系统级设计为相控阵开发提供的 4 大优势
白皮书
相控阵开发中系统级设计的 4 大核心优势
相控阵天线的开发正在步入新时代；现如今，速度和敏捷性已经是致胜的关键。与传统的特殊产品开发项目相比，最新的 5G 及卫星通信系统的商用相控阵开发项目时刻都在面对上市时间和成本的挑战。低轨道（LEO）卫星的出现推动了空间通信经济的迅猛发展；这将对全球 5G 网络在未来几年内的快速推广发挥重要作用。
设计人员不能容许把开发周期中太长的时间花费在电波暗室的物理原型测试上。传统测试方法大多依赖于近似设计、硬件原型和大量的迭代测试，因此效率比较低下。他们缺乏一种快速获得设计置信度的方法，并且一直存在因无法预测项目进度而导致成本超支的风险。一种更好的方法在高保真建模和快速仿真的推动下，一种现代化的 ESL 设计方法应运而生；该方法可以根据技术指标的要求来开发相控阵项目，能够有效地保障及时性和控制预算。通过 ESL 方法，设计人员可以创建出能够充分探索设计空间的虚拟原型，得到一个符合技术规范的拓扑，然后根据全部要求来验证该拓扑，逐步提高其保真度和准确性。一旦从仿真中获得足够的设计置信度，设计人员就会创建原型硬件并在试验舱中进行测试。此时，设计人员只需要进行极小的调整，就可以使设计全面满足技术指标的要求（图 1）。电子系统级（ESL）方法可以提高置信度，确保以更少的时间和成本使相控阵项目达到或超出技术指标的要求。
ESL 方法的一个最大优势是设计人员可以探索和验证整个系统设计空间，包括阵列拓扑、波束转向角、幅度和相位分布、旁瓣控制和天线元件故障。典型的相控阵技术指标非常繁杂。但是，设计人员可以将其简化为远场模式的特性和相应的设计参数，从而得到所需的技术指标。如果前端电子设备没有减损，设计人员便可通过一些简单的基本参数快速到达远场（图 2）。
典型的相控阵技术指标
- 增益
- 水平和垂直波束宽度
- 旁瓣电平
- 有用的转向范围（水平和垂直）
- 偏振测量
设计参数
- 元件数量
- 元件类型
- 阵列几何
- 元件之间的间距
- 操作频率
获得显著优势
与传统方法相比，ESL 方法可以帮助设计人员快速探索和验证系统设计空间，并且具有许多重要优势，特别是在缩短产品上市时间和降低成本方面。ESL 的四个主要优势包括：
优势 #1：ESL 的仿真速度更快
传统的 RF 仿真器速度太慢，无法帮助设计人员深入探索复杂的商业阵列设计。在仿真期间，设计人员必须研究波束转向角度，通过自适应归零来降低旁瓣效应，而当每个元件在每个方向上都失效时，设计人员必须检查远场模式和阵列功能出现了什么问题。传统 RF 仿真器有许多不足之处。以典型的计算 256 元相控阵仿真所花费的时间为例，假设计算远场的一个通道和一个方向需要花费 X 秒。设计师使用 1 度的分辨率，探索 60 度范围内的波束宽度和 30 度范围内的高度。在每个方向上，天线元件的失效概率是 10％，并且设计人员都要进行 10 次蒙特卡罗仿真。使用射频仿真器，设计人员在大约 90 秒内可以运行 256 个射频通道，因此仿真时间为 450 小时 — 这么长的时间对于商业开发项目来说是不可接受且不切实际的。
与传统的 RF 仿真相比，ESL 仿真运行速度非常快。使用相同的计算数据，ESL 仿真器仅需 0.38 秒就可完成一次仿真，只需 1.9 小时即可完成全部仿真。超快的仿真速度使得ESL 方法成为相控阵设计的“必备”方法（图 3）。
优势 #2：更容易设置的 ESL 仿真支持更详细的探索功能
ESL 仿真方法具有更快的计算速度，它使设计人员能够进行全面探索，及早获得较高的置信度。利用高级模型库，ESL 仿真可以更快地设置相控阵原理图，以及轻松捕获系统级设计。由于阵列是多通道系统，在简洁的模型库（图 4）中设置原理图可以使用更少的部件。该模型库可以轻松创建 80-90% 不同类型的相控阵。
通过更快的仿真速度，以针对天线阵列几何结构的探索为起点，设计人员能够轻松探索更广泛的设计空间。设计师可以执行大量的仿真实验，例如：
- 探索不同的阵列形状、大小和模式，调整每个元件之间的间距并查看其在远场模式中的变化
- 调整幅度分布以控制旁瓣，快速试验不同类型的锥形维度以控制波瓣
- 扫描方向，查看扫描损耗和可接受的扫描角度范围
- 定义极化并启用双极化天线，研究介于正交垂直和水平极化之间的非理想极化带来的影响
- 研究可编程移相器和衰减器的量化效应
- 检查天线元件故障及其对远场模式和相控阵系统本身的影响
设计人员还可以轻松学习多级架构。例如，在 5G 和未来卫星通信这样的宽带系统中，设计人员必须要遵循设计仿真中的时间进展和相位进展。使用 ESL 仿真，设计人员可以先执行粗略的时间延迟方法，再执行精细相位差方法，因此能够更切实际地运用相控阵。
优势 #3：ESL 模型具有高度极高的精确性
ESL 模型的保真度和精确性可以确保仿真出来的特性接近于实际硬件。它可以将测量数据与仿真模型合并，计算出模型精度。例如，放大器图标按钮的功能与实验室中的实际放大器完全相同。ESL 模型在变化的频率、偏置、负载和温度条件下捕获放大器特性，并将该数据带入仿真器。使用 ESL 模型，仿真器可以产生真实的效果，而这一效果在以往只有使用传统方法的硬件设施才能实现。
针对所有的设计元件，设计人员还可以合并其电磁仿真的元件模式和反射系数的 S 参数。然后，仿真器会切实考虑元件之间的解耦，产生通常只有使用硬件才能实现的效果。ESL 方法可以精确模拟相控阵特有的有源阻抗或 Canning 阻抗。当扫描角度发生改变时，设计人员可以扫描波束并查看每个元件的阻抗。假设放大器模型的功能是基于其所连接的负载，那么变化的波束阻抗会影响放大器的性能。X 参数 1 模型包含不同的负载阻抗。可编程衰减器和移相器模型包含每个状态的 S 参数。从三个不同的波束扫描角度的实部和虚部阻抗绘制图可以看出，阻抗会随着扫描角度而产生很大变化（图 5）。在实践中，设计人员为系统技术指标里的所有扫描角度执行仿真，收集扫描阻抗的变化值。然后，他们统计发生了多少变化并修改设计，从而有效地为连接到每个阵列元件的功率放大器匹配阻抗网络。
请下载此文档以了解更多信息。