八個步驟,輕松完成5G陣列天線設計

八個步驟,輕松完成5G陣列天線設計

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5G——第五代無線通信技術,作為全球性的暴熱話題已經是不爭的事實。如眾多專家所述,該技術將帶來更低時延、更快速率的數據通信,并將導致互聯設備的爆發式增長。

5G網絡的更大帶寬需求,要求必須徹底重新設計天線陣列,從單元到陣列,到饋電網絡,到全模型驗證和應用場景評估,都需要做完善的精細化仿真和優化設計。

通過ANSYS HFSS的幫助,只需八個步驟,就能輕松完成5G天線陣列的設計和綜合驗證。更方便的是,HFSS還能幫助工程師優化各項天線性能指標,如:

增益 — 最強的信號輻射方向。

波束控制 — 能夠將信號輻射控制在某個方向上。

回波損耗 — 從天線反射回來的回波能量。

旁瓣電平 — 不需要的信號輻射方向。

設計流程結束后,獲得的陣列天線聚焦增益更高、回波損耗及旁瓣電平最低,而且方向可控制。


第1步:通過HFSS天線工具箱(ATK)找到天線單元模板

5G天線陣列設計的第1步是通過HFSS天線工具箱(ATK)找到合適的天線單元模板。該天線單元將定義一個最終用于復制成一系列天線(天線陣列)中的相同部分。

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先從天線工具箱(ATK)的庫中選擇一個天線類型,然后輸入工作頻率及天線基板屬性。

數秒后,天線工具箱(ATK)將生成天線單元的初始幾何結構。然后,HFSS 還可計算天線單元的增益及回波損耗等指標特性。


第2步:將天線單元代入天線陣列

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有了天線單元后,工程師就可將其代入一個周期陣列中。把單元代入一系列復制設計中,有助于提高增益。

在第一步中,天線單元是自行評估的。現在可使用無限大天線陣列的周期單元重復評估這一過程。

很容易理解,陣列內其它天線的距離會影響增益、回波損耗、旁瓣回波及波束控制等特性。當然,也可通過調整天線方位來優化這些特性。

選定最佳陣列方位后,可通過定義陣因子,將無限大陣列改為理想化的有限大陣列。

本例中仿真了一個16x16的正方形天線陣列。


第3步:使用域分解方法設計有限大天線陣列

設計天線陣列需要的不是理想化模型,因此,下一步是構建真實仿真,以便更好地理解各天線單元相互作用以及與陣列邊緣相互作用的方式。

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該仿真方法采用域分解(DDM)方法完成。域分解方法將復制單個單元的網格并將其應用于第二步定義中的幾何結構。每個網格的邊界與相鄰網格重疊縫合,以評估臨近陣列單元的耦合情況。

采用高性能計算平臺和域分解方法,能將每個天線單元網格的計算負荷分配后采用多個處理器內核來并行求解,以此加快求解速度。

網格一旦創建,HFSS便可用于評估和優化天線增益、回波損耗、旁瓣電平和波束控制,精度比第2步中的方法更具優勢。


第4步:計算有限大天線陣列的波束角

如果信號的傳輸方向無法控制,5G天線將毫無意義。這里,可使用HFSS的“有限陣列波束角計算器”,根據信號頻率和掃描/相位角度計算讓波束指向特定方向所需的相移。這些角度將用于定位球坐標系內的陣列天線。

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該計算器可在第3步創建的網格的基礎上,確定陣列中的天線和波束具體掃描角度之間的關系。


第5步:設計天線陣列饋電網絡

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下一步是設計陣列的饋電網絡。

首先需要確定目標相位關系與幅度,然后在HFSS內設計和迭代饋電網絡,直至達標為止。

在迭代設計陣列的饋電電路時,可以預估每次迭代會給幅度和相位關系造成怎樣的影響。

完成每個陣列的布線并優化設置后,他們即可開始將其所有設計連接在一個完整的仿真工程中。


第6步:將所有天線陣列模型連接在一個仿真設計中

現在可根據第4步的波束角度計算以及第5步的饋電網絡為第3步創建的有限元模型布線。

此外,還可添加移相器,控制信號。移相器可根據第4步計算的相位角度從組件庫中選擇。

接下來,可進行線性網絡分析(LNA),為這個幾近完成的仿真工程評估回波損耗指標。


第7步:將天線陣列激勵組合推送到HFSS中

現在需要從LNA把激勵結果推送到HFSS中。換句話說,就是把來自饋電網絡的不匹配損耗以幅值及相位值的形式傳遞給HFSS,然后將結果繪制為系統增益圖。

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該增益可更準確地反映天線在各個方向的輻射性能。


第8步:在實際使用環境中測試評估天線實際性能

最后一步是在天線使用環境中評估其設計性能[YX1] 。

此過程涉及到電大尺寸的場景和平臺,可使用HFSS的射線跟蹤法(SBR)技術進行系統級研究。該研究可計算天線在大型環境下收發信號的能力,如城市市區等環境下。



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