[分享] 考虑TR组件影响的相控阵天线仿真

1  引言

相控阵天线最早用于军用雷达，由于具有跟踪速度快、电气性能好、可靠性高且便于和载体共形安装等许多独特的优势，使它同样成为卫星移动通信各类站型天线的首选方案，并且得到了高度的重视和广泛的应用。

传统的相控阵设计流程通常将天线阵列和TR组件等分别加以考虑，而不考虑相互的影响。实际上，从信号源经过功率分配、电调移相、衰减、TR组件后，到达天线馈电端的幅度、相位都存在较大的差异，这将影响相控阵天线阵列的工作性能。

在本文中，利用安捷伦科技的先进设计系统（ADS^[1]）将从信号源到天线这一链路加以仿真，考虑不同射频通道之间的差异性以及TR组件和天线之间的相互影响。最后，将联合仿真得到的增益和传统理想馈电方式做出比较。

2  阵列天线联合仿真

整个相控阵系统框图如图1所示。在功率源之后还包括了功率分配网络、数字移相器、TR组件以及4×4天线阵列。

 

图1  相控阵天线射频系统框图

在功率分配网络部分，采用三维平面电磁场及原理图线性仿真的方式对16路功分器进行模拟。在考虑传输线之间耦合、不连续性的同时也加入了隔离电阻的影响。如图2所示，为1分16功率分配网络在传输、反射特性上的不一致性。

 

（a）

 

（b）

图2  功率分配网络特性（a）传输、（b）反射

在数控移相器单元，每一行的相位一致，相邻行之间相差为phasegrad的整数倍。相差作为变量，可以在原理图中进行设置。

在TR组件单元，使用行为级模型对TR组件进行了建模。特别对发射链路中的功率放大器非线性特性、接收链路中低噪放的噪声系数等关键指标进行了设置。TR组件框图如图3所示。

 

图3  TR组件框图

阵列天线部分仿真使用内嵌在ADS中的平面三维电磁场仿真工具Momentum，可以考虑天线之间的耦合及具体布局等影响，得到整个阵列每个端口的S参数。

在使用谐波平衡法对整个电路进行仿真之后，可以得到每个天线馈电端口的幅度、相位的准确信息^[2]，如图4所示。可以看出，各端口的幅度一致性尚可，但相位的差别较大，最大值和最小值之差达到了24.7度。由于幅度和相位的离散性带来的影响随后会加以考虑。可见，在设计功率分配网络和TR组件时，应该将相位一致性作为一个重要指标进行考量、优化。

 

 

图4  天线端口幅度相位对比

经过Momentum的三维电磁场后处理器，同时加载天线每个端口的幅度及相位，可以得到整个系统的二维、三维远场特性。图5所示为每一行等幅同相馈电及等幅相差30度馈电时天线阵列的三维远场情况对比，可明显看出天线的主瓣方向发生了偏移。

 

（a）等幅同相馈电时天线阵列三维远场增益图

 

（b）等幅相差30度馈电时天线阵列三维远场增益图

图5  相控阵天线远场三维辐射图对比

为验证天线阵列之前射频电路对天线远场的影响，在Momentum中直接设置16个端口激励为等幅同相信号，获得其远场增益情况。对比理想馈电和考虑了射频电路幅相差异的情况可见，电路的相位不一致导致天线的旁瓣较大。

 

图6  理想天线阵列及考虑射频电路影响
天线阵列远场增益比较

3  结论

利用原理图及平面三维电磁场联合仿真的方式，可以将功率分配网络、TR组件等射频电路对阵列天线的影响加以考虑，使得仿真结果更加接近真实情况。