射頻微波-高頻仿真技能修煉紀要分享（上）

1. 關于射頻微波這個專業(yè)

“男怕入錯行，女怕嫁錯郎?！?/p>

這話雖然是自古以來的大俗話，帶了股濃濃的封建味道，是的，現(xiàn)在女同胞們，早都已經(jīng)撐起半邊天，不再依靠著老公過日子。然而，嫁錯了還是相當麻煩，不如不嫁。

扯遠了，言歸正傳。

射頻微波這個行當，不能說多么高大上有前途，可偏偏也是有點門檻，沾得上“高科技”的邊。跟行外人士要解釋清楚自己是干嘛的，總是不容易，大多數(shù)學這個專業(yè)的同學同門，回憶起來，都是稀里糊涂學的這個專業(yè)。

電子信息工程，鬼知道怎么就分到射頻微波來了呢。

不過還好，射頻微波不差，最起碼，當時就業(yè)是一片大好，糊口沒問題。

所以，對還沒有從事射頻微波有關工作的朋友們，歡迎你的加入。三十年河東，三十年河西，誰也說不好，十年后會怎樣。我們這一代人，注定是要面對行業(yè)巨變以后的轉(zhuǎn)型問題。

只有不斷變化是非常確定的，不如做好自身，練好基本功，隨時迎接新的挑戰(zhàn)吧。有多少人能把著一個本事干到老呢，對吧？

2. 高頻仿真相關工作的專業(yè)要求

現(xiàn)代科學的分門別類，已經(jīng)相當詳細，隔行如隔山。

高頻仿真的應用需求越來越大，也可以說是仿真的實驗替代價值和研究驗證價值，近年來得到了爆發(fā)式的發(fā)掘和發(fā)現(xiàn)，在高科技公司和研究機構里面，仿真已經(jīng)是不可或缺的一種低成本手段。

行業(yè)方面，隨著無線應用場景的廣泛采用，高頻應用可謂是現(xiàn)代信息科技的核心技術支撐之一。我能立馬列出來的大概包括以下幾類：

傳統(tǒng)的雷達行業(yè)，比如軍工雷達，二次雷達，射電望遠鏡，機載 / 艦載 / 星載 / 彈載各類雷達系統(tǒng)，離不開各個頻段，各個制式的高頻系統(tǒng)，從天線到射頻前端，從載體環(huán)境到目標分析，都是電磁場問題的核心應用領域。

廣播通信行業(yè)，還是定位在高段位的玩家，也就是背靠著國家資源的廣播通信應用，比如廣播，電視，衛(wèi)星電視，早期的無線電話，各類平臺通信系統(tǒng)。

導航系統(tǒng)，GPS，北斗系統(tǒng)有關的無線產(chǎn)業(yè)鏈。

車載電子通信系統(tǒng)，包括軍用車，裝甲車，ADAS，V2X 等。

民用無線通信領域，1G/2G/3G/4G/5G/6G，有關的無線系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)

醫(yī)療，設備與人體

5G 及其后應用，包括 IoT/IIoT，可穿戴，無人機，智慧醫(yī)療等各類可能的應用場景。

電磁兼容問題，所有的電磁兼容問題，最后都可以歸結(jié)為電磁場電路的問題，只是會根據(jù)問題的特點和頻段，用不同的方式和路徑去分析和解決，說到底，也是高頻仿真有用武之地的所在。

隱身設計

其他應用。。。材料，光電，真空元器件等等

根據(jù)不同的應用領域，對專業(yè)的需求可能會有不同?？偟膩碇v，以下的一些專業(yè)方向，可能會更容易上手一些。

電磁場與微波

電子信息工程

通信工程

物理電子

微電子

電磁材料

當然，專業(yè)只是一個起點，只要有熱情，有持續(xù)的努力，一切皆有可能，只是需要更多的付出和更耐心的等待罷了。我知道的有一些資深人士，以前學的是飛行器設計，現(xiàn)在是隱身分析方面的專家，以前是學服裝設計出身，現(xiàn)在可用 HFSS 熟練的分析屏蔽服的屏蔽效能。

不一而足。

世上無難事，只要肯登攀。

（三觀是不是很正，哈哈哈~）

3. 高頻仿真主要應用領域的特點和重點

前面提到過，高頻仿真可能會用到的一些方向，是從行業(yè)的角度出發(fā)來看的。

而這里，希望能從產(chǎn)品和專業(yè)問題的維度來看這個問題，也就是近期比較流行的一個說法：工業(yè)品 / 共性問題。是一個產(chǎn)品里面可在設計 / 生產(chǎn)里面按照一個獨立的部件 / 問題。

初略分為以下幾類：

天線

天線罩

射頻電路、部件與系統(tǒng)

雷達與隱身

電磁兼容

其他

3.1 天線

天線可以說是無線電波應用的最直觀外化體現(xiàn)了，也是射頻微波行業(yè)的絕對 C 位應用代表。

這里不做科普，因為我相信，能讀到這個地方，一定是有一些基礎背景了解的行業(yè)人士了。

天線的種類實在太多，但萬變不離其宗，天線的作用就是把電磁能量發(fā)射出去，或者接收回來。這里不做天線方面的詳細介紹，所以從仿真的角度，將天線分為幾類，方便介紹其仿真方面的共性，以及挑戰(zhàn)。

a）常規(guī)天線

主要是指那些經(jīng)典的，應用時間長，大多問題已經(jīng)有相當多積累的天線類型。如單極子，偶極子，微帶天線，以及其各種變種，如八木天線，對數(shù)周期天線，波導縫隙天線等。

這些天線因為應用時間長，具有非常多的經(jīng)驗積累，可參考的設計和仿真方法也很多，通常更多的考慮是設計和優(yōu)化，以及仿真的效率和精度問題。就目前的仿真軟件水平來講，基本可做到“兵來將擋水來土掩”的樣子，也是很多學習者的常用類型。

b) 電大天線

顧名思義，這類天線的難點，主要在于其電尺寸巨大，計算規(guī)模較大，對仿真來說，考驗的主要是軟件的算法能力，以及相應的輔助技術成熟度。這類天線包括：各類反射面天線，大型波導 / 反射板系統(tǒng)，天線陣列等。

仿真這類電大問題的算法途徑又兩條：

高頻算法。
如 PO，GO，SBR 等射線方法。

優(yōu)點是速度快，方便反復調(diào)試，缺點也很明顯，對高精度要求的設計，尤其是對副瓣背瓣精度要求高的設計，存在結(jié)果可信度問題。

精確算法結(jié)合 HPC 技術。

精確方法也就是通常所說的全波算法，包括各類微分方程算法，積分方程算法，這里不細述，后面會單列文章詳細講。

因為精確算法需要講幾何問題分解成網(wǎng)格問題，再轉(zhuǎn)換成計算機是世界的矩陣問題，而計算規(guī)模與電尺寸直接相關，電尺寸越大，計算難度越大。

所以，電大問題如電大天線，除了需要穩(wěn)定的，高效優(yōu)化的核心算法以外，還需要借助高性能計算技術，用多計算機多 CPU 的方式，加速整個計算過程，從而將問題的求解壓縮在可接受的時間以內(nèi)。

c）相控陣

其全稱為”相位控制陣列天線系統(tǒng)”，是近年來最炙手可熱的天線類型。無論是軍工應用方面，還是民用 5G 方面，相控陣系統(tǒng)已經(jīng)是無線系統(tǒng)最核心的關鍵部件。

由于系統(tǒng)的復雜性，其設計過程中需要反復，詳細，精確的模擬每一個環(huán)節(jié)每一個工況下的性能表現(xiàn)，因此對仿真的要求也是最高的。成本高昂，系統(tǒng)復雜，可以說，相控陣的設計過程離開仿真軟件是寸步難行。說到仿真，其難點主要體現(xiàn)在三個方面：

精確度要求。
因為成本和后期不可調(diào)試的特點，必須在前期做好所有的設計評估，所以要求計算結(jié)果必須精確可靠。

大型陣面的設計和仿真能力。

為了達到更好的性能，應對特定情況下的指標要求，相控陣被設計到了成千上萬個單元的規(guī)模，其精確評估模擬的技術壓力是非常巨大的。

可靠性評估。
對于如此規(guī)模的大型相控陣而已，穩(wěn)定可靠的執(zhí)行任務是其不二使命，可環(huán)境的變化，熱耗的存在，外部影響因素的存在，如雨雪，氣動，風力，振動等方面的影響，是否會對其安全造成危害？

以上是相控陣系統(tǒng)設計過程中非常重要的三個方面。而從仿真學習的角度來看，我們則需要關注到以下幾個方面的技能修養(yǎng)。

單元設計。
這里主要是單元選擇，評估，以及精細化優(yōu)化設計。

需要用到的軟件仿真技能側(cè)重于基本的仿真方法和流程，以及優(yōu)化方式和方案的選擇。

陣面設計。
這里討論的當然是有一定規(guī)模的陣面，需要在可接受的實際內(nèi)，精確的完成全陣面性能計算，對仿真方法原理和軟件使用技巧，都有一定的要求。

解決的思路主要有三種：

全模型計算。
這也是最笨的一種方法，就是將整個模型都建模好，用軟件加上堆硬件資源的方式，硬算陣面本身。

難度大，時間長，成功率不高，往往對于幾百個單元的陣面就已經(jīng)非常困難。

無限大陣列。
這個方法也是早期仿真軟件不具備大陣面計算能力的時候的最佳選擇，其原理是基于周期邊界條件，模擬無限大陣列的輻射性能，陣列的性能是通過陣列天線理論推導出來的，精度和可靠性就差了些。

在不能精確模擬的年代，也是聊勝于無了吧。

有限大陣列。
這個方法是 HFSS 軟件獨有的陣列仿真方法，因為這個方法的不斷突破，HFSS 可謂是在陣列天線的仿真市場上所向披靡，沒有競爭對手。

詳細的介紹可參考官方的 5G 系列文章，有系統(tǒng)的闡述。

饋電設計。
主要是跟 T/R 有關的部分，其部件設計屬于其他部門或者合作伙伴，但整體需要做系統(tǒng)級的聯(lián)合調(diào)試。

所以，場路協(xié)同仿真是這個部分工作的主要內(nèi)容和挑戰(zhàn)。

可靠性評估。
主要包括熱和結(jié)構方面的可靠性，隨著失效案例的增多，越來越多的單位，將可靠性評估作為產(chǎn)品設計階段的重要指標來考慮。
對于相控陣這么復雜的系統(tǒng)，當然是需要有團隊人員和能力專業(yè)的支持的。

d) 時域天線

這類天線一般都是用于特定的領域，如探地雷達，微波脈沖發(fā)射等，往往更關注高能量下的瞬態(tài)反應。在仿真方面，主要的問題在于用何種算法，一定要在時域解決問題嗎，如何使得計算成本最低等方面。

絕大多數(shù)天線問題都是在頻域解決的，所以，對時域天線不做過多的介紹。

3.2 天線罩

天線罩是保護天線的外殼，也會對天線性能造成影響，所以需要對其影響做精確的量化分析和評估，也就是仿真。這里面主要有兩個方面的問題：

帶 FSS 的天線罩，其 FSS 的設計和性能，對罩子的影響的至關重要的，所以需要對 FSS 有合理的，高效的仿真手段和方法。

對于大型的天線罩，與天線一體仿真往往存在困難，所以需要有合理的方法和手段，簡化問題，但不至于引入不可接受的錯誤和不合理性。

比如對天線罩透波特性的簡化表達或者等效，將天線與罩體分開仿真，而又能考慮彼此間的影響的數(shù)據(jù)鏈接方法。

3.3 射頻電路、部件與系統(tǒng)

這個部分通常被稱做射頻前端，也就是天線的前端射頻電路，分為有源部分和無源部分。對于仿真而言，由于射頻電路部件眾多，每一個部分都可以單獨講一次課，就不羅列了。

簡要分享以下個人體會。

這部分的仿真，相對于外部問題，可能要相對容易一些。重點在于部件的設計原理，仿真實現(xiàn)只是按照設計，在仿真軟件里面，完成設計的準確表達，對于絕大多數(shù)任務來說，目前的仿真技術已經(jīng)沒有太多的障礙。如果要從事有關領域的仿真工作，可把重點放在理論設計上，仿真實現(xiàn)則需要按照教程和手冊，循序漸進而行。

這里值得一提的兩個方向是濾波器和連接器。

濾波器作為射頻系統(tǒng)里面應用量巨大，需求旺盛的器件，行業(yè)里面從業(yè)人士眾多。其設計流程已經(jīng)有許多成熟的軟件，而仿真驗證作為設計以后的一環(huán)，也已經(jīng)非常成熟，如 FEST3D 結(jié)合 CST， SynMatrix 結(jié)合 HFSS，都已經(jīng)是比較完整的解決方案。仿真的重點主要在于優(yōu)化設計，如虛擬調(diào)諧，場路聯(lián)合調(diào)試，智能優(yōu)化和參數(shù)空間研究等。連接器也是射頻系統(tǒng)里面非常巨量的存在，其本身相對相控陣這樣的復雜系統(tǒng)而言，算不上復雜，屬于射頻部件里面非常常規(guī)的一類應用。

濾波器和連接器仿真的主要關注點在兩個方面，一是射頻性能的達標，也就是要達到設計的插損回損指標要求通帶特性要求等，二是高功率下的可靠性，比如滿載負荷下，其散熱效果與燒毀的風險性評估。

3.4 雷達與隱身

雷達很顯然是高頻電磁場的一個非常重要的應用方向，與之對應的，就是電磁隱身設計，雷達致力于發(fā)現(xiàn)目標，而隱身則致力于避免被雷達發(fā)現(xiàn)，是一對矛和盾的關系。

a）雷達

雷達是一個非常專業(yè)的大方向，分類也非常多，這里不做這類科普，而只著重于高頻電磁場在雷達方向關注的主要問題，及其仿真的特點和挑戰(zhàn)。

對于高頻工程師來說，雷達系統(tǒng)里面非常核心的部件——射頻部件與天線，在前面已經(jīng)做過簡要的說明，不再贅述。而到雷達系統(tǒng)層面，雖然高頻工程師不一定要深入理解雷達系統(tǒng)，也可能需要有一個全面的概念，或者偶爾也需要在系統(tǒng)來考慮高頻系統(tǒng)有關的問題。

這里最重要的主要是兩個方面，一是對雷達系統(tǒng)的基本概念，其組成，各個部分的主要作用，以及對于責任部門；二是在仿真軟件里面，對系統(tǒng)庫的使用和系統(tǒng)的搭建。

b）隱身

這里說的當然是電磁隱身，即對雷達電磁波的隱身性能，其主要的衡量指標是雷達散射截面（RCS），所以，一般說到電磁隱身設計，都是指的縮減目標的 RCS 指標。比如 F117 隱身飛機，就是利用了完美的幾何外形設計及其他輔助手段，將其 RCS 縮減到一只飛鳥的回波級別，從而令敵方雷達難以發(fā)現(xiàn)，也就是對敵方雷達實現(xiàn)了電磁場的隱身設計。

事實上，RCS 分析不僅僅用在軍用方面，在民用方面，也有著非常廣泛的用途。比如探底雷達，可探測地表下方的地形構造，巖土結(jié)構。比如自動駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）毫米波雷達，可輔助汽車感知周邊環(huán)境，從而輔助做到無人駕駛。

這些應用的關鍵都在于一個參數(shù)的計算，以及與之有關的其他參數(shù)性能的提取，即 RCS。

RCS 計算，在計算電磁學的歷史中，是非常重要的一個存在。因為，計算電磁學的代碼大多是以 RCS 計算作為起步驗證手段的，因為其激勵向量的簡易實現(xiàn)，以及原理設計上的便捷性。然而，RCS 計算隨著問題電尺寸的增加，困難成倍上升，因為其網(wǎng)格數(shù)量與電尺寸的大小直接相關，甚至達到立方級增長的關系。

RCS 仿真對于高頻電磁場的仿真能力，以及計算系統(tǒng)的硬件配置，都提出了非常高的要求。

與 RCS 有關的，還有一個概念，成像，根據(jù)其原理不同，可分為 SAR 與 ISAR。主要用到的是 ISAR，是指逆合成孔徑雷達（Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR），其成像可以獲得反映目標大小、形狀、結(jié)構及姿態(tài)等細節(jié)信息的二維及三維高分辨雷達圖像，是解決目標識別問題的一種重要技術手段。

（這里不做具體的技術討論和展開，只做最基礎入門的簡易提示，如果對相關內(nèi)容有興趣，可進一步搜索圈內(nèi)有關內(nèi)容細讀）

3.5 EMI/EMC

電磁兼容問題一直都是非常復雜，非常受到關注的一個大的研究方向。其問題的復雜性，往往牽涉到多個級別，多個方向的因素，比如傳導問題，輻射問題，屏蔽問題，強電磁脈沖問題，每一類問題都有其特點，需要考慮特定的因素，選擇合適的工具和方法，將問題得到妥善解決。

這里探討的是面向高頻工程師的電磁兼容，所以，也只列出對高頻技術工程師經(jīng)常遇到的問題，做一梳理。

a）天線布局

這是最簡單最典型的系統(tǒng)級高頻電磁兼容問題了，主要考慮的是平臺上（飛機，衛(wèi)星，車，dang，建筑物等），單天線或多天線工作，其性能變化，以及改善措施的評估。主要包括三個方面的問題：

天線安裝到平臺上以后，其方向圖性能的變化情況，如方向圖分裂，增益降低等指標惡化情況；

多天線的耦合 / 干擾，是否在可控范圍內(nèi)；

天線安裝后，對周邊環(huán)境的影響，如關注區(qū)域的電磁場環(huán)境變化。

b) 射頻干擾

多個射頻系統(tǒng)同時工作情況下，由于射頻鏈路的交調(diào)，諧波等效應的存在，其相互影響往往不是天線的耦合參數(shù)就可以精確表達的，而需要考慮包含天線前端電路系統(tǒng)在內(nèi)的多射頻系統(tǒng)的詳細影響，這就需要用到射頻干擾（RFI）分析。主要的問題包括：

射頻系統(tǒng)部件的建模

空口耦合參數(shù)的提?。y試，仿真，理論建模）

系統(tǒng)性能瓶頸診斷與優(yōu)化

c) 強電磁脈沖

這類問題，聚焦于強瞬態(tài)電磁場輻射（傳導）過程及其效應分析，比如靜電放電（ESD），雷擊（Lightning），高空核爆脈沖（EMP/HEMP）等。

這類問題分析的關鍵在于以下幾個方面：

對電磁脈沖的激勵源建模，即需要將脈沖波的時域波形獲取到，一般采用的方式是按照理論建模方式，即取雙指數(shù)函數(shù)表達；

對電磁脈沖的受體和環(huán)境的合理建模。

比如坦克，會存在地面的情況，而飛機，則不存在地面，往往考慮的是云層到云層的放電過程。

瞬態(tài)放電現(xiàn)象，本質(zhì)上是一個強的電流傳導過程，所以，需要確定其傳導路徑，這也是環(huán)境建模的一部分。

關注問題的結(jié)果提取。

比如，傳導問題，就需要查看路徑上的電流分布，輻射問題，就需要查看觀察區(qū)域的瞬態(tài)電磁場分布以及變化，耦合干擾問題，就需要查看敏感設備的耦合電壓 / 電流的波形，等等。

改善措施的評估，比如加入濾波電路，比如加入屏蔽結(jié)構，比如加入引流路徑導流槽等。

審核編輯 黃昊宇