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考虑TR组件影响的相控阵天线仿真

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考虑TR组件影响的相控阵天线仿真

谢成诚 Bhargava Anurag

安捷伦科技EEsof EDA;cheng-cheng_xie@https://www.doczj.com/doc/684864546.html,; anurag_bhargava@https://www.doczj.com/doc/684864546.html,

摘要:本文介绍了一种相控阵天线仿真的新办法:将功率分配网络、数控移相器、TR组件等射频电路和微带天线阵列进行联合仿真,得到综合的阵列天线远场情况。结果不仅考虑了馈电网络的幅度、相位差异,还使用电磁场仿真工具对微带天线阵列进行了精确仿真,并将馈电网络对天线的远场影响加以考虑。这样得到的天线远场辐射情况和实际结果更加接近。

关键词:相控阵天线,TR组件,联合仿真

Simulation of Patch Array Antenna with TR module’s effect

Chengcheng Xie Bhargava Anurag

Agilent Technologies EEsof EDA

Abstract: In this paper, a new simulation method of patch array antenna is introduced. Not only simulate patch array antenna’s EM performance, but also concern the affects of feed networks including power divider network, digital phase shifter,TR module etc. At last, a compare of gain with integrate array antenna and with ideal array antenna is given.

Keywords: Patch Array Antenna, TR module, co-simulation

1 引言

相控阵天线最早用于军用雷达,由于具有跟踪速度快、电气性能好、可靠性高且便于和载体共形安装等许多独特的优势,使它同样成为卫星移动通信各类站型天线的首选方案,并且得到了高度的重视和广泛的应用。

传统的相控阵设计流程通常将天线阵列和TR 组件等分别加以考虑,而不考虑相互的影响。实际上,从信号源经过功率分配、电调移相、衰减、TR 组件后,到达天线馈电端的幅度、相位都存在较大的差异,这将影响相控阵天线阵列的工作性能。

在本文中,利用安捷伦科技的先进设计系统(ADS[1])将从信号源到天线这一链路加以仿真,考虑不同射频通道之间的差异性以及TR组件和天线之间的相互影响。最后,将联合仿真得到的增益和传统理想馈电方式做出比较。2 阵列天线联合仿真

整个相控阵系统框图如图1所示。在功率源之后还包括了功率分配网络、数字移相器、TR组件以及4×4天线阵列。

图1 相控阵天线射频系统框图

在功率分配网络部分,采用三维平面电磁场及原理图线性仿真的方式对16路功分器进行模拟。在考虑传输线之间耦合、不连续性的同时也加入了隔离电阻的影响。如图2所示,为1分16功率分配网

络在传输、反射特性上的不一致性。

(a)

(b)

图2 功率分配网络特性(a)传输、(b)反射

在数控移相器单元,每一行的相位一致,相邻行之间相差为phasegrad的整数倍。相差作为变量,可以在原理图中进行设置。

在TR组件单元,使用行为级模型对TR组件进行了建模。特别对发射链路中的功率放大器非线性特性、接收链路中低噪放的噪声系数等关键指标进行了设置。TR组件框图如图3所示。

图3 TR组件框图

阵列天线部分仿真使用内嵌在ADS中的平面三维电磁场仿真工具Momentum,可以考虑天线之间的耦合及具体布局等影响,得到整个阵列每个端口的S 参数。

在使用谐波平衡法对整个电路进行仿真之后,可以得到每个天线馈电端口的幅度、相位的准确信息[2],如图4所示。可以看出,各端口的幅度一致性尚可,但相位的差别较大,最大值和最小值之差达到了24.7度。由于幅度和相位的离散性带来的影响随后会加以考虑。可见,在设计功率分配网络和TR 组件时,应该将相位一致性作为一个重要指标进行考量、优化。

图4 天线端口幅度相位对比

经过Momentum的三维电磁场后处理器,同时加载天线每个端口的幅度及相位,可以得到整个系统的二维、三维远场特性。图5所示为每一行等幅同相馈电及等幅相差30度馈电时天线阵列的三维远场情况对比,可明显看出天线的主瓣方向发生了偏移。

(a)等幅同相馈电时天线阵列三维远场增益图

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(b )等幅相差30度馈电时天线阵列三维远场增益图

图5 相控阵天线远场三维辐射图对比 为验证天线阵列之前射频电路对天线远场的影响,在Momentum 中直接设置16个端口激励为等幅同相信号,获得其远场增益情况。对比理想馈电和考虑了射频电路幅相差异的情况可见,电路的相位不一致导致天线的旁瓣较大。

图6 理想天线阵列及考虑射频电路影响

天线阵列远场增益比较

3 结论

利用原理图及平面三维电磁场联合仿真的方式,可以将功率分配网络、TR 组件等射频电路对阵列天线的影响加以考虑,使得仿真结果更加接近真实情况。

参 考 文 献

[1] https://www.doczj.com/doc/684864546.html,/agilent/product.jspx?nid =-34346.0.00&cc =

CN&lc =

chi

[2] How-Siang Yap, Bart Van-Hecke, Designing and simulation a wireless LAN antenna, Microwave Engineering Europe, June 2008

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