執行摘要

復雜情景中的天線性能分析會因調查中予以考慮的實際細節而產生問題。在這種情況下，測量和數字建模是評估天線性能的基礎工具。

使用計算電磁學（CEM）工具所創建的數字建模需要對源天線進行特定表述。可通過了解具體的天線特性實現這一點。但在大多數實際情況中，全波表述不可行或不可用。因此天線測量技術被證明是有效的方法。

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

前言

如要將一個輻射設備部署在大型結構上，比如將天線部署在衛星上、將雷達部署在飛機上或將傳感器部署在汽車上，就需要對情景進行調查和優化。由于測得數據的總結性和高度的穩定性，仍需要通過完整的測量對已部署的天線性能進行最終驗證，同時在天線部署研究與優化的初始階段增加數字建模的使用。

由于測試情景愈加復雜，因此計算電磁學（CEM）模擬工具正在使用的是域分解技術（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、隔離環境中鯊魚鰭天線的輻射測量；確定對應的EQC模型。

3D空間輻射設備的黑盒表述

雖然微波組件黑盒電氣表述的開發革新了集成電路的設計，但3D空間輻射設備，如天線等的黑盒表述就沒那么成功。微波設備的黑盒表述基于設備物理端口的定義以及S參數所定義的入射波和出射波之間的關系。由于只能通過測量、模擬或供應商獲得完整描述設備特性的S參數表述，因此用戶常常對設備細節一無所知。

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

操作人員可以通過域分解技術 (DDT) 將測試中的情景分成更易管理的分區，從而優化和減少計算成本。實踐中，在復雜天線部署問題中使用DDT，便可以通過非常精確的模擬設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的使用被嚴格限制于模擬的問題上，并且必須使用不同的數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 軟件中研發的新技術直接使用DDT，允許真實測量來表征子問題。

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

INSIGHT 提供“缺失的環節”，整合數字模擬和天線測量，了解已部署的天線性能。

定義鏈接

鏈接是天線測量設備、CEM數字建模以及適用于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。該系統分為兩個部分：喇叭天線 （源天線）和反射器，如圖2所示。

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

最初測量隔離環境中喇叭天線的輻射圖形 (近場和/或遠場）。然后對測得的數據進行處理，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。

當天線靠近或直接安裝在復雜結構上時，源天線的等效電流表述還能帶來精確的結果。這一通用流程可以用于復雜環境中任意形狀和復雜程度的天線 ^[1-5]。

圖3、鏈接

天線測量設備

球形、圓柱形或平面掃描表面上的天線輻射圖形近場或遠場測量同樣適用于用于CEM模擬的EQC的準備。大多數情況下，隔離天線的測量不一定需要大型測量設備，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行模擬的平臺一同使用。此外，如果該系統是一個多探針系統，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^[15]進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^[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INSIGHT ^[7]測得的數據計算等效電流表述^[9-12]。使用反源方法的關鍵是其在環繞被測天線（AUT）的任意或通用3D表面上重構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的示例。

圖5、根據測得的雙脊喇叭天線輻射圖形進行等效電流重構以進行診斷。

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構上的任何位置（最終情景）。在遇到非球面波擴展的情況下建議使用該方法。在球面波擴展中，只能計算源天線最小球面外側的輻射場 ^[15]。這一完全圍繞源天線的最小半徑球面不能與該結果相交，因此源天線不能安裝在過于靠近該結構的位置。這樣，這一方法只適用于數量有限的實用測試案例。當等效電流處理用于數字建模測得的數據時，環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軟件根據測得的雙脊喇叭天線輻射圖形重構等效電流。

CEM工具中的數字模擬

當在INSIGHT中創建源天線的等效黑盒時，可以將黑盒應用于多種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行模擬。優點：無需對源文件進行修改并且可以在任何待測情景中使用EQC表述，即便是最復雜的也不例外。可以通過多種商業CEM解算器導入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場輻射圖形。

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

驗證鏈接：證明數據和結構

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

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)；水平結構上的嵌裝單極錐天線和開口波導 (b)；弧形結構上的嵌裝單極天線 (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) 水平結構上的嵌裝單極錐天線和開口波導；
c) 弧形結構上的嵌裝單極天線。

之前在隔離環境中測得的天線等效電流表述已被提供給6家CEM工具供應商。對各供應商的結果進行對比，并且按照最終情景的標準測量進行比較。標準測量包含在測量系統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，各軟件供應商交換數字模擬結果。

本文只展示了水平結構上的嵌裝單極錐天線示例。

驗證測試 [情景/結構]

驗證結構包含水平結構上的嵌裝式單極錐( 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測量期間的驗證結構。

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

使用近場源的模擬

嵌裝應用中源天線EQC表述評估的復雜程度遠高于從可能是散射源的結構（本文中指接地板）中分離的源模型評估。散射結構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。可根據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所示的是測量設置。

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

測得數據的后處理會消除創建目標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對測得數據的后處理，可消除創建目標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等效電流技術創建3D電磁模型。

圖13、最終情景中近場源的準備和部署。

應注意的是，由于對無限接地平面條件進行了假設，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。

結果

將測得的單極錐天線作為燈箱黑盒計算并且導入到CEM模擬軟件得到單極錐天線在完整測試情景（設置在圖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 " 是標準測量。已使用同一惠更斯盒通過不同的CEM工具計算模擬結果^[17-22]。可以看到測量結果和模擬結果非常一致。

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)。使用測得的來源進行測量和模擬：CST ^[17]、Savant^[18]、FEKO ^[19]、HFSS ^[20]、 ADF ^[21]、WIPL-D^[22]。

根據測得的和模擬的場之間的加權差^[5]，已對因測量和模擬之間的關聯而產生的鏈接有效性進行了評估。測得的遠場作為參照場。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差重疊。

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

已計算加權差的中間值，該中間值表示表II所示的單一值中的關聯。

表II、測量長方形板上單極錐天線SMC2200的加權均數差

模擬和測量之間的平均關聯為約30 dB，這與從天線傳統全波模擬中獲得的結構相近。

這一積極的結果確認了技術的精度和有效性以及測量與CEM模擬工具之間的鏈接。

結論

在諸多復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（CEM）工具所要求的格式，尤其是當第三方提供天線和/或天線受知識產權保護時。

在這些情況中必須進行測量和模擬。擬定的解決方案植根于域分解技術并且測量隔離環境中物理天線的輻射圖形，從而創建可以導入到商業CEM模擬工具的等效表述。該技術的主要優勢在于在所采取的工作流程中無需對源文件進行額外的修改。因此，EQC模型可以用作多種和/或復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創建這一表述。如今，INSIGHT能夠將EQC模型導出至多個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工具和數字方法中的應用。該結果展示了該鏈接能夠非常有效地確定多種復雜情景中的天線的特性。

這項技術的實際用途在于能夠非常靈活地測試大型或復雜設備，尤其是在源天線特性未知的情況下。這是天線設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生的測試要求時能夠順利地實現這一用途。

·Lars Jacob Foged, MVG

·Lucia Scialacqua, MVG

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