gòu)成
機載相控陣雷達主要由T/R組件、波控網(wǎng)絡(luò)、天線振子、電源、天線陣面、饋電網(wǎng)絡(luò)等部分組成。其中T/R組件是整個天線的核心以及發(fā)熱集中區(qū)域，因此如何將T/R組件工作時產(chǎn)生的熱量散發(fā)至外部環(huán)境成為熱設(shè)計的關(guān)鍵與難點。
2 天線陣面熱仿真
2.1 天線陣面模型建立及簡化
對于本模型，在進行散熱分析時，主要關(guān)注的是T/R組件基板上高功率芯片的發(fā)熱量以及冷板散熱能力，其他細小零件對整體模塊的散熱的影響不大進行了省略處理；對冷卻流體工質(zhì)聯(lián)接導(dǎo)管、冷卻工質(zhì)進出口、T/R組件等直接或間接影響散熱能力的部件進行模型簡化分析。
根據(jù)天線陣面冷卻系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：環(huán)境溫度：50℃；流體介質(zhì)：65#防凍液；流體溫度：35℃，可以得到天線陣面熱邊界參數(shù)如表1：
表1 天線陣面熱設(shè)計邊界條件
表中T/R組件進出口溫差為串聯(lián)支路的溫差，其余皆為單個。
根據(jù)天線艙內(nèi)的空間布局，以及上表中的熱邊界條件，對冷板進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計并建立ICEPAK模型如圖1所示。
圖1 雷達陣面熱仿真模型布置圖
2.2 熱仿真結(jié)果分析
對模型進行三維散熱效能仿真建模，其仿真條件：介質(zhì)為65#防凍液，介質(zhì)溫度=35℃，環(huán)境溫度=55℃，總功耗為15KW，系統(tǒng)總流量為2.048m3/h。
展開 Ansys高頻電磁應(yīng)用領(lǐng)域及案例（中篇）
相控陣天線設(shè)計
HFSS軟件針對現(xiàn)代相控陣天線的設(shè)計需求，提供了從模塊到整機系統(tǒng)的設(shè)計平臺，可實現(xiàn)電磁場一電路一電磁場的閉環(huán)仿真，有效地幫助工程師攻克相控陣天線在系統(tǒng)集成方面的設(shè)計難題。
陣面設(shè)計
單元法：Floquet端口配合周期性邊界對周期性結(jié)構(gòu)進行電磁分析的方法稱為單元法，可作為相控陣設(shè)計中，評估陣中單元性能的有效方法，它不僅能快速發(fā)現(xiàn)陣列的掃描盲區(qū)，還能提供多種分析手段，幫助設(shè)計者對掃描盲區(qū)的產(chǎn)生原因做出準確的判斷。
有限大陣(Finite ArrayDDM)：是HFSS獨有的一種基于單元法模型和區(qū)域分解法的高效大規(guī)模陣列天線仿真方法。這種方法與全陣建模求解同樣精確，并且建模求解都更加快速。
三維部件有限大陣(3DComp DDM)：基于三維部件的有限大陣列仿真方法是Anys HFSS 2019 R3中新引入的一種的基于迭代域分解的陣列仿真技術(shù)，可用于對具有不相同單元的有限周期結(jié)構(gòu)進行建模仿真。
陣列與前端饋電系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計
HFSS場路協(xié)同仿真方法通過電路和電磁場的動態(tài)鏈接與激勵推送，可以實現(xiàn)在電路仿真器中，將天線模型與饋電網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)合起來協(xié)同設(shè)計，仿真并優(yōu)化駐波特性，進行匹配設(shè)計。這樣，不僅可以大大提高設(shè)計效率，充分考慮結(jié)構(gòu)中的電磁場細節(jié)，直接獲得整個饋電系統(tǒng)優(yōu)化的性能指標，而且避免了在設(shè)計中對單個部件過高的指標要求，可以方便地獲得整個系統(tǒng)最優(yōu)化的性能。
利用HFSS場路協(xié)同設(shè)計功能，將周期性邊界條件仿真的陣中單元特性與饋電網(wǎng)絡(luò)在Circuit中組裝在一起，考慮天線單元之間的耦合特性和饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生效應(yīng)情況下，進行匹配設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)和陣列天線的協(xié)同仿真。
展開 CST陣列天線仿真系列研討會（含CST實操培訓(xùn)）-9月12日直播
在5G、6G以及衛(wèi)星通訊領(lǐng)域，陣列天線的應(yīng)用越來越廣泛。基站陣列天線的發(fā)展趨勢包括多頻段、多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)以及高密度小型化設(shè)計。衛(wèi)星通訊中陣列天線的需求則集中在超寬帶寬角掃描、高速傳輸處理和高度集成化。這對陣列天線的設(shè)計提出了更高的要求。
電磁仿真在陣列天線的設(shè)計與驗證中扮演著關(guān)鍵角色。作為全球領(lǐng)先的電磁場仿真軟件，CST憑借其先進的技術(shù)體系、卓越的精度、高效的計算性能以及友好的操作體驗，深受工程師和科研人員的信賴，成為天線仿真的首選工具。
無論是基站天線還是大規(guī)模相控陣天線，新版本的CST均提供了完善的解決方案。通過使用CST的Array Task功能和HPC技術(shù)，設(shè)計人員可以高效完成復(fù)雜陣列天線的設(shè)計與驗證。
本次會議，我們準備了三個議題，將討論：
1.CST在基站陣列天線仿真的解決方案。
2.CST在衛(wèi)星通訊相控陣天線仿真的解決方案。
3.CST實操培訓(xùn)，演示相控陣天線仿真流程。
CST陣列天線仿真線上研討會
本次研討會將在9月12日下午通過線上會議形式舉辦，誠邀您的參與。
展開 行業(yè)應(yīng)用方案 | 雷達天線與系統(tǒng)
典型應(yīng)用案例
相控陣天線
3mm波導(dǎo)天線
多天線互擾
汽車雷達天線
FSS隱身罩
雷擊防護
天線布局
汽車場景成像
來源于：ANSYS
行業(yè)應(yīng)用方案 | 雷達天線與系統(tǒng)
相控陣雷達天線
導(dǎo)航雷達天線
非周期陣列天線
波導(dǎo)裂縫陣列天線
雙頻/雙極化陣列天線
天線布局優(yōu)化分析
多天線互擾分析
雷達罩隱身設(shè)計
天線+罩一體化設(shè)計
雷達目標特性與成像
系統(tǒng)鏈路干擾預(yù)分析
電磁脈沖防護
雷擊防護分析
系統(tǒng)EMC分析
板級PI/SI分析
AEDT集成電、熱、力，及Workbench專業(yè)分析平臺。
行業(yè)應(yīng)用方案 | 雷達天線與系統(tǒng)
相控陣雷達天線
導(dǎo)航雷達天線
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雙頻/雙極化陣列天線
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