今天,就在这盛夏的夜晚,跟老朋友聊天一样,一起隔空喝个夜茶,聊聊仿真学习的那些事儿,可好?

 

1. 关于射频微波这个专业

“男怕入错行,女怕嫁错郎。”

 

这话虽然是自古以来的大俗话,带了股浓浓的封建味道,是的,现在女同胞们,早都已经撑起半边天,不再依靠着老公过日子。然而,嫁错了还是相当麻烦,不如不嫁。

 

扯远了,言归正传。

 

射频微波这个行当,不能说多么高大上有前途,可偏偏也是有点门槛,沾得上“高科技”的边。跟行外人士要解释清楚自己是干嘛的,总是不容易,大多数学这个专业的同学同门,回忆起来,都是稀里糊涂学的这个专业。

 

电子信息工程,鬼知道怎么就分到射频微波来了呢。

 

 

不过还好,射频微波不差,最起码,当时就业是一片大好,糊口没问题。

 

所以,对还没有从事射频微波有关工作的朋友们,欢迎你的加入。三十年河东,三十年河西,谁也说不好,十年后会怎样。我们这一代人,注定是要面对行业巨变以后的转型问题。

 

只有不断变化是非常确定的,不如做好自身,练好基本功,随时迎接新的挑战吧。有多少人能把着一个本事干到老呢,对吧?

 

2. 高频仿真相关工作的专业要求

现代科学的分门别类,已经相当详细,隔行如隔山。

 

高频仿真的应用需求越来越大,也可以说是仿真的实验替代价值和研究验证价值,近年来得到了爆发式的发掘和发现,在高科技公司和研究机构里面,仿真已经是不可或缺的一种低成本手段。

 

 

行业方面,随着无线应用场景的广泛采用,高频应用可谓是现代信息科技的核心技术支撑之一。我能立马列出来的大概包括以下几类:

  1. 传统的雷达行业,比如军工雷达,二次雷达,射电望远镜,机载 / 舰载 / 星载 / 弹载各类雷达系统,离不开各个频段,各个制式的高频系统,从天线到射频前端,从载体环境到目标分析,都是电磁场问题的核心应用领域。

  2. 广播通信行业,还是定位在高段位的玩家,也就是背靠着国家资源的广播通信应用,比如广播,电视,卫星电视,早期的无线电话,各类平台通信系统。

  3. 导航系统,GPS,北斗系统有关的无线产业链。

  4. 车载电子通信系统,包括军用车,装甲车,ADAS,V2X 等。

  5. 民用无线通信领域,1G/2G/3G/4G/5G/6G,有关的无线系统各个环节

  6. 医疗,设备与人体

  7. 5G 及其后应用,包括 IoT/IIoT,可穿戴,无人机,智慧医疗等各类可能的应用场景。

  8. 电磁兼容问题,所有的电磁兼容问题,最后都可以归结为电磁场电路的问题,只是会根据问题的特点和频段,用不同的方式和路径去分析和解决,说到底,也是高频仿真有用武之地的所在。

  9. 隐身设计

  10. 其他应用。。。材料,光电,真空元器件等等

 

根据不同的应用领域,对专业的需求可能会有不同。总的来讲,以下的一些专业方向,可能会更容易上手一些。

  • 电磁场与微波

  • 电子信息工程

  • 通信工程

  • 物理电子

  • 微电子

  • 电磁材料

 

当然,专业只是一个起点,只要有热情,有持续的努力,一切皆有可能,只是需要更多的付出和更耐心的等待罢了。我知道的有一些资深人士,以前学的是飞行器设计,现在是隐身分析方面的专家,以前是学服装设计出身,现在可用 HFSS 熟练的分析屏蔽服的屏蔽效能。

 

不一而足。

 

世上无难事,只要肯登攀。

 

 

(三观是不是很正,哈哈哈~)

 

3. 高频仿真主要应用领域的特点和重点

前面提到过,高频仿真可能会用到的一些方向,是从行业的角度出发来看的。

 

而这里,希望能从产品和专业问题的维度来看这个问题,也就是近期比较流行的一个说法:工业品 / 共性问题。是一个产品里面可在设计 / 生产里面按照一个独立的部件 / 问题。

 

初略分为以下几类:

  1. 天线

  2. 天线罩

  3. 射频电路、部件与系统

  4. 雷达与隐身

  5. 电磁兼容

  6. 其他

 

3.1 天线

 

 

天线可以说是无线电波应用的最直观外化体现了,也是射频微波行业的绝对 C 位应用代表。

 

这里不做科普,因为我相信,能读到这个地方,一定是有一些基础背景了解的行业人士了。

 

天线的种类实在太多,但万变不离其宗,天线的作用就是把电磁能量发射出去,或者接收回来。这里不做天线方面的详细介绍,所以从仿真的角度,将天线分为几类,方便介绍其仿真方面的共性,以及挑战。

 

a)常规天线

 

 

主要是指那些经典的,应用时间长,大多问题已经有相当多积累的天线类型。如单极子,偶极子,微带天线,以及其各种变种,如八木天线,对数周期天线,波导缝隙天线等。

 

这些天线因为应用时间长,具有非常多的经验积累,可参考的设计和仿真方法也很多,通常更多的考虑是设计和优化,以及仿真的效率和精度问题。就目前的仿真软件水平来讲,基本可做到“兵来将挡水来土掩”的样子,也是很多学习者的常用类型。

 

b) 电大天线

 

 

顾名思义,这类天线的难点,主要在于其电尺寸巨大,计算规模较大,对仿真来说,考验的主要是软件的算法能力,以及相应的辅助技术成熟度。这类天线包括:各类反射面天线,大型波导 / 反射板系统,天线阵列等。

 

仿真这类电大问题的算法途径又两条:

 

  1. 高频算法。

    如 PO,GO,SBR 等射线方法。

    优点是速度快,方便反复调试,缺点也很明显,对高精度要求的设计,尤其是对副瓣背瓣精度要求高的设计,存在结果可信度问题。

  2. 精确算法结合 HPC 技术。

    精确方法也就是通常所说的全波算法,包括各类微分方程算法,积分方程算法,这里不细述,后面会单列文章详细讲。

    因为精确算法需要讲几何问题分解成网格问题,再转换成计算机是世界的矩阵问题,而计算规模与电尺寸直接相关,电尺寸越大,计算难度越大。

    所以,电大问题如电大天线,除了需要稳定的,高效优化的核心算法以外,还需要借助高性能计算技术,用多计算机多 CPU 的方式,加速整个计算过程,从而将问题的求解压缩在可接受的时间以内。

 

c)相控阵

 

其全称为”相位控制阵列天线系统”,是近年来最炙手可热的天线类型。无论是军工应用方面,还是民用 5G 方面,相控阵系统已经是无线系统最核心的关键部件。

 

由于系统的复杂性,其设计过程中需要反复,详细,精确的模拟每一个环节每一个工况下的性能表现,因此对仿真的要求也是最高的。成本高昂,系统复杂,可以说,相控阵的设计过程离开仿真软件是寸步难行。说到仿真,其难点主要体现在三个方面:

 

  1. 精确度要求。

    因为成本和后期不可调试的特点,必须在前期做好所有的设计评估,所以要求计算结果必须精确可靠。

  2. 大型阵面的设计和仿真能力。

    为了达到更好的性能,应对特定情况下的指标要求,相控阵被设计到了成千上万个单元的规模,其精确评估模拟的技术压力是非常巨大的。

  3. 可靠性评估。

    对于如此规模的大型相控阵而已,稳定可靠的执行任务是其不二使命,可环境的变化,热耗的存在,外部影响因素的存在,如雨雪,气动,风力,振动等方面的影响,是否会对其安全造成危害?

 

以上是相控阵系统设计过程中非常重要的三个方面。而从仿真学习的角度来看,我们则需要关注到以下几个方面的技能修养。

 

  1. 单元设计。

    这里主要是单元选择,评估,以及精细化优化设计。

    需要用到的软件仿真技能侧重于基本的仿真方法和流程,以及优化方式和方案的选择。

  2. 阵面设计。

    这里讨论的当然是有一定规模的阵面,需要在可接受的实际内,精确的完成全阵面性能计算,对仿真方法原理和软件使用技巧,都有一定的要求。

     

  3. 解决的思路主要有三种:

    • 全模型计算。

      这也是最笨的一种方法,就是将整个模型都建模好,用软件加上堆硬件资源的方式,硬算阵面本身。

      难度大,时间长,成功率不高,往往对于几百个单元的阵面就已经非常困难。

    • 无限大阵列。

      这个方法也是早期仿真软件不具备大阵面计算能力的时候的最佳选择,其原理是基于周期边界条件,模拟无限大阵列的辐射性能,阵列的性能是通过阵列天线理论推导出来的,精度和可靠性就差了些。

      在不能精确模拟的年代,也是聊胜于无了吧。

    • 有限大阵列。

      这个方法是 HFSS 软件独有的阵列仿真方法,因为这个方法的不断突破,HFSS 可谓是在阵列天线的仿真市场上所向披靡,没有竞争对手。

      详细的介绍可参考官方的 5G 系列文章,有系统的阐述。

  4. 馈电设计。

    主要是跟 T/R 有关的部分,其部件设计属于其他部门或者合作伙伴,但整体需要做系统级的联合调试。

    所以,场路协同仿真是这个部分工作的主要内容和挑战。

  5. 可靠性评估。

    主要包括热和结构方面的可靠性,随着失效案例的增多,越来越多的单位,将可靠性评估作为产品设计阶段的重要指标来考虑。

    对于相控阵这么复杂的系统,当然是需要有团队人员和能力专业的支持的。

 

d) 时域天线

 

 

这类天线一般都是用于特定的领域,如探地雷达,微波脉冲发射等,往往更关注高能量下的瞬态反应。在仿真方面,主要的问题在于用何种算法,一定要在时域解决问题吗,如何使得计算成本最低等方面。

 

绝大多数天线问题都是在频域解决的,所以,对时域天线不做过多的介绍。

 

3.2 天线罩

 

 

天线罩是保护天线的外壳,也会对天线性能造成影响,所以需要对其影响做精确的量化分析和评估,也就是仿真。这里面主要有两个方面的问题:

 

  1. 带 FSS 的天线罩,其 FSS 的设计和性能,对罩子的影响的至关重要的,所以需要对 FSS 有合理的,高效的仿真手段和方法。

  2. 对于大型的天线罩,与天线一体仿真往往存在困难,所以需要有合理的方法和手段,简化问题,但不至于引入不可接受的错误和不合理性。

    比如对天线罩透波特性的简化表达或者等效,将天线与罩体分开仿真,而又能考虑彼此间的影响的数据链接方法。

 

3.3 射频电路、部件与系统

 

 

这个部分通常被称做射频前端,也就是天线的前端射频电路,分为有源部分和无源部分。对于仿真而言,由于射频电路部件众多,每一个部分都可以单独讲一次课,就不罗列了。

 

简要分享以下个人体会。

 

这部分的仿真,相对于外部问题,可能要相对容易一些。重点在于部件的设计原理,仿真实现只是按照设计,在仿真软件里面,完成设计的准确表达,对于绝大多数任务来说,目前的仿真技术已经没有太多的障碍。如果要从事有关领域的仿真工作,可把重点放在理论设计上,仿真实现则需要按照教程和手册,循序渐进而行。

 

这里值得一提的两个方向是滤波器和连接器。

 

滤波器作为射频系统里面应用量巨大,需求旺盛的器件,行业里面从业人士众多。其设计流程已经有许多成熟的软件,而仿真验证作为设计以后的一环,也已经非常成熟,如 FEST3D 结合 CST, SynMatrix 结合 HFSS,都已经是比较完整的解决方案。仿真的重点主要在于优化设计,如虚拟调谐,场路联合调试,智能优化和参数空间研究等。连接器也是射频系统里面非常巨量的存在,其本身相对相控阵这样的复杂系统而言,算不上复杂,属于射频部件里面非常常规的一类应用。

 

滤波器和连接器仿真的主要关注点在两个方面,一是射频性能的达标,也就是要达到设计的插损回损指标要求通带特性要求等,二是高功率下的可靠性,比如满载负荷下,其散热效果与烧毁的风险性评估。

 

3.4 雷达与隐身

雷达很显然是高频电磁场的一个非常重要的应用方向,与之对应的,就是电磁隐身设计,雷达致力于发现目标,而隐身则致力于避免被雷达发现,是一对矛和盾的关系。

 

a)雷达

 

 

雷达是一个非常专业的大方向,分类也非常多,这里不做这类科普,而只着重于高频电磁场在雷达方向关注的主要问题,及其仿真的特点和挑战。

 

对于高频工程师来说,雷达系统里面非常核心的部件——射频部件与天线,在前面已经做过简要的说明,不再赘述。而到雷达系统层面,虽然高频工程师不一定要深入理解雷达系统,也可能需要有一个全面的概念,或者偶尔也需要在系统来考虑高频系统有关的问题。

 

这里最重要的主要是两个方面,一是对雷达系统的基本概念,其组成,各个部分的主要作用,以及对于责任部门;二是在仿真软件里面,对系统库的使用和系统的搭建。

 

b)隐身

 

 

这里说的当然是电磁隐身,即对雷达电磁波的隐身性能,其主要的衡量指标是雷达散射截面(RCS),所以,一般说到电磁隐身设计,都是指的缩减目标的 RCS 指标。比如 F117 隐身飞机,就是利用了完美的几何外形设计及其他辅助手段,将其 RCS 缩减到一只飞鸟的回波级别,从而令敌方雷达难以发现,也就是对敌方雷达实现了电磁场的隐身设计。

 

事实上,RCS 分析不仅仅用在军用方面,在民用方面,也有着非常广泛的用途。比如探底雷达,可探测地表下方的地形构造,岩土结构。比如自动驾驶辅助系统(ADAS)毫米波雷达,可辅助汽车感知周边环境,从而辅助做到无人驾驶。

 

这些应用的关键都在于一个参数的计算,以及与之有关的其他参数性能的提取,即 RCS。

 

RCS 计算,在计算电磁学的历史中,是非常重要的一个存在。因为,计算电磁学的代码大多是以 RCS 计算作为起步验证手段的,因为其激励向量的简易实现,以及原理设计上的便捷性。然而,RCS 计算随着问题电尺寸的增加,困难成倍上升,因为其网格数量与电尺寸的大小直接相关,甚至达到立方级增长的关系。

 

RCS 仿真对于高频电磁场的仿真能力,以及计算系统的硬件配置,都提出了非常高的要求。

 

与 RCS 有关的,还有一个概念,成像,根据其原理不同,可分为 SAR 与 ISAR。主要用到的是 ISAR,是指逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR),其成像可以获得反映目标大小、形状、结构及姿态等细节信息的二维及三维高分辨雷达图像,是解决目标识别问题的一种重要技术手段。

 

(这里不做具体的技术讨论和展开,只做最基础入门的简易提示,如果对相关内容有兴趣,可进一步搜索圈内有关内容细读)

 

3.5 EMI/EMC

电磁兼容问题一直都是非常复杂,非常受到关注的一个大的研究方向。其问题的复杂性,往往牵涉到多个级别,多个方向的因素,比如传导问题,辐射问题,屏蔽问题,强电磁脉冲问题,每一类问题都有其特点,需要考虑特定的因素,选择合适的工具和方法,将问题得到妥善解决。

 

这里探讨的是面向高频工程师的电磁兼容,所以,也只列出对高频技术工程师经常遇到的问题,做一梳理。

 

a)天线布局

 

 

这是最简单最典型的系统级高频电磁兼容问题了,主要考虑的是平台上(飞机,卫星,车,dang,建筑物等),单天线或多天线工作,其性能变化,以及改善措施的评估。主要包括三个方面的问题:

  1. 天线安装到平台上以后,其方向图性能的变化情况,如方向图分裂,增益降低等指标恶化情况;

  2. 多天线的耦合 / 干扰,是否在可控范围内;

  3. 天线安装后,对周边环境的影响,如关注区域的电磁场环境变化。

 

b) 射频干扰

 

 

多个射频系统同时工作情况下,由于射频链路的交调,谐波等效应的存在,其相互影响往往不是天线的耦合参数就可以精确表达的,而需要考虑包含天线前端电路系统在内的多射频系统的详细影响,这就需要用到射频干扰(RFI)分析。主要的问题包括:

  1. 射频系统部件的建模

  2. 空口耦合参数的提取(测试,仿真,理论建模)

  3. 系统性能瓶颈诊断与优化

 

c) 强电磁脉冲

 

 

这类问题,聚焦于强瞬态电磁场辐射(传导)过程及其效应分析,比如静电放电(ESD),雷击(Lightning),高空核爆脉冲(EMP/HEMP)等。

 

这类问题分析的关键在于以下几个方面:

  1. 对电磁脉冲的激励源建模,即需要将脉冲波的时域波形获取到,一般采用的方式是按照理论建模方式,即取双指数函数表达;

  2. 对电磁脉冲的受体和环境的合理建模。

    比如坦克,会存在地面的情况,而飞机,则不存在地面,往往考虑的是云层到云层的放电过程。

    瞬态放电现象,本质上是一个强的电流传导过程,所以,需要确定其传导路径,这也是环境建模的一部分。

  3. 关注问题的结果提取。

    比如,传导问题,就需要查看路径上的电流分布,辐射问题,就需要查看观察区域的瞬态电磁场分布以及变化,耦合干扰问题,就需要查看敏感设备的耦合电压 / 电流的波形,等等。

  4. 改善措施的评估,比如加入滤波电路,比如加入屏蔽结构,比如加入引流路径导流槽等。

 

由于篇幅所限,本篇到此结束,下篇将接续,分享有关高频电磁场仿真学习有关的资源获取及软件工具的学习提示,欢迎大家点“在看”和转发,感谢!

 

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