基于HFSS的相控陣天線仿真模型的降階復(fù)用方法

前言

SPDM（Simulation Process and Data Management）在數(shù)字化轉(zhuǎn)型和數(shù)字孿生中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，通過集成、協(xié)作、數(shù)據(jù)管理和優(yōu)化等功能，提高工程仿真的效率和準(zhǔn)確性，支持?jǐn)?shù)字孿生的構(gòu)建和應(yīng)用，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)更高效、更可靠的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)。

在 SPDM 領(lǐng)域，ROM（Reduced Order Model）是一種常用的技術(shù)，用于降低高維度仿真模型的計(jì)算復(fù)雜性，同時(shí)保持較高的準(zhǔn)確性。降階模型 ROM 在實(shí)際工程仿真中具有廣泛的應(yīng)用，但也有一些要求和限制，其中一些主要要求包括：準(zhǔn)確性，計(jì)算效率，泛化能力，可擴(kuò)展性等等。

對(duì)于相控陣天線來說，仿真數(shù)據(jù)通常較大，這使得建立并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)變得十分困難。如果僅保存仿真模型數(shù)據(jù)，后續(xù)需要調(diào)整陣列天線的幅相以獲取新的輻射方向圖則需要重新仿真，耗費(fèi)大量時(shí)間和精力。

那么，還有沒有其他的方法可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)的存檔呢？

其實(shí)是有的，做法是導(dǎo)出陣列天線的每個(gè)單元方向圖，后期需要哪組幅相，就通過對(duì)應(yīng)的哪些單元方向圖和陣因子進(jìn)行合成即可，實(shí)現(xiàn)的途徑也有很多，最常見的方法就是通過 matlab 或者 python 代碼進(jìn)行合成即可。

那么，有沒有更簡(jiǎn)單和直觀的方法實(shí)現(xiàn)呢，答案就是 HFSS SBR+ Solver。

HFSS SBR+求解類型

在把陣列的所有單元方向圖導(dǎo)出后，可以再分別導(dǎo)入 HFSS SBR 設(shè)計(jì)中，利用 SBR 求解器進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)的合成計(jì)算。

當(dāng)然這里也有一些操作技巧需要大家注意：

首先在導(dǎo)出單元方向圖的時(shí)候，需要根據(jù)每一個(gè)單元設(shè)置自己的相位中心，建議的做法是在每個(gè)單元的中心位置建立相對(duì)坐標(biāo)，并設(shè)置該坐標(biāo)為相位中心。在 HFSS2023R1及以后的版本，支持直接設(shè)置單元的端口位置為單元的相位中心。

設(shè)置單元遠(yuǎn)場(chǎng)的相位中心

設(shè)置端口位置為相位中心

另外，在導(dǎo)出單元方向圖的時(shí)候，既可以導(dǎo)出單頻點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，也支持多頻點(diǎn)導(dǎo)出，可以在導(dǎo)出界面中進(jìn)行選擇。

這里在導(dǎo)出的時(shí)候，可以按照子陣的 source group 進(jìn)行導(dǎo)出，也可以全陣一起導(dǎo)出。

一鍵導(dǎo)出所有單元方向圖

導(dǎo)出的單元方向圖數(shù)據(jù)為*.ffd 文件。

導(dǎo)出單元方向圖的數(shù)據(jù)文件

另外還包含一個(gè)頭文件，描述了每個(gè)單元方向圖數(shù)據(jù)文件名稱和與之對(duì)應(yīng)的相位中心在 Gobal 坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)。

單元遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的頭文件信息

完成單元方向圖的導(dǎo)出后，接下來就需要將單元方向圖導(dǎo)入到 SBR 設(shè)計(jì)中了。在這一步中，每一個(gè)單元的方向圖位置需要按照原始陣列的相對(duì)位置進(jìn)行放置，這樣的空間分布相當(dāng)于描述了陣因子的空間關(guān)系部分。

實(shí)際模型的單元相對(duì)位置

當(dāng)單元方向圖導(dǎo)入后，SBR 會(huì)自動(dòng)渲染單元方向圖的形狀。當(dāng)然，陣列的單元數(shù)比較多的情況下，手動(dòng)導(dǎo)入比較繁瑣，腳本自動(dòng)化導(dǎo)入就是一個(gè)更好的選擇了。

自動(dòng)化的思路大致如下：

HFSS SBR單元方向圖導(dǎo)入自動(dòng)化思路

代碼詳見文末。

單元方向圖導(dǎo)入后自動(dòng)渲染

完成了這樣的數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，可以根據(jù)自己的需求，通過 SBR 求解器進(jìn)行快速的方向圖合成。通常單頻點(diǎn)的合成計(jì)算在1分鐘以內(nèi)。整個(gè)計(jì)算的時(shí)間隨著遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的頻點(diǎn)數(shù)線性增加。

設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)求解頻點(diǎn)

HFSS SBR求解信息

在 SBR 中也支持 Edit Source 進(jìn)行幅相的調(diào)整，從而獲取不同幅相權(quán)值下的方向圖波束賦形。

HFSS SBR中設(shè)置各單元的幅相權(quán)值

方向圖的后處理效果

結(jié)論

綜上，通過HFSS進(jìn)行數(shù)值仿真后導(dǎo)出各單元的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，然后利用HFSS SBR進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)綜合的方法，可以在保留遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的前提下實(shí)現(xiàn)陣列天線模型的降階存檔。

審核編輯：劉清