CN111625932B - 一种半实物化天线仿真方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半实物化天线仿真方法及系统，属于微波技术领域，通过矢量网络分析仪提取匹配电路S参数，导入三维电磁仿真软件后与天线协同仿真。具体过程是使用矢量网络分析仪提取匹配电路的双端口的S参数，把S参数数据导入三维电磁仿真软件后，与天线模型级联；再通过三维电磁仿真软件对半实物化天线模型进行仿真，借助仿真软件得到天线性能最终结果。本发明将电路中的电阻损耗、寄生电容和电感对天线的影响考虑在内，避免了实际测量时候地面和周围环境对天线测量的干扰，更加准确、方便地得到了天线的远场性能。

Description

一种半实物化天线仿真方法及系统
技术领域
本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种半实物化天线仿真方法及系统。
背景技术
短波和超短波雷达可用于海态、舰船、冰山遥感；对超低空飞行的飞机、导弹的探测距离远，预警时间长，是低空防御的一种有效手段；具有良好的反隐身和抗反辐射导弹攻击的能力。另外，短波和超短波也是航天和卫星最常用的通信频段。由于使用环境的限制，常常要求这种天线既要结构简单、重量轻，又要带宽宽、性能好，特别是在航空领域中，常常要求采用结构简单的单极子天线的形式来获得要求的带宽和增益。目前，人们最常用的方法就是天线加匹配网络的方式进行设计，这种方法可以大大减小天线尺寸、增加天线带宽，可以使最简单的天线形式获得很大的性能提升。
天线的半实物化仿真是只用实测的方式提取匹配网络的性能参数，然后导入天线仿真软件和天线模型协同仿真，准确得到实际不方便测量的性能指标。
目前已知短波和超短波性能评估方法：1.仿真的方式。将匹配电路和天线同时在三维电磁仿真软件中建模，仿真天线的各种电性能。这种方法不能考虑到匹配网络中元器件的电阻损耗，而导致评估性能不准确；2.实测的方式。天线加工好之后，由于短波天线尺寸较大，暗室往往达不到测试要求，需要在空旷场地，采用信标天线对比的方式进行测量，这种方式只能得到天线某一个方向的增益，不能准确得到天线整个方向图，而且周围环境和地面的影响难以消除，导致测量结果不准确。为此，提出一种半实物化天线仿真方法及系统。
半实物化天线仿真的重点在于提取了实际匹配电路的电参数，准确还原了电路中电阻损耗和寄生电容、电感的影响。三维电磁仿真软件可实现对天线的建模，准确模拟天线周围的各种环境。将实际提取的电路参数导入仿真软件，不仅可以准确获得天线的各种天线性能，也更加方便探究周围环境对天线的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决短波和超短波天线性能评估不准确的问题，提供了一种半实物化天线仿真方法，该方法提取了实际匹配电路的电参数，准确还原了电路中电阻损耗和寄生电容、电感的影响，再利用三维电磁仿真工具对天线进行建模，准确模拟天线周围的各种环境，最后将实际提取的电路参数导入仿真软件，不仅可以准确获得天线的各种天线性能，也更加方便探究周围环境对天线的影响。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
S1：获取实际匹配电路的双端口S参数数据
对实际匹配电路进行测量，得到实际匹配电路的双端口S参数(散射参数)数据；
S2：天线部分建模
利用三维电磁仿真工具构建天线模型，再对天线周围环境进行建模；
S3：建立双端口匹配网络控件
在天线馈电端口处建立双端口匹配网络控件，设置通过S参数形式进行导入；
S4：建立半实物化天线模型
将步骤S1中得到的双端口S参数数据导入三维电磁仿真工具中，与步骤S2中已建立的天线模型级联，生成半实物化天线模型；
S5：获得天线性能
利用三维电磁仿真软件对半实物化天线模型进行计算，获得天线性能。
更进一步的，在所述步骤S1中，利用矢量网络分析仪对实际匹配电路进行测量。
更进一步的，在所述步骤S1中，双端口S参数数据中包含实际匹配电路中的电阻损耗、寄生电容和电感等信息。
更进一步的，在所述步骤S1中，实际匹配电路的两个端口的特征阻抗值均为50Ω，这样方便测试以及与天线模型级联。
更进一步的，在所述步骤S5中，利用三维电磁仿真软件对半实物化天线模型进行计算的具体过程为:
1、根据实际天线，使用Feko软件绘制3D天线模型，所述天线模型可以是金属振子、微带贴片或者全金属等模型；
2、根据天线材料的属性、天线的边界条件以及实际天线，建立天线模型；
3、在天线模型中，为天线添加激励端口，端口阻抗设置为50Ω；
4、在Feko软件中的network模块添加实际测量的匹配电路阻抗信息(即导入矢量网络分析仪中存储的.S2P文件)；
5、根据实际需要，设计仿真求解的频率范围，并根据天线模型的实际需要划分网格，进行仿真计算。
本发明还提供了一种半实物化天线仿真系统，包括：
实测数据获取模块，用于对实际匹配电路进行测量，得到实际匹配电路的双端口S参数数据；
天线部分建模模块，用于利用三维电磁仿真工具对构建天线模型，再对天线周围环境进行建模；
匹配网络控件建立模块，用于在天线馈电端口处建立双端口匹配网络控件，设置通过S参数形式进行导入；
半实物化天线模型建立模块，用于将得到的双端口S参数数据导入三维电磁仿真工具中，与已建立的天线模型级联，生成半实物化天线模型；
天线性能计算模块，用于利用三维电磁仿真软件对半实物化天线模型进行计算，获得天线性能；
控制模块，用于控制各模块执行指令；
所述实测数据获取模块、天线部分建模模块、匹配网络控件建立模块、半实物化天线模型建立模块、天线性能计算模块均与所述控制模块电连接。
本发明相比现有技术具有以下优点：使用该方法计算天线性能，可以把匹配电路中的电阻损耗、寄生电容和电感考虑在内，使计算结果更加准确；使用该方法计算天线性能，可以方便准确的得到天线的远场特性，解决短波天线很难准确测量的问题；使用该方法可以获得周围环境对天线的影响结果，对天线的调试和使用具有重大指导意义。
附图说明
图1为本发明实施例中半实物化天线仿真方法的拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例中匹配电路S参数数据导入半实物化天线模型的示意图；
图3为本发明实施例中所用三维电磁仿真工具FEKO的应用界面图。
图中：1、天线模型；2、匹配电路S参数；3、矢量网络分析仪；4、实际匹配电路。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、图2所示，本实施例提供一种技术方案：一种半实物化天线仿真方法，包括：
S1：获取实际匹配电路的双端口S参数数据
对实际匹配电路进行测量，得到实际匹配电路的双端口S参数数据；
S2：天线部分建模
利用三维电磁仿真工具对构建天线模型；
S3：建立双端口匹配网络控件
在天线馈电端口处建立双端口匹配网络控件，设置通过S参数形式进行导入，具体过程为：
采用Feko软件自带的network控件，将控件设置为S参数格式导入，然后把步骤S1中测量的S2P文件添加到控件中；
S4：建立半实物化天线模型
将步骤S1中得到的双端口S参数数据导入三维电磁仿真工具中，与步骤S2中已建立的天线模型级联，生成半实物化天线模型；
S5：获得天线性能
利用三维电磁仿真软件对半实物化天线模型进行计算，获得天线性能。
在所述步骤S1中，利用矢量网络分析仪对实际匹配电路进行测量，具体过程包括：
对矢量网络分析仪进行双端口校准；
把矢量网络分析仪的两端口port1、port2分别与匹配电路的两端进行连接；
从矢量网络分析仪中输出S参数数据文件，文件格式为.S2P。
在所述步骤S1中，双端口S参数数据中包含实际匹配电路中的电阻损耗、寄生电容和电感等信息。
在所述步骤S1中，实际匹配电路的两个端口的特征阻抗值均为50Ω，这样方便测试以及与天线模型级联。
在所述步骤S5中，利用三维电磁仿真软件对半实物化天线模型进行计算的具体过程为：
1、根据实际天线，使用Feko软件绘制3D天线模型，所述天线模型可以是金属振子、微带贴片或者全金属等模型；
2、根据天线材料的属性、天线的边界条件以及实际天线，建立天线模型；
3、在天线模型中，为天线添加激励端口，端口阻抗设置为50Ω；
4、在Feko软件中的network模块添加实际测量的匹配电路阻抗信息(即导入矢量网络分析仪中存储的.S2P文件)；
5、根据实际需要，设计仿真求解的频率范围，并根据天线模型的实际需要划分网格，进行仿真计算。
在本实施例中，三维电磁仿真工具为三维电磁仿真软件FEKO，如图3所示，为三维电磁仿真软件FEKO的应用界面图。
本实施例还提供了一种半实物化天线仿真系统，包括：
实测数据获取模块，用于对实际匹配电路进行测量，得到实际匹配电路的双端口S参数数据；
天线部分建模模块，用于利用三维电磁仿真工具对构建天线模型，再对天线周围环境进行建模；
匹配网络控件建立模块，用于在天线馈电端口处建立双端口匹配网络控件，设置通过S参数形式进行导入；
半实物化天线模型建立模块，用于将得到的双端口S参数数据导入三维电磁仿真工具中，与已建立的天线模型级联，生成半实物化天线模型；
天线性能计算模块，用于利用三维电磁仿真软件对半实物化天线模型进行计算，获得天线性能；
控制模块，用于控制各模块执行指令；
所述实测数据获取模块、天线部分建模模块、匹配网络控件建立模块、半实物化天线模型建立模块、天线性能计算模块均与所述控制模块电连接。
综上所述，上述实施例中的半实物化天线仿真方法，使用该方法计算天线性能，可以把匹配电路中的电阻损耗、寄生电容和电感考虑在内，使计算结果更加准确；使用该方法计算天线性能，可以方便准确的得到天线的远场特性，解决短波天线很难准确测量的问题；使用该方法可以获得周围环境对天线的影响结果，对天线的调试和使用具有重大指导意义，值得被推广使用。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种半实物化天线仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取实际匹配电路的双端口S参数数据
对实际匹配电路进行测量，得到实际匹配电路的双端口S参数数据；
S2：天线部分建模
利用三维电磁仿真工具构建天线模型，再对天线周围环境进行建模；
S3：建立双端口匹配网络控件
在天线馈电端口处建立双端口匹配网络控件，设置通过S参数形式进行导入；
S4：建立半实物化天线模型
将步骤S1中得到的双端口S参数数据导入三维电磁仿真工具中，与步骤S2中已建立的天线模型级联，生成半实物化天线模型；
S5：获得天线性能
利用三维电磁仿真软件对半实物化天线模型进行计算，得到天线性能。
2.根据权利要求1所述的一种半实物化天线仿真方法，其特征在于：在所述步骤S1中，利用矢量网络分析仪对实际匹配电路进行测量。
3.根据权利要求1所述的一种半实物化天线仿真方法，其特征在于：双端口S参数数据中包含实际匹配电路中的电阻损耗、寄生电容和电感信息。
4.根据权利要求1所述的一种半实物化天线仿真方法，其特征在于：在所述步骤S1中，实际匹配电路的两个端口的特征阻抗值均为50Ω。
5.根据权利要求1所述的一种半实物化天线仿真方法，其特征在于：在所述步骤S5中，利用三维电磁仿真软件对半实物化天线模型进行计算的具体过程为：
S51：根据实际天线，使用软件工具绘制3D天线模型；
S52：根据天线材料的属性、天线的边界条件以及实际天线，建立天线仿真模型；
S53：在天线仿真模型中，为天线添加激励端口，端口阻抗设置为50Ω；
S54：在软件工具中的network模块添加测量得到的实际匹配电路阻抗信息；
S55：根据实际需要，设计仿真求解的频率范围，并根据天线模型的实际需要划分网格，进行仿真计算。
6.一种半实物化天线仿真系统，其特征在于，采用如权利要求1～5任一所述的仿真方法对天线性能进行测试，包括：
实测数据获取模块，用于对实际匹配电路进行测量，得到实际匹配电路的双端口S参数数据；
天线部分建模模块，用于利用三维电磁仿真工具对构建天线模型，再对天线周围环境进行建模；
匹配网络控件建立模块，用于在天线馈电端口处建立双端口匹配网络控件，设置通过S参数形式进行导入；
半实物化天线模型建立模块，用于将得到的双端口S参数数据导入三维电磁仿真工具中，与已建立的天线模型级联，生成半实物化天线模型；
天线性能计算模块，用于利用三维电磁仿真软件对半实物化天线模型进行计算，获得天线性能；
控制模块，用于控制各模块执行指令；
所述实测数据获取模块、天线部分建模模块、匹配网络控件建立模块、半实物化天线模型建立模块、天线性能计算模块均与所述控制模块电连接。
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