射頻微波：高頻仿真技能修煉紀(jì)要分享（上）

1. 關(guān)于射頻微波這個(gè)專業(yè)

“男怕入錯(cuò)行，女怕嫁錯(cuò)郎。”

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(cuò)了還是相當(dāng)麻煩，不如不嫁。

扯遠(yuǎn)了，言歸正傳。

射頻微波這個(gè)行當(dāng)，不能說多么高大上有前途，可偏偏也是有點(diǎn)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(xué)這個(gè)專業(yè)的同學(xué)同門，回憶起來，都是稀里糊涂學(xué)的這個(gè)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(dāng)時(shí)就業(yè)是一片大好，糊口沒問題。

所以，對(duì)還沒有從事射頻微波有關(guān)工作的朋友們，歡迎你的加入。三十年河?xùn)|，三十年河西，誰也說不好，十年后會(huì)怎樣。我們這一代人，注定是要面對(duì)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(shí)迎接新的挑戰(zhàn)吧。有多少人能把著一個(gè)本事干到老呢，對(duì)吧？

2. 高頻仿真相關(guān)工作的專業(yè)要求

現(xiàn)代科學(xué)的分門別類，已經(jīng)相當(dāng)詳細(xì)，隔行如隔山。

高頻仿真的應(yīng)用需求越來越大，也可以說是仿真的實(shí)驗(yàn)替代價(jià)值和研究驗(yàn)證價(jià)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(jī)構(gòu)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(yīng)用場(chǎng)景的廣泛采用，高頻應(yīng)用可謂是現(xiàn)代信息科技的核心技術(shù)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(dá)行業(yè)，比如軍工雷達(dá)，二次雷達(dá)，射電望遠(yuǎn)鏡，機(jī)載 / 艦載 / 星載 / 彈載各類雷達(dá)系統(tǒng)，離不開各個(gè)頻段，各個(gè)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(biāo)分析，都是電磁場(chǎng)問題的核心應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用，比如廣播，電視，衛(wèi)星電視，早期的無線電話，各類平臺(tái)通信系統(tǒng)。

導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS，北斗系統(tǒng)有關(guān)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(lǐng)域，1G/2G/3G/4G/5G/6G，有關(guān)的無線系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)

醫(yī)療，設(shè)備與人體

5G 及其后應(yīng)用，包括 IoT/IIoT，可穿戴，無人機(jī)，智慧醫(yī)療等各類可能的應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)電路的問題，只是會(huì)根據(jù)問題的特點(diǎn)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(shè)計(jì)

其他應(yīng)用。。。材料，光電，真空元器件等等

根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)專業(yè)的需求可能會(huì)有不同?？偟膩碇v，以下的一些專業(yè)方向，可能會(huì)更容易上手一些。

電磁場(chǎng)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(dāng)然，專業(yè)只是一個(gè)起點(diǎn)，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(xué)的是飛行器設(shè)計(jì)，現(xiàn)在是隱身分析方面的專家，以前是學(xué)服裝設(shè)計(jì)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(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)和重點(diǎn)

前面提到過，高頻仿真可能會(huì)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(gè)問題，也就是近期比較流行的一個(gè)說法：工業(yè)品 / 共性問題。是一個(gè)產(chǎn)品里面可在設(shè)計(jì) / 生產(chǎn)里面按照一個(gè)獨(dú)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(dá)與隱身

電磁兼容

其他

3.1 天線

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

這里不做科普，因?yàn)槲蚁嘈?，能讀到這個(gè)地方，一定是有一些基礎(chǔ)背景了解的行業(yè)人士了。

天線的種類實(shí)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(xì)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(yīng)用時(shí)間長，大多問題已經(jīng)有相當(dāng)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(duì)數(shù)周期天線，波導(dǎo)縫隙天線等。

這些天線因?yàn)閼?yīng)用時(shí)間長，具有非常多的經(jīng)驗(yàn)積累，可參考的設(shè)計(jì)和仿真方法也很多，通常更多的考慮是設(shè)計(jì)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(xué)習(xí)者的常用類型。

b) 電大天線

顧名思義，這類天線的難點(diǎn)，主要在于其電尺寸巨大，計(jì)算規(guī)模較大，對(duì)仿真來說，考驗(yàn)的主要是軟件的算法能力，以及相應(yīng)的輔助技術(shù)成熟度。這類天線包括：各類反射面天線，大型波導(dǎo) / 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(diǎn)是速度快，方便反復(fù)調(diào)試，缺點(diǎn)也很明顯，對(duì)高精度要求的設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)副瓣背瓣精度要求高的設(shè)計(jì)，存在結(jié)果可信度問題。

精確算法結(jié)合 HPC 技術(shù)。

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(xì)述，后面會(huì)單列文章詳細(xì)講。

因?yàn)榫_算法需要講幾何問題分解成網(wǎng)格問題，再轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)是世界的矩陣問題，而計(jì)算規(guī)模與電尺寸直接相關(guān)，電尺寸越大，計(jì)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(jì)算技術(shù)，用多計(jì)算機(jī)多 CPU 的方式，加速整個(gè)計(jì)算過程，從而將問題的求解壓縮在可接受的時(shí)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(yīng)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(guān)鍵部件。

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

精確度要求。
因?yàn)槌杀竞秃笃诓豢烧{(diào)試的特點(diǎn)，必須在前期做好所有的設(shè)計(jì)評(píng)估，所以要求計(jì)算結(jié)果必須精確可靠。

大型陣面的設(shè)計(jì)和仿真能力。

為了達(dá)到更好的性能，應(yīng)對(duì)特定情況下的指標(biāo)要求，相控陣被設(shè)計(jì)到了成千上萬個(gè)單元的規(guī)模，其精確評(píng)估模擬的技術(shù)壓力是非常巨大的。

可靠性評(píng)估。
對(duì)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(wù)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(dòng)，風(fēng)力，振動(dòng)等方面的影響，是否會(huì)對(duì)其安全造成危害？

以上是相控陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中非常重要的三個(gè)方面。而從仿真學(xué)習(xí)的角度來看，我們則需要關(guān)注到以下幾個(gè)方面的技能修養(yǎng)。

單元設(shè)計(jì)。
這里主要是單元選擇，評(píng)估，以及精細(xì)化優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(shè)計(jì)。
這里討論的當(dāng)然是有一定規(guī)模的陣面，需要在可接受的實(shí)際內(nèi)，精確的完成全陣面性能計(jì)算，對(duì)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(jì)算。
這也是最笨的一種方法，就是將整個(gè)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(shí)間長，成功率不高，往往對(duì)于幾百個(gè)單元的陣面就已經(jīng)非常困難。

無限大陣列。
這個(gè)方法也是早期仿真軟件不具備大陣面計(jì)算能力的時(shí)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(dǎo)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(gè)方法是 HFSS 軟件獨(dú)有的陣列仿真方法，因?yàn)檫@個(gè)方法的不斷突破，HFSS 可謂是在陣列天線的仿真市場(chǎng)上所向披靡，沒有競(jìng)爭對(duì)手。

詳細(xì)的介紹可參考官方的 5G 系列文章，有系統(tǒng)的闡述。

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

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

可靠性評(píng)估。
主要包括熱和結(jié)構(gòu)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(píng)估作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的重要指標(biāo)來考慮。
對(duì)于相控陣這么復(fù)雜的系統(tǒng)，當(dāng)然是需要有團(tuán)隊(duì)人員和能力專業(yè)的支持的。

d) 時(shí)域天線

這類天線一般都是用于特定的領(lǐng)域，如探地雷達(dá)，微波脈沖發(fā)射等，往往更關(guān)注高能量下的瞬態(tài)反應(yīng)。在仿真方面，主要的問題在于用何種算法，一定要在時(shí)域解決問題嗎，如何使得計(jì)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(duì)時(shí)域天線不做過多的介紹。

3.2 天線罩

天線罩是保護(hù)天線的外殼，也會(huì)對(duì)天線性能造成影響，所以需要對(duì)其影響做精確的量化分析和評(píng)估，也就是仿真。這里面主要有兩個(gè)方面的問題：

帶 FSS 的天線罩，其 FSS 的設(shè)計(jì)和性能，對(duì)罩子的影響的至關(guān)重要的，所以需要對(duì) FSS 有合理的，高效的仿真手段和方法。

對(duì)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(cuò)誤和不合理性。

比如對(duì)天線罩透波特性的簡化表達(dá)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(gè)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(duì)于仿真而言，由于射頻電路部件眾多，每一個(gè)部分都可以單獨(dú)講一次課，就不羅列了。

簡要分享以下個(gè)人體會(huì)。

這部分的仿真，相對(duì)于外部問題，可能要相對(duì)容易一些。重點(diǎn)在于部件的設(shè)計(jì)原理，仿真實(shí)現(xiàn)只是按照設(shè)計(jì)，在仿真軟件里面，完成設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確表達(dá)，對(duì)于絕大多數(shù)任務(wù)來說，目前的仿真技術(shù)已經(jīng)沒有太多的障礙。如果要從事有關(guān)領(lǐng)域的仿真工作，可把重點(diǎn)放在理論設(shè)計(jì)上，仿真實(shí)現(xiàn)則需要按照教程和手冊(cè)，循序漸進(jìn)而行。

這里值得一提的兩個(gè)方向是濾波器和連接器。

濾波器作為射頻系統(tǒng)里面應(yīng)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(shè)計(jì)流程已經(jīng)有許多成熟的軟件，而仿真驗(yàn)證作為設(shè)計(jì)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(diǎn)主要在于優(yōu)化設(shè)計(jì)，如虛擬調(diào)諧，場(chǎng)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(duì)相控陣這樣的復(fù)雜系統(tǒng)而言，算不上復(fù)雜，屬于射頻部件里面非常常規(guī)的一類應(yīng)用。

濾波器和連接器仿真的主要關(guān)注點(diǎn)在兩個(gè)方面，一是射頻性能的達(dá)標(biāo)，也就是要達(dá)到設(shè)計(jì)的插損回?fù)p指標(biāo)要求通帶特性要求等，二是高功率下的可靠性，比如滿載負(fù)荷下，其散熱效果與燒毀的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估。

3.4 雷達(dá)與隱身

雷達(dá)很顯然是高頻電磁場(chǎng)的一個(gè)非常重要的應(yīng)用方向，與之對(duì)應(yīng)的，就是電磁隱身設(shè)計(jì)，雷達(dá)致力于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，而隱身則致力于避免被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，是一對(duì)矛和盾的關(guān)系。

a）雷達(dá)

雷達(dá)是一個(gè)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(chǎng)在雷達(dá)方向關(guān)注的主要問題，及其仿真的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

對(duì)于高頻工程師來說，雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)層面，雖然高頻工程師不一定要深入理解雷達(dá)系統(tǒng)，也可能需要有一個(gè)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(guān)的問題。

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

b）隱身

這里說的當(dāng)然是電磁隱身，即對(duì)雷達(dá)電磁波的隱身性能，其主要的衡量指標(biāo)是雷達(dá)散射截面（RCS），所以，一般說到電磁隱身設(shè)計(jì)，都是指的縮減目標(biāo)的 RCS 指標(biāo)。比如 F117 隱身飛機(jī)，就是利用了完美的幾何外形設(shè)計(jì)及其他輔助手段，將其 RCS 縮減到一只飛鳥的回波級(jí)別，從而令敵方雷達(dá)難以發(fā)現(xiàn)，也就是對(duì)敵方雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了電磁場(chǎng)的隱身設(shè)計(jì)。

事實(shí)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(dá)，可探測(cè)地表下方的地形構(gòu)造，巖土結(jié)構(gòu)。比如自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）毫米波雷達(dá)，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(yīng)用的關(guān)鍵都在于一個(gè)參數(shù)的計(jì)算，以及與之有關(guān)的其他參數(shù)性能的提取，即 RCS。

RCS 計(jì)算，在計(jì)算電磁學(xué)的歷史中，是非常重要的一個(gè)存在。因?yàn)椋?jì)算電磁學(xué)的代碼大多是以 RCS 計(jì)算作為起步驗(yàn)證手段的，因?yàn)槠浼?lì)向量的簡易實(shí)現(xiàn)，以及原理設(shè)計(jì)上的便捷性。然而，RCS 計(jì)算隨著問題電尺寸的增加，困難成倍上升，因?yàn)槠渚W(wǎng)格數(shù)量與電尺寸的大小直接相關(guān)，甚至達(dá)到立方級(jí)增長的關(guān)系。

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

與 RCS 有關(guān)的，還有一個(gè)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(dá)（Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR），其成像可以獲得反映目標(biāo)大小、形狀、結(jié)構(gòu)及姿態(tài)等細(xì)節(jié)信息的二維及三維高分辨雷達(dá)圖像，是解決目標(biāo)識(shí)別問題的一種重要技術(shù)手段。

（這里不做具體的技術(shù)討論和展開，只做最基礎(chǔ)入門的簡易提示，如果對(duì)相關(guān)內(nèi)容有興趣，可進(jìn)一步搜索圈內(nèi)有關(guān)內(nèi)容細(xì)讀）

3.5 EMI/EMC

電磁兼容問題一直都是非常復(fù)雜，非常受到關(guān)注的一個(gè)大的研究方向。其問題的復(fù)雜性，往往牽涉到多個(gè)級(jí)別，多個(gè)方向的因素，比如傳導(dǎo)問題，輻射問題，屏蔽問題，強(qiáng)電磁脈沖問題，每一類問題都有其特點(diǎn)，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(duì)高頻技術(shù)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(jí)高頻電磁兼容問題了，主要考慮的是平臺(tái)上（飛機(jī)，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(píng)估。主要包括三個(gè)方面的問題：

天線安裝到平臺(tái)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(biāo)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(duì)周邊環(huán)境的影響，如關(guān)注區(qū)域的電磁場(chǎng)環(huán)境變化。

b) 射頻干擾

多個(gè)射頻系統(tǒng)同時(shí)工作情況下，由于射頻鏈路的交調(diào)，諧波等效應(yīng)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(dá)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(xì)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)的提取（測(cè)試，仿真，理論建模）

系統(tǒng)性能瓶頸診斷與優(yōu)化

c) 強(qiáng)電磁脈沖

這類問題，聚焦于強(qiáng)瞬態(tài)電磁場(chǎng)輻射（傳導(dǎo)）過程及其效應(yīng)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(guān)鍵在于以下幾個(gè)方面：

對(duì)電磁脈沖的激勵(lì)源建模，即需要將脈沖波的時(shí)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(dá)；

對(duì)電磁脈沖的受體和環(huán)境的合理建模。

比如坦克，會(huì)存在地面的情況，而飛機(jī)，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(gè)強(qiáng)的電流傳導(dǎo)過程，所以，需要確定其傳導(dǎo)路徑，這也是環(huán)境建模的一部分。

關(guān)注問題的結(jié)果提取。

比如，傳導(dǎo)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(chǎng)分布以及變化，耦合干擾問題，就需要查看敏感設(shè)備的耦合電壓 / 電流的波形，等等。

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