下一代AESA雷达的设计流程与工具 留言
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号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)，馈电网络的射频链路预算，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。
设计用于高频信号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/信号处理(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，也不由馈电网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
•对射频馈电网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报，并对冰雹造成破坏，从而可以发出警报。
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，但它们的辐射信号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)全国网络经验的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)，间距和信号频率。
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网格配置，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角度指定信号方向。
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
原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）
