基于頻管仿真的電磁頻譜管理中電磁兼容分析的研究

基于頻管仿真的電磁頻譜管理中電磁兼容分析的研究

1天線是頻譜管理仿真的重要對(duì)象天線是高頻設(shè)備不可或缺的一部分。這項(xiàng)任務(wù)是將無(wú)線電傳感器設(shè)備中的高頻電流能量轉(zhuǎn)換為高頻輻射，或?qū)⑹覂?nèi)低頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻電流能量傳輸給接收器。大多數(shù)高頻設(shè)備都離不開(kāi)天線。因此,天線是頻譜管理仿真(以下簡(jiǎn)稱“頻管仿真”)中裝備建模的重要對(duì)象。但就目前科研機(jī)構(gòu)、高校及商業(yè)公司對(duì)天線仿真的研究來(lái)看,均是針對(duì)天線的模型設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化,或者用于產(chǎn)品研發(fā),而在頻管仿真領(lǐng)域用于頻譜共用和兼容性分析的天線仿真研究相對(duì)較少,方法也比較單一,因此需要深入開(kāi)展應(yīng)用于頻譜管理的天線仿真方法研究。2天線的建模仿真科學(xué)的電磁頻譜管理離不開(kāi)電磁兼容分析,其主要目的是預(yù)測(cè)無(wú)線電系統(tǒng)的電磁兼容性和潛在干擾,提出解決方案,以保障各頻段業(yè)務(wù)的良好運(yùn)行。解決頻譜管理領(lǐng)域中的電磁兼容分析問(wèn)題,必須借助有效的工具來(lái)完成。頻譜管理仿真技術(shù)以其特有的靈活性、預(yù)見(jiàn)性、科學(xué)性、全程性減輕了電磁兼容分析的工作量,提高了頻譜管理的精細(xì)化、科學(xué)化和自動(dòng)化水平,成為頻譜管理中電磁兼容分析的必然選擇。頻譜管理仿真分析具有較大的直觀性和靈活性,尤其在不具備實(shí)際被測(cè)設(shè)備或測(cè)試條件受限的情況下。仿真分析工作不僅可以免去各個(gè)測(cè)試單位之間的協(xié)調(diào)困難,而且還節(jié)約了大量的人力、物力、財(cái)力,縮短了工作周期。頻管仿真技術(shù)為電磁頻譜管理工作適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展提供了技術(shù)支撐平臺(tái)和新的工作思路,對(duì)軍事電磁頻譜管理工作的全面轉(zhuǎn)型、管理手段的科學(xué)化及管理技術(shù)架構(gòu)的體系化具有重要的促進(jìn)作用。對(duì)天線的建模仿真是頻管仿真中較為關(guān)鍵的基礎(chǔ)性工作。一方面,天線是輻射和接收電磁波的重要無(wú)線電設(shè)備,天線的性能是影響用頻裝備頻譜特性的重要指標(biāo);另一方面,在頻管仿真實(shí)驗(yàn)中,天線仿真與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景、裝備空間位置的聯(lián)系非常緊密,也是決定用頻裝備相互間干擾功率大小的關(guān)鍵因素。與商用、工業(yè)用的天線系統(tǒng)仿真不同,應(yīng)用于頻管領(lǐng)域的天線仿真其側(cè)重點(diǎn)既不是原始設(shè)計(jì),也不是最終的驗(yàn)收試驗(yàn)及天線設(shè)備定型,而是注重于對(duì)天線的頻譜特性進(jìn)行仿真分析,即在用頻方提供完整或者部分天線參數(shù)數(shù)據(jù)的情況下,采用合適的天線仿真方法對(duì)其頻譜特性進(jìn)行精確、完整的仿真分析。天線的頻譜特性參數(shù)主要包括方向圖、主瓣增益、副瓣增益、3dB波束寬度、極化方式、噪聲系數(shù)和輸入阻抗等。其中,用頻裝備的天線方向圖是影響用頻裝備在全空間方向上發(fā)射和接收信號(hào)功率大小的核心參數(shù),也是頻管仿真實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行干擾綜合計(jì)算的一項(xiàng)重要頻譜特性參數(shù),它能夠決定各個(gè)用頻裝備的空間地理位置及變化關(guān)系對(duì)最終仿真結(jié)果的影響程度。因此,對(duì)天線的三維方向圖仿真是天線建模仿真的主要內(nèi)容。在對(duì)用頻裝備的天線模型進(jìn)行建模仿真時(shí),采用天線的數(shù)據(jù)模型可以更全面準(zhǔn)確地反映天線的輻射特性,但前提是需要獲得天線的方向圖數(shù)據(jù)。而在實(shí)際工作中,用頻方不能提供收發(fā)設(shè)備完整的天線方向圖數(shù)據(jù),典型的方向圖數(shù)據(jù)只含有主瓣和第一副瓣的數(shù)據(jù)信息,往往忽略了其他方向上的增益差異,造成后續(xù)仿真工作計(jì)算誤差較大。再者,即使得到了天線的實(shí)測(cè)方向圖,但大部分也只是E面和H面的二維方向圖數(shù)據(jù),沒(méi)有直觀、全面、精確的三維方向圖數(shù)據(jù),并且由二維方向圖數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單疊加和插值運(yùn)算得到三維方向圖數(shù)據(jù)也存在著誤差較大的問(wèn)題。因此,需要對(duì)應(yīng)用于頻管領(lǐng)域中的天線仿真方法進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)天線空間電場(chǎng)分布的仿真分析,得到天線在全空間的輻射特性,為下一步用頻裝備的精確建模及電磁兼容分析打下良好的基礎(chǔ)。3天線方向圖數(shù)據(jù)頻管仿真中的天線仿真目的不是為了對(duì)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)或優(yōu)化,而是為了獲取天線的頻譜特性參數(shù),尤其是三維天線方向圖數(shù)據(jù),以便于在進(jìn)行裝備間兼容性分析時(shí),全面精確地分析天線在空間的輻射強(qiáng)度對(duì)分析結(jié)果的影響程度?；诖?提出了應(yīng)用于頻譜管理中的4種天線仿真方法。3.1維天線方向圖前期對(duì)用頻裝備的天線進(jìn)行仿真建模時(shí),天線的三維方向圖數(shù)據(jù)可由研制方提供或者由電波暗室實(shí)測(cè)得到。該方法的優(yōu)點(diǎn)是,天線仿真數(shù)據(jù)獲取直接、真實(shí)。缺點(diǎn)為:①研制方所能提供的三維天線方向圖是有限的,多數(shù)情況下提供的均為二維方向圖數(shù)據(jù);②只有具備一定規(guī)模的電波暗室才能測(cè)量得到天線的三維方向圖,測(cè)量條件受電波暗室規(guī)模大小的約束;③在電波暗室得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)需要投入大量的人力、物力、財(cái)力,并且在不同單位之間進(jìn)行協(xié)調(diào)困難。3.2數(shù)值仿真驗(yàn)證在大多數(shù)情況下,對(duì)用頻裝備進(jìn)行電磁兼容性分析時(shí),研制方提供的多為天線的二維方向圖數(shù)據(jù),因?yàn)樘炀€二維方向圖數(shù)據(jù)易于測(cè)得,并且根據(jù)理論計(jì)算很容易得到天線的E面和H面方向圖。而隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,用頻裝備的數(shù)量和使用密度大大增加,因而僅僅了解天線在水平面和垂直面上的輻射特性已經(jīng)不能滿足電磁兼容分析的需求。從國(guó)內(nèi)外發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)和相關(guān)研究成果來(lái)看,已經(jīng)有較多的近似算法可以根據(jù)實(shí)測(cè)二維方向圖的重構(gòu)得到天線三維方向圖數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)~分別采用不同的算法對(duì)天線二維方向圖數(shù)據(jù)進(jìn)行近似計(jì)算,從而得到了近似的天線三維方向圖,但存在沒(méi)有給出誤差數(shù)據(jù)和近似效果不理想的問(wèn)題,參考文獻(xiàn)提出了一種更為精確的近似算法,利用E面和H面方向圖來(lái)計(jì)算全向和定向天線的三維方向圖,給出了近似算法得到的結(jié)果與理論三維輻射方向圖之間的誤差,并與目前常用的SA算法、文獻(xiàn)中提出的近似算法與理論三維方向圖之間的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)研究結(jié)果表明,該近似算法對(duì)全向和定向天線的3D方向圖的計(jì)算精度均優(yōu)于SA算法,而在計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)較弱點(diǎn)時(shí)近似效果明顯優(yōu)于文獻(xiàn)所提出的近似算法。筆者根據(jù)Ansoft公司開(kāi)發(fā)的HFSS全波三維電磁仿真軟件建模得到了天線的E面、H面方向圖及三維方向圖數(shù)據(jù),借助于MATLAB仿真工具建立了文獻(xiàn)中的近似算法。最終驗(yàn)證結(jié)果表明,該近似算法生成的天線三維方向圖數(shù)據(jù)精確度較高,基本能夠滿足頻管天線仿真需求。以角錐喇叭為例,按照參考文獻(xiàn)中給出的天線參數(shù),運(yùn)用HFSS仿真軟件仿真得到的角錐喇叭天線模型如圖1所示,其二維及三維天線方向圖如圖2、圖3所示,驗(yàn)證結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。其中,U代表誤差函數(shù),對(duì)比數(shù)據(jù)分別為誤差數(shù)據(jù)的最小值、最大值、平均值、絕對(duì)值平均數(shù)和絕對(duì)值標(biāo)準(zhǔn)差。從算法驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看,參考文獻(xiàn)提出的近似算法的精確度明顯優(yōu)于SA算法和文獻(xiàn)提出的算法。上述利用已知的二維輻射方向圖數(shù)據(jù)重構(gòu)天線三維輻射方向圖的方法,其優(yōu)點(diǎn)為:天線二維方向圖數(shù)據(jù)不管是實(shí)測(cè)還是理論計(jì)算均易于獲得;根據(jù)二維方向圖數(shù)據(jù)和精確度較高的近似算法,能夠較為快捷地得到天線三維輻射方向圖數(shù)據(jù),從而更為全面地反映天線輻射在全空間的分布狀態(tài);節(jié)省了天線測(cè)量的人力、物力、財(cái)力,提高了工作效率。但是該方法的缺點(diǎn)為天線三維方向圖的數(shù)據(jù)精確度受近似算法的影響較大。3.3新型電磁仿真軟件及簡(jiǎn)介在確定天線的頻譜特性參數(shù)、物理尺寸或物理結(jié)構(gòu)模型的情況下,可運(yùn)用電磁仿真分析軟件如HFSS、CST等電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行建模仿真。作為目前電磁問(wèn)題主要分析手段,電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法為國(guó)內(nèi)外廣大工作者所研究,并且隨著這些數(shù)值方法研究的日趨成熟,大量商業(yè)化電磁仿真軟件不斷涌現(xiàn),這為具體的電磁兼容分析提供了極大的方便,也使包括天線在內(nèi)的微波器件的設(shè)計(jì)周期大為縮減。表2列出了目前最為常用的幾種電磁仿真分析軟件的功能和應(yīng)用。電磁仿真軟件的出現(xiàn),使得天線結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)可以在電腦上進(jìn)行,降低了之前的工作難度,大大提高了仿真分析工作的效率。HFSS提供了簡(jiǎn)潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)求解器,擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器,能計(jì)算任意形狀三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能,可以計(jì)算天線參量,如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖和3dB帶寬;繪制極化特性,包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、Ludwig第三定義場(chǎng)分量和軸比。CSTMICROWAVESTUDIO采用時(shí)域有限積分法(FIT),即先在時(shí)域計(jì)算,用一個(gè)寬頻譜的激勵(lì)信號(hào)(方波或者高斯波都有)去激勵(lì)模型,在時(shí)域計(jì)算后反演到頻域。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和場(chǎng)參數(shù)基本上是反演后得到的。其特點(diǎn)是可以計(jì)算相當(dāng)大的帶寬結(jié)果,而不需要像HFSS可能要把大帶寬分割后分別仿真。CST軟件最大特點(diǎn)是集成算法比較多,不僅包含軟件最具特色和獨(dú)有的時(shí)域FIT算法,而且包括了頻域的FEM、MOM以及高頻近似算法,可以說(shuō)是所有電磁仿真軟件中算法最多最全的軟件,可以較好地適應(yīng)頻管仿真中多種多樣的天線仿真需求。FEKO是一款基于矩量法的全波通用電磁分析軟件,實(shí)現(xiàn)方法全面,并且可以分析薄介質(zhì)片、多介質(zhì)體及平面分層媒質(zhì)等復(fù)雜問(wèn)題,MoM/FEM混合求解方法非常適合求解復(fù)雜介質(zhì)問(wèn)題。另外,FEKO還具備參數(shù)優(yōu)化、時(shí)域分析、自適應(yīng)頻率掃描及三維環(huán)境下復(fù)雜線纜分析等多種功能。為了求解電大乃至超電大問(wèn)題,基于矩量法的積分方程算法體系在2004年得到了極大的突破,FEKO第一個(gè)將多層快速多極子算法(MLFMM)代碼商業(yè)化,同時(shí)矩量法可與其他高頻近似方法混合計(jì)算,如與物理光學(xué)(PO)、幾何光學(xué)(GO)以及一致性繞射理論(UTD)的混合。這種真正的混合求解技術(shù)極大地減少了計(jì)算資源的需求,擴(kuò)大了求解電大尺寸問(wèn)題的規(guī)模。XFDTD是目前基于時(shí)域有限差分(FDTD)方法最好的高頻全波三維電磁場(chǎng)仿真軟件,是第一款支持MPI并行的商業(yè)軟件,也是目前硬件加速能力最強(qiáng)的仿真軟件(加速能力達(dá)50~300倍)。采用XFDTD的并行不僅能夠全波求解其他仿真軟件解決不了的電大尺寸問(wèn)題,還能全面提升仿真的速度。對(duì)于同樣的配置問(wèn)題,XFDTD的并行效率也是業(yè)界最高的。XFDTD的并行效率與所求解問(wèn)題的大小、集群計(jì)算機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。3.4天線設(shè)計(jì)工具在不知道天線的完整頻譜特性參數(shù)或確切的物理結(jié)構(gòu)模型,只是已知天線的部分參數(shù)(如工作頻率、主瓣增益、旁瓣增益等)和天線類(lèi)型(如單極子、微帶天線或拋物面天線等)的情況下,可綜合運(yùn)用天線仿真軟件進(jìn)行近似仿真,構(gòu)建一個(gè)基本滿足上述指標(biāo)的天線仿真模型。在該方法中,可以采用天線設(shè)計(jì)輔助工具,如AntennaMagus。該軟件是第一款天線設(shè)計(jì)類(lèi)的輔助工具,擁有大型天線庫(kù),近200種。該軟件生成的天線模型可以導(dǎo)入仿真工具FEKO/CST中做進(jìn)一步精確仿真。所以,在任意給定應(yīng)用要求的天線仿真中,AntennaMagus在尋找并得到可行方案的過(guò)程中可為天線仿真節(jié)省大量時(shí)間和精力,是一個(gè)非常有用的輔助設(shè)計(jì)工具。AntennaMagus的特點(diǎn)非常適合于頻譜管理中的天線仿真需求,在已知天線類(lèi)型和一些重要參數(shù)的情況下,它能在天線庫(kù)找到對(duì)應(yīng)天線并快速生成近似天線方向圖,并且還能存儲(chǔ)和管理天線數(shù)據(jù)和圖表,因此將在頻管仿真中發(fā)揮巨大的作用。本文只是針對(duì)常用的4種電磁仿真軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析,每種仿真軟件都有自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì),可根據(jù)不同的天線仿真需求及軟件的特點(diǎn)來(lái)選擇