八个步骤,轻松完成5G阵列天线设计

八个步骤,轻松完成5G阵列天线设计

1.jpg

5G——第五代无线通信技术,作为全球性的暴热话题已经是不争的事实。如众多专家所述,该技术将带来更低时延、更快速率的数据通信,并将导致互联设备的爆发式增长。

5G网络的更大带宽需求,要求必须彻底重新设计天线阵列,从单元到阵列,到馈电网络,到全模型验证和应用场景评估,都需要做完善的精细化仿真和优化设计。

通过ANSYS HFSS的帮助,只需八个步骤,就能轻松完成5G天线阵列的设计和综合验证。更方便的是,HFSS还能帮助工程师优化各项天线性能指标,如:

增益 — 最强的信号辐射方向。

波束控制 — 能够将信号辐射控制在某个方向上。

回波损耗 — 从天线反射回来的回波能量。

旁瓣电平 — 不需要的信号辐射方向。

设计流程结束后,获得的阵列天线聚焦增益更高、回波损耗及旁瓣电平最低,而且方向可控制。


第1步:通过HFSS天线工具箱(ATK)找到天线单元模板

5G天线阵列设计的第1步是通过HFSS天线工具箱(ATK)找到合适的天线单元模板。该天线单元将定义一个最终用于复制成一系列天线(天线阵列)中的相同部分。

2.jpg

先从天线工具箱(ATK)的库中选择一个天线类型,然后输入工作频率及天线基板属性。

数秒后,天线工具箱(ATK)将生成天线单元的初始几何结构。然后,HFSS 还可计算天线单元的增益及回波损耗等指标特性。


第2步:将天线单元代入天线阵列

3.jpg

有了天线单元后,工程师就可将其代入一个周期阵列中。把单元代入一系列复制设计中,有助于提高增益。

在第一步中,天线单元是自行评估的。现在可使用无限大天线阵列的周期单元重复评估这一过程。

很容易理解,阵列内其它天线的距离会影响增益、回波损耗、旁瓣回波及波束控制等特性。当然,也可通过调整天线方位来优化这些特性。

选定最佳阵列方位后,可通过定义阵因子,将无限大阵列改为理想化的有限大阵列。

本例中仿真了一个16x16的正方形天线阵列。


第3步:使用域分解方法设计有限大天线阵列

设计天线阵列需要的不是理想化模型,因此,下一步是构建真实仿真,以便更好地理解各天线单元相互作用以及与阵列边缘相互作用的方式。

4.jpg

该仿真方法采用域分解(DDM)方法完成。域分解方法将复制单个单元的网格并将其应用于第二步定义中的几何结构。每个网格的边界与相邻网格重叠缝合,以评估临近阵列单元的耦合情况。

采用高性能计算平台和域分解方法,能将每个天线单元网格的计算负荷分配后采用多个处理器内核来并行求解,以此加快求解速度。

网格一旦创建,HFSS便可用于评估和优化天线增益、回波损耗、旁瓣电平和波束控制,精度比第2步中的方法更具优势。


第4步:计算有限大天线阵列的波束角

如果信号的传输方向无法控制,5G天线将毫无意义。这里,可使用HFSS的“有限阵列波束角计算器”,根据信号频率和扫描/相位角度计算让波束指向特定方向所需的相移。这些角度将用于定位球坐标系内的阵列天线。

5.jpg

该计算器可在第3步创建的网格的基础上,确定阵列中的天线和波束具体扫描角度之间的关系。


第5步:设计天线阵列馈电网络

6.jpg

下一步是设计阵列的馈电网络。

首先需要确定目标相位关系与幅度,然后在HFSS内设计和迭代馈电网络,直至达标为止。

在迭代设计阵列的馈电电路时,可以预估每次迭代会给幅度和相位关系造成怎样的影响。

完成每个阵列的布线并优化设置后,他们即可开始将其所有设计连接在一个完整的仿真工程中。


第6步:将所有天线阵列模型连接在一个仿真设计中

现在可根据第4步的波束角度计算以及第5步的馈电网络为第3步创建的有限元模型布线。

此外,还可添加移相器,控制信号。移相器可根据第4步计算的相位角度从组件库中选择。

接下来,可进行线性网络分析(LNA),为这个几近完成的仿真工程评估回波损耗指标。


第7步:将天线阵列激励组合推送到HFSS中

现在需要从LNA把激励结果推送到HFSS中。换句话说,就是把来自馈电网络的不匹配损耗以幅值及相位值的形式传递给HFSS,然后将结果绘制为系统增益图。

7.jpg

该增益可更准确地反映天线在各个方向的辐射性能。


第8步:在实际使用环境中测试评估天线实际性能

最后一步是在天线使用环境中评估其设计性能[YX1] 。

此过程涉及到电大尺寸的场景和平台,可使用HFSS的射线跟踪法(SBR)技术进行系统级研究。该研究可计算天线在大型环境下收发信号的能力,如城市市区等环境下。