CN114896932A - 一种模拟仿真前期评估天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟仿真前期评估天线，涉及模拟仿真技术领域，包括仿真天线阵列、参数设定模块、数据采集模块、性能评估模块，仿真天线阵列与参数设定模块进行信号连接，参数设定模块的输出端信号连接在数据采集模块的输入端，数据采集模块的输出端信号连接在场路协同仿真模块的输入端，场路协同仿真模块的输出端分别信号连接在误差分析模块、输出分析模块预计性能评估模块的输入端。该模拟仿真前期评估天线，通过在场路协同仿真模块中设置阻抗匹配电路，并对天线的系统性能、误差影响、波达角估计等进行全面分析，并以此为依据修改实现方案，使天线的设计更加趋向于完善，从而缩短后期产品测试优化时间，提高产品设计效率。
Description
技术领域
本发明涉及模拟仿真技术领域，具体为一种模拟仿真前期评估天线。
背景技术
在如今的无线通讯时代，由于无线网通产品日趋重要导致无线网通产品的需求快速地成长。有关无线网通产品的通讯质量中，最重要的一环即为通讯天线的设计。此外，由于日益增加的数据传输质量以及数据量的增加需求，需要对天线进行模拟仿真评估测试。
现有技术中，在对天线进行模拟仿真评估测试时，由于仿真采用的是理想导体材料，并没有考虑到失配损耗，导致产品输出端口与接收端口严重失配，我们通过合理的添加阻抗匹配电路，使得天线的模拟仿真评估测试更具有真实性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种模拟仿真前期评估天线，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模拟仿真前期评估天线，包括仿真天线阵列、参数设定模块、数据采集模块、性能评估模块、场路协同仿真模块、误差分析模块以及输出分析模块，所述仿真天线阵列与参数设定模块进行信号连接，所述参数设定模块的输出端信号连接在数据采集模块的输入端，所述数据采集模块的输出端信号连接在场路协同仿真模块的输入端，所述场路协同仿真模块的输出端分别信号连接在误差分析模块、输出分析模块预计性能评估模块的输入端；
所述仿真天线阵列包括均匀分布在一个圆周上的多个阵列天线，阵列天线进一步包括一个发射天线以及余下所有的接收天线，用于仿真对应的实际天线；
所述参数设定模块，用于对仿真天线阵列进行参数配置，使得仿真天线阵列形成指定的天线类型进行模拟评估分析；
所述数据采集模块，用于采集仿真天线阵列的散射参数，转换成为仿真系统的电场分布,所述数据采集模块为矢量网络分析仪；
所述性能评估模块，用于对天线方向图、主瓣宽度、旁瓣电平、方向性系数、灵敏度以及波束指向的性能指标进行评估，用于验证选择的天线类型是否满足仿真天线阵列对应的实际需求；
所述场路协同仿真模块，用于利用阻抗匹配电路进行场路协同对比仿真，基于仿真结果对天线进行评估；
所述误差分析模块，基于对仿真天线阵列产生影响的误差进行天线的模拟仿真分析；
所述输出分析模块，对仿真天线阵列的性能进行分析和验证。
进一步优化本技术方案，所述阵列天线的个数为N，其中N的最小取值为2，发射天线标记为1号天线，采集1号天线自身发射的输入反射系数，采集2-N号的接收天线的传输效率参数。
进一步优化本技术方案，所述参数设定模块中配置的参数包括天线振子特性、信道参数、阵元数目、材料参数和阵列半径在内的天线参数，用于定义天线参数后，限定天线的系统性能指标以进行模拟仿真评估。
进一步优化本技术方案，所述数据采集模块基于接收天线对散射参数进行数据采集，并切换发射天线，分别采集余下所有的接收天线的散射参数，形成N*N的数据矩阵，如下式所示：
根据矢量网络分析仪采集到的散射参数，得到仿真天线阵列的入射场
并计算出仿真天线阵列的总电场
从而得到一个N*N的散射场数据作为仿真系统输入。
进一步优化本技术方案，所述误差分析模块对包括幅相误差，阵元位置误差以及阵元间的互耦三类误差进行分析，并通过可视化技术对误差进行体现，综合判定并清晰预知所选的仿真天线阵列的稳定性。
进一步优化本技术方案，所述场路协同仿真模块中的阻抗匹配电路基于两级射随电路进行设计，输入阻抗为开路特性，输出阻抗为50Ω。
进一步优化本技术方案，所述场路协同仿真模块中阻抗匹配电路的工作流程包括以下具体步骤：
S1、基于MATLAB开发工具得到仿真天线阵列的S参数并导入ADS，端口上添加50Ω阻抗，进行仿真后得到天线的S21a；
S2、在步骤S1中天线的输出端口添加阻抗匹配电路，进行仿真后得到天线的S21b；
S3、对比S21a和S21b得到添加阻抗匹配电路的改良仿真效果，改良数值为(S21b-S21a)dB。
进一步优化本技术方案，所述阻抗匹配电路中，天线输出阻抗≤天线输入阻抗，频率带宽宽度传输如下式所示：
其中，VL为天线输出阻抗，VS为仿真天线阵列接收的信号，ZL为天线输入阻抗。
进一步优化本技术方案，所述性能评估模块中的灵敏度计算公式如下式所示：
其中，Z0为波空间阻抗(≈377Ω)，K为玻尔兹曼常数，B为信号带宽，D为天线的方向系数，Fa为天线噪声因子。
进一步优化本技术方案，所述输出分析模块在输出特性分析的过程中，分别给出方位角和俯仰角估计的方差和标准差，以此来校验仿真天线阵列的整体性能。
与现有技术相比，本发明提供了一种模拟仿真前期评估天线，具备以下有益效果：
该模拟仿真前期评估天线，通过在场路协同仿真模块中设置阻抗匹配电路，并对天线的系统性能、误差影响、波达角估计等进行全面分析，并以此为依据修改实现方案，使天线的设计更加趋向于完善，从而缩短后期产品测试优化时间，提高产品设计效率。
附图说明
图1为本发明提出的一种模拟仿真前期评估天线的结构示意图；
图2为本发明提出的一种模拟仿真前期评估天线的阻抗匹配电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1，一种模拟仿真前期评估天线，包括仿真天线阵列、参数设定模块、数据采集模块、性能评估模块、场路协同仿真模块、误差分析模块以及输出分析模块，所述仿真天线阵列与参数设定模块进行信号连接，所述参数设定模块的输出端信号连接在数据采集模块的输入端，所述数据采集模块的输出端信号连接在场路协同仿真模块的输入端，所述场路协同仿真模块的输出端分别信号连接在误差分析模块、输出分析模块预计性能评估模块的输入端；
所述仿真天线阵列包括均匀分布在一个圆周上的多个阵列天线，阵列天线进一步包括一个发射天线以及余下所有的接收天线，用于仿真对应的实际天线；
所述参数设定模块，用于对仿真天线阵列进行参数配置，使得仿真天线阵列形成指定的天线类型进行模拟评估分析；
所述数据采集模块，用于采集仿真天线阵列的散射参数，转换成为仿真系统的电场分布,所述数据采集模块为矢量网络分析仪；
所述性能评估模块，用于对天线方向图、主瓣宽度、旁瓣电平、方向性系数、灵敏度以及波束指向的性能指标进行评估，用于验证选择的天线类型是否满足仿真天线阵列对应的实际需求；
所述场路协同仿真模块，用于利用阻抗匹配电路进行场路协同对比仿真，基于仿真结果对天线进行评估；
所述误差分析模块，基于对仿真天线阵列产生影响的误差进行天线的模拟仿真分析；
所述输出分析模块，对仿真天线阵列的性能进行分析和验证。
具体的，所述阵列天线的个数为N，其中N的最小取值为2，发射天线标记为1号天线，采集1号天线自身发射的输入反射系数，采集2-N号的接收天线的传输效率参数。
具体的，所述参数设定模块中配置的参数包括天线振子特性、信道参数、阵元数目、材料参数和阵列半径在内的天线参数，用于定义天线参数后，限定天线的系统性能指标以进行模拟仿真评估。
具体的，所述数据采集模块基于接收天线对散射参数进行数据采集，并切换发射天线，分别采集余下所有的接收天线的散射参数，形成N*N的数据矩阵，如下式所示：
根据矢量网络分析仪采集到的散射参数，得到仿真天线阵列的入射场
并计算出仿真天线阵列的总电场
从而得到一个N*N的散射场数据作为仿真系统输入。
具体的，所述误差分析模块对包括幅相误差，阵元位置误差以及阵元间的互耦三类误差进行分析，并通过可视化技术对误差进行体现，综合判定并清晰预知所选的仿真天线阵列的稳定性。
如图2所示，具体的，所述场路协同仿真模块中的阻抗匹配电路基于两级射随电路进行设计，输入阻抗为开路特性，输出阻抗为50Ω。
具体的，所述场路协同仿真模块中阻抗匹配电路的工作流程包括以下具体步骤：
S1、基于MATLAB开发工具得到仿真天线阵列的S参数并导入ADS，端口上添加50Ω阻抗，进行仿真后得到天线的S21a；
S2、在步骤S1中天线的输出端口添加阻抗匹配电路，进行仿真后得到天线的S21b；
S3、对比S21a和S21b得到添加阻抗匹配电路的改良仿真效果，改良数值为(S21b-S21a)dB。
具体的，所述阻抗匹配电路中，天线输出阻抗≤天线输入阻抗，频率带宽宽度传输如下式所示：
其中，VL为天线输出阻抗，VS为仿真天线阵列接收的信号，ZL为天线输入阻抗。
具体的，所述性能评估模块中的灵敏度计算公式如下式所示：
其中，Z0为波空间阻抗(≈377Ω)，K为玻尔兹曼常数，B为信号带宽，D为天线的方向系数，Fa为天线噪声因子。
具体的，所述输出分析模块在输出特性分析的过程中，分别给出方位角和俯仰角估计的方差和标准差，以此来校验仿真天线阵列的整体性能。
实施例二：
基于实施例一所述的模拟仿真前期评估天线进行实际天线的仿真，仿真平台采用SEMCAD，手机天线模型由一线手机制造商的手机产品提供，在仿真的过程中，对同一模型分别用宽带和谐波两种激励模式进行馈电。先用宽带模式考察手机天线的阻抗特性，得到S11曲线。再利用谐波模式得到谐振频率下天线的效率以及辐射特性。
基于参数设定模块对材料参数进行设置，设置的材料参数如表1所示。
| 电介质 | σ | ε<sub>r</sub> |
| 手机外壳 | 0.02 | 3.0 |
| PCB介质 | 0.02 | 4.6 |
| 液晶屏 | 0.04 | 3.7 |
| 液晶介质 | 0.2 | 4.8 |
| 天线支架 | 0.01 | 2.2 |
| 金属 | 5.8e7 | 1 |
| 磁介质 | σ<sub>H</sub> | μ<sub>r</sub> |
| 话筒/听筒 | 1.5e6 | 1e5 |
表1材料参数的设置
并按照1)整机、2)去除外壳的整机、3)去除介质器件的整机、4)去除金属器件的整机、5)只有天线及其支架和PCB的上述五种类型进行仿真，仿真结果如表2所示。
| 辐射效率％ | 匹配效率％ | 总效率％ | |
| 1) | 54.2 | 94.8 | 52.4 |
| 2) | 69.1 | 98.4 | 68.2 |
| 3) | 55.8 | 94.2 | 53.1 |
| 4) | 64.8 | 89.3 | 59.5 |
| 5) | 78.8 | 94.6 | 75.6 |
表2五种类型仿真结果
通过该模拟仿真前期评估天线进行仿真，依据上述的仿真结果，为提高天线的辐射效率，应选用低损耗和低介电常数的机壳、及介质器件，同时注意金属器件尽可能避开高损耗的介质器件。
本发明的有益效果是：
该模拟仿真前期评估天线，通过在场路协同仿真模块中设置阻抗匹配电路，并对天线的系统性能、误差影响、波达角估计等进行全面分析，并以此为依据修改实现方案，使天线的设计更加趋向于完善，从而缩短后期产品测试优化时间，提高产品设计效率。
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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种模拟仿真前期评估天线，其特征在于，包括仿真天线阵列、参数设定模块、数据采集模块、性能评估模块、场路协同仿真模块、误差分析模块以及输出分析模块，所述仿真天线阵列与参数设定模块进行信号连接，所述参数设定模块的输出端信号连接在数据采集模块的输入端，所述数据采集模块的输出端信号连接在场路协同仿真模块的输入端，所述场路协同仿真模块的输出端分别信号连接在误差分析模块、输出分析模块预计性能评估模块的输入端；
所述仿真天线阵列包括均匀分布在一个圆周上的多个阵列天线，阵列天线进一步包括一个发射天线以及余下所有的接收天线，用于仿真对应的实际天线；
所述参数设定模块，用于对仿真天线阵列进行参数配置，使得仿真天线阵列形成指定的天线类型进行模拟评估分析；
所述数据采集模块，用于采集仿真天线阵列的散射参数，转换成为仿真系统的电场分布,所述数据采集模块为矢量网络分析仪；
所述性能评估模块，用于对天线方向图、主瓣宽度、旁瓣电平、方向性系数、灵敏度以及波束指向的性能指标进行评估，用于验证选择的天线类型是否满足仿真天线阵列对应的实际需求；
所述场路协同仿真模块，用于利用阻抗匹配电路进行场路协同对比仿真，基于仿真结果对天线进行评估；
所述误差分析模块，基于对仿真天线阵列产生影响的误差进行天线的模拟仿真分析；
所述输出分析模块，对仿真天线阵列的性能进行分析和验证。
2.根据权利要求1所述的一种模拟仿真前期评估天线，其特征在于，所述阵列天线的个数为N，其中N的最小取值为2，发射天线标记为1号天线，采集1号天线自身发射的输入反射系数，采集2-N号的接收天线的传输效率参数。
3.根据权利要求1所述的一种模拟仿真前期评估天线，其特征在于，所述参数设定模块中配置的参数包括天线振子特性、信道参数、阵元数目、材料参数和阵列半径在内的天线参数，用于定义天线参数后，限定天线的系统性能指标以进行模拟仿真评估。
4.根据权利要求1所述的一种模拟仿真前期评估天线，其特征在于，所述数据采集模块基于接收天线对散射参数进行数据采集，并切换发射天线，分别采集余下所有的接收天线的散射参数，形成N*N的数据矩阵，如下式所示：
根据矢量网络分析仪采集到的散射参数，得到仿真天线阵列的入射场
并计算出仿真天线阵列的总电场
从而得到一个N*N的散射场数据作为仿真系统输入。
5.根据权利要求1所述的一种模拟仿真前期评估天线，其特征在于，所述误差分析模块对包括幅相误差，阵元位置误差以及阵元间的互耦三类误差进行分析，并通过可视化技术对误差进行体现，综合判定并清晰预知所选的仿真天线阵列的稳定性。
6.根据权利要求1所述的一种模拟仿真前期评估天线，其特征在于，所述场路协同仿真模块中的阻抗匹配电路基于两级射随电路进行设计，输入阻抗为开路特性，输出阻抗为50Ω。
7.根据权利要求6所述的一种模拟仿真前期评估天线，其特征在于，所述场路协同仿真模块中阻抗匹配电路的工作流程包括以下具体步骤：
S1、基于MATLAB开发工具得到仿真天线阵列的S参数并导入ADS，端口上添加50Ω阻抗，进行仿真后得到天线的S21a；
S2、在步骤S1中天线的输出端口添加阻抗匹配电路，进行仿真后得到天线的S21b；
S3、对比S21a和S21b得到添加阻抗匹配电路的改良仿真效果，改良数值为(S21b-S21a)dB。
8.根据权利要求6所述的一种模拟仿真前期评估天线，其特征在于，所述阻抗匹配电路中，天线输出阻抗≤天线输入阻抗，频率带宽宽度传输如下式所示：
其中，VL为天线输出阻抗，VS为仿真天线阵列接收的信号，ZL为天线输入阻抗。
9.根据权利要求6所述的一种模拟仿真前期评估天线，其特征在于，所述性能评估模块中的灵敏度计算公式如下式所示：
其中，Z0为波空间阻抗(≈377Ω)，K为玻尔兹曼常数，B为信号带宽，D为天线的方向系数，Fa为天线噪声因子。
10.根据权利要求1所述的一种模拟仿真前期评估天线，其特征在于，所述输出分析模块在输出特性分析的过程中，分别给出方位角和俯仰角估计的方差和标准差，以此来校验仿真天线阵列的整体性能。
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|---|---|---|---|---|
| CN116865807A (zh) * | 2023-07-17 | 2023-10-10 | 东方空间技术(山东)有限公司 | 一种可切换式遥测天馈系统设计方法及遥测天馈系统 |
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Cited By (2)
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| CN116865807A (zh) * | 2023-07-17 | 2023-10-10 | 东方空间技术(山东)有限公司 | 一种可切换式遥测天馈系统设计方法及遥测天馈系统 |
| CN116865807B (zh) * | 2023-07-17 | 2024-03-19 | 东方空间技术(山东)有限公司 | 一种可切换式遥测天馈系统设计方法及遥测天馈系统 |
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| Sahin et al. | Non-contact characterization of antenna parameters via one-port open-fixture network calibration |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20220812 |