本文來(lái)自微波仿真論壇
天線是移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，天線形態(tài)越來(lái)越多樣化，并且技術(shù)也日趨復(fù)雜。進(jìn)入5G時(shí)代，大規(guī)模MIMO、波束賦形等成為關(guān)鍵技術(shù)，促使天線向著有源化、復(fù)雜化的方向演進(jìn)。天線設(shè)計(jì)方式也需要與時(shí)俱進(jìn)，采用先進(jìn)的仿真手段應(yīng)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)需求，滿(mǎn)足5G時(shí)代天線不斷提高的性能要求。
5G與相控陣
5G時(shí)代應(yīng)用將極大豐富，5G網(wǎng)絡(luò)需要適應(yīng)大帶寬、高可靠低時(shí)延、大連接等場(chǎng)景，這就要求5G天線具備支持更多通道，靈活實(shí)時(shí)的波束調(diào)節(jié)，并支持高頻段通信的能力，其關(guān)鍵的演進(jìn)方向即為大規(guī)模MIMO有源天線。大規(guī)模MIMO相較于傳統(tǒng)MIMO能夠有效提升性能的核心就是基于相控陣技術(shù)。
所謂相控陣，是指通過(guò)控制陣列天線中輻射單元饋電相位來(lái)改變方向圖波束指向的一類(lèi)陣列天線。
相控陣的主要目的是實(shí)現(xiàn)陣列波束的空間掃描，即所謂電掃描。相控陣早期主要應(yīng)用于軍事方面——相控陣?yán)走_(dá)。由于相控陣?yán)走_(dá)掃描速度快，多任務(wù)能力強(qiáng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到軍事雷達(dá)領(lǐng)域中，并成為軍事實(shí)力的標(biāo)志之一。另外，相控陣技術(shù)同時(shí)也在氣象預(yù)測(cè)等民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
左圖：戰(zhàn)略預(yù)警雷達(dá)，右圖：氣象雷達(dá)（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）
回顧移動(dòng)通信的發(fā)展史，從基站天線的演進(jìn)趨勢(shì)也可以看出，相控陣技術(shù)是5G時(shí)代提升系統(tǒng)容量和頻譜利用率、降低干擾、增強(qiáng)覆蓋的必然選擇：
首先，從無(wú)源天線到有源天線系統(tǒng)，這就意味著天線可能會(huì)實(shí)現(xiàn)智能化、小型化（共設(shè)計(jì)）、定制化。未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)會(huì)變得越來(lái)越細(xì)，需要根據(jù)周?chē)膱?chǎng)景來(lái)進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì)，例如在城市區(qū)域內(nèi)布站會(huì)更加精細(xì)，而不是簡(jiǎn)單的覆蓋。5G通信將會(huì)應(yīng)用高頻段，障礙物會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生很大的影響，定制化的天線可以提供更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。
其次，天線設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化和復(fù)雜化，例如波束陣列（實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用）、多波束以及多/高頻段。這些都對(duì)天線提出了很高的要求，會(huì)涉及到整個(gè)系統(tǒng)以及互相兼容的問(wèn)題，在這種情況下天線技術(shù)已經(jīng)超越了元器件的概念，逐漸進(jìn)入了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
圖片源自網(wǎng)絡(luò)
相控陣仿真設(shè)計(jì)
相控陣的設(shè)計(jì)可主要分為天線陣面和波束賦形網(wǎng)絡(luò)兩部分。
圖片源自Sub-6 GHz mMIMO Base Stations Meet 5G’s Size and Weight Challenges, Walter Honcharenko
天線陣面設(shè)計(jì)
天線陣面設(shè)計(jì)需要確定輻射單元的形式和方向圖特性、陣列的排布及其饋電形式等，陣面設(shè)計(jì)直接決定了相控陣的輻射特性如天線的增益、波瓣寬度以及最大掃描范圍等，是相控陣設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。
輻射單元的設(shè)計(jì)與優(yōu)化
由于相控陣天線具有波束掃描特性，其輻射單元的選擇有一定的要求和限制。通常適合作為相控陣輻射元的天線類(lèi)型有兩類(lèi)：
口徑天線，如開(kāi)口波導(dǎo)、波導(dǎo)縫隙天線、微帶貼片天線等；
單極子或者對(duì)稱(chēng)偶極子演變，如印刷對(duì)稱(chēng)振子、錐削縫隙天線等
5G時(shí)代為了獲得更高信道容量，引入了大量新頻譜資源，這對(duì)輻射單元的寬帶特性有了更高的要求。除了Sub 6GHz頻段增加了新的頻段以外，還增加了高頻毫米波頻段，對(duì)輻射單元的形式和加工工藝又有更苛刻的要求。另外，在集成化的趨勢(shì)下，小型化和輕量化成為天線設(shè)計(jì)的基本要求。綜上，輻射單元的形式多以微帶貼片和半波偶極子為主，工藝主要以PCB和塑料振子的形式出現(xiàn)。
對(duì)于輻射單元的仿真設(shè)計(jì)而言，精確求解工作頻帶內(nèi)的性能尤為關(guān)鍵。而5G天線輻射單元的復(fù)雜材料和幾何特性以及超寬帶和多頻段的特點(diǎn)給輻射單元的仿真設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。
ANSYS HFSS中獨(dú)有的自動(dòng)自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)(Adaptive Meshing)，結(jié)合寬帶網(wǎng)格技術(shù)（BAM）可以高效精確的得到全頻段內(nèi)的網(wǎng)格，從而獲得全頻段內(nèi)的精確響應(yīng)。
仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中快速找到輻射單元的最優(yōu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
ANSYS HFSS可以基于參數(shù)化的模型進(jìn)行伴隨求導(dǎo)(Derivatives)快速調(diào)諧與敏感度分析，通過(guò)伴隨求導(dǎo)可以
快速的找到正確的變量值，更好理解變量如何影響性能，縮短研發(fā)時(shí)間；
明確影響最大的參數(shù)類(lèi)別，聚焦于高敏感度的設(shè)計(jì)參數(shù)，讓設(shè)計(jì)變得健壯。
在伴隨求導(dǎo)(Derivatives)分析后，基于調(diào)諧結(jié)果，可以篩選出關(guān)鍵的變量，在HFSS中進(jìn)行輻射單元的自動(dòng)優(yōu)化，從而獲得最優(yōu)的S參數(shù)、天線方向圖以及電磁場(chǎng)分布等結(jié)果指標(biāo)。
大參數(shù)空間和多參數(shù)空間狀態(tài)下的快速優(yōu)化對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，一直是很大的挑戰(zhàn)。DoE（數(shù)值實(shí)驗(yàn)）分析方法是解決這類(lèi)問(wèn)題的先進(jìn)技術(shù)，HFSS中的DoE工具DesignXplorer，可幫助加速陣列單元設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程，在優(yōu)化前先進(jìn)行設(shè)計(jì)空間的充分探索與尋優(yōu)，減少仿真次數(shù)，快速確定設(shè)計(jì)的可行性。
此外，HFSS最新推出的快速模式對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的早期階段可以在不明顯降低求解精度的前提下提供有關(guān)設(shè)計(jì)趨勢(shì)的快速仿真結(jié)果。隨著設(shè)計(jì)接近完成，再通過(guò)簡(jiǎn)單的滑塊設(shè)置使用HFSS準(zhǔn)精度功能進(jìn)行高精度的驗(yàn)證。
單元法陣列快速分析
相控陣單元選型和設(shè)計(jì)優(yōu)化是相控陣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該過(guò)程涉及到諸多方案和諸多參數(shù)的選擇和優(yōu)化，因此，快速分析和相關(guān)的優(yōu)化分析就尤其重要。比如，相控陣單元間距是影響相控陣天線輻射特性的重要參數(shù)之一。
單元間距過(guò)小時(shí)，單元之間的互耦效應(yīng)增強(qiáng)，不利于準(zhǔn)確配置相控陣陣元的饋電幅度和相位，使一部分能量則會(huì)儲(chǔ)存在陣面近場(chǎng)區(qū)而不能有效輻射；此外，單元的陣中方向圖也將會(huì)發(fā)生畸變，在陣列天線大角度掃描時(shí)會(huì)出現(xiàn)掃描盲點(diǎn)。
單元間距過(guò)大時(shí)，有害的柵瓣會(huì)在相掃天線的物理可見(jiàn)空域內(nèi)出現(xiàn)。由于柵瓣電平與主瓣電平相當(dāng)，會(huì)大大消減相控陣天線在主輻射方向上的波束能量。
因此，陣列排布的設(shè)計(jì)和優(yōu)化尤為關(guān)鍵。在進(jìn)行陣面設(shè)計(jì)時(shí)，工程師需要一種能夠快速迭代的仿真方法反復(fù)優(yōu)化以獲得合適的單元間距。
ANSYS HFSS中的單元法可以幫助工程師在天線陣設(shè)計(jì)初期快速評(píng)估單元間距以及單元在陣列中的性能。
單元法主要是基于HFSS的主從邊界條件，通過(guò)一系列的設(shè)置可以將當(dāng)前的輻射單元擴(kuò)展為二維平面上的無(wú)限大陣列的一種方法。通過(guò)單元法可以評(píng)估輻射單元在無(wú)限大陣列環(huán)境下的S參數(shù)和輻射方向圖等性能參數(shù)，包括在不同掃描角度和不同頻率下的有源S參數(shù)特性和方向圖特性，預(yù)估天線陣列在大掃描角狀態(tài)下的掃描盲區(qū)問(wèn)題。這種方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：
僅需對(duì)一個(gè)單元求解，消耗資源和時(shí)間少；
基于主從邊界，評(píng)估天線單元特性時(shí)考慮單元間耦合；
結(jié)合Floquet端口，快速預(yù)估陣列掃描特性
但需要注意的是，單元法分析對(duì)陣列作了如下假設(shè)：
陣列無(wú)限大；
每個(gè)單元的方向圖都完全相同；
陣列所有單元等幅激勵(lì)，相位等差變化
所以單元法無(wú)法考慮陣列的邊緣效應(yīng)，也不能單獨(dú)設(shè)置每個(gè)單元的激勵(lì)，并且無(wú)法定義復(fù)雜形狀的陣列。
全陣精確仿真
以上提到通過(guò)單元法可以基于無(wú)限大陣評(píng)估單元的輻射特性，但由于不考慮陣列邊緣效應(yīng)和不支持任意幅相饋電，所以是陣列設(shè)計(jì)初期的仿真評(píng)估方法。
要得到陣列天線的精確結(jié)果，就需要對(duì)陣列進(jìn)行精確建模。
傳統(tǒng)的方法是將整個(gè)天線陣列在HFSS中完整建模出來(lái)。這樣做的好處是考慮了陣列天線的所有電磁耦合關(guān)系，包括輻射單元間的互耦，天線陣列的邊緣效應(yīng)以及一次求解后可任意定義幅相權(quán)值，僅需后處理就可以獲得修改幅相權(quán)值后的輻射場(chǎng)特性。
但這種方法在求解5G大規(guī)模陣列的時(shí)候存在一些問(wèn)題，比如：
手動(dòng)建模耗時(shí)耗力，且用戶(hù)界面會(huì)產(chǎn)生較大負(fù)荷
模型網(wǎng)格劃分和求解時(shí)間冗長(zhǎng)
求解可能會(huì)遇到計(jì)算資源問(wèn)題，比如內(nèi)存瓶頸
那么針對(duì)5G大規(guī)陣列有沒(méi)有既能夠保證求解精度，同時(shí)有兼顧求解效率的方法呢？
有限大陣方法 (Finite Array Domain Decomposition Method) 就是這個(gè)難題的答案！有限大陣 (FA) 技術(shù)，是HFSS獨(dú)有的一種基于單元法模型和區(qū)域分解法的高效大規(guī)模陣列天線仿真方法。這種方法與全陣建模求解同樣精確，并且建模求解都更加快速。
其具體思路如下：
1. 有限大陣建模非常簡(jiǎn)單快速。基于單元法模型通過(guò)陣列蒙版設(shè)置即可擴(kuò)展得到全陣模型。
2. 有限大陣法對(duì)陣列的網(wǎng)格處理非常高效。基于陣列天線輻射單元相同的特性，通過(guò)網(wǎng)格鏈接將單元法迭代收斂后的單元網(wǎng)格直接復(fù)用到有限大陣的所有單元，極大的縮短了大規(guī)模陣列網(wǎng)格剖分的時(shí)間。
3. 有限大陣的求解過(guò)程非?？焖佟＠糜邢薮箨噯卧W(wǎng)格復(fù)用的特性，將陣列的每個(gè)單元都當(dāng)做一個(gè)子域，通過(guò)DDM域分解法并行計(jì)算，高效求解大規(guī)模陣列天線。
4. 如果我們對(duì)于陣列只需要關(guān)注某一組幅相權(quán)值下輻射特性和有源S參數(shù)，還可以通過(guò)合成激勵(lì)(Composite Excitation)的方式求解，在分鐘級(jí)別的時(shí)間內(nèi)就能完成仿真。
看到這里，相信大家對(duì)于完全周期性的天線陣列仿真已經(jīng)有辦法了，但是如果天線陣列并不是完全周期性的，比如汽車(chē)?yán)走_(dá)中常用的串饋微帶貼片陣，應(yīng)該怎么辦呢？
對(duì)于此類(lèi)平面層疊結(jié)構(gòu)的陣列天線，HFSS 3D Layout是更好的選擇。他獨(dú)特的Phi網(wǎng)格技術(shù)可以極大的提高平面層疊結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格剖分效率和成功率，進(jìn)而提高仿真效率。
波束賦形網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)驗(yàn)證
5G時(shí)代天線和射頻部分將從松耦合走向緊耦合。大規(guī)模MIMO技術(shù)對(duì)天線的相互耦合提出了更高的要求，需要將射頻與天線集成在一起，從而提高5G產(chǎn)品的性能和集成度等。
隨著耦合度的提高，需要天線技術(shù)在系統(tǒng)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)考慮天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)之間的相互影響，進(jìn)而使得天線輻射性能產(chǎn)生變化。這些影響可能包括
失配損耗，天線在不同掃描角和不同加權(quán)系數(shù)情況下有源駐波的變化導(dǎo)致匹配狀態(tài)發(fā)生變化；
饋電系統(tǒng)的幅相不均衡性，由于寄生電磁耦合、設(shè)計(jì)和加工誤差導(dǎo)致饋電系統(tǒng)輸出幅度和相位與理論設(shè)計(jì)不完全相符；
數(shù)字移相器的量化誤差：發(fā)射和接收鏈路、自適應(yīng)天線A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，數(shù)字移相器相位的非連續(xù)性；
發(fā)射電路的壓縮特性：由于不同的加權(quán)系數(shù)導(dǎo)致功放處于不同的壓縮狀態(tài)，導(dǎo)致的幅度壓縮和相位變化。
圖片源自Sub-6 GHz mMIMO Base Stations Meet 5G’s Size and Weight Challenges, Walter Honcharenko
這些因素的存在將導(dǎo)致相控陣天線陣面與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的失配，影響天線系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。為高效精確仿真相控陣系統(tǒng)的輻射性能，必須在仿真階段考慮天線陣面和波束賦形網(wǎng)絡(luò)間的相互影響。
HFSS場(chǎng)路協(xié)同仿真方法通過(guò)電路和電磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)鏈接與激勵(lì)推送，可以實(shí)現(xiàn)在電路仿真器中，將天線模型與饋電網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)合起來(lái)協(xié)同設(shè)計(jì)，仿真并優(yōu)化駐波特性，進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。這樣，不僅可以大大提高設(shè)計(jì)效率，充分考慮結(jié)構(gòu)中的電磁場(chǎng)細(xì)節(jié)，直接獲得整個(gè)饋電系統(tǒng)優(yōu)化的性能指標(biāo)，而且避免了在設(shè)計(jì)中對(duì)單個(gè)部件過(guò)高的指標(biāo)要求，可以方便地獲得整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化的性能。
利用HFSS場(chǎng)路協(xié)同設(shè)計(jì)功能，將周期性邊界條件仿真的陣中單元特性與饋電網(wǎng)絡(luò)在Circuit中組裝在一起，考慮天線單元之間的耦合特性和饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生效應(yīng)情況下，進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)和陣列天線的協(xié)同仿真。將HFSS/DDM仿真得到的整個(gè)天線陣模型，在Circuit中調(diào)用，將整個(gè)天線陣，輻射單元，饋電網(wǎng)絡(luò)、移相器、功率放大器、雙工器、開(kāi)關(guān)、衰減器、波束控制等各個(gè)部分組裝在一起，研究天線陣的整體性能，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮各種耦合、寄生效應(yīng)以及非線性效應(yīng)，從而方便研究整個(gè)有源相控陣的綜合性能。
相控陣的可靠性分析、布局及覆蓋
5G時(shí)代對(duì)于相控陣的利用和研究都將進(jìn)入深水區(qū)，不單是挖掘其任何可能的性能空間，更重要的，需要縮減其成本，提高運(yùn)維的便捷度，提高產(chǎn)品的可靠性。這部分內(nèi)容由于是相控陣有關(guān)的延伸領(lǐng)域，在此稍作解釋不做深度討論。
多物理場(chǎng)可靠性分析
5G時(shí)代的mMIMO設(shè)計(jì)中，需要將射頻與天線集成在一起，天線和電子設(shè)備都包含在一個(gè)天線罩中，對(duì)體積、重量、散熱等提出很高要求。實(shí)際工作時(shí)，天饋系統(tǒng)中的無(wú)源/有源器件中產(chǎn)生的高頻電磁損耗引起的溫升和隨之可能帶來(lái)的形變對(duì)系統(tǒng)電性能的影響必須進(jìn)行考慮。
集成了HFSS的電子桌面平臺(tái)最新版本中已經(jīng)集成了熱分析工具Icepak，可以先對(duì)天線系統(tǒng)中無(wú)源和有源器件做一體化仿真，計(jì)算出分布在通道和天線中的電磁損耗，將此電磁損耗通過(guò)電磁-熱耦合自動(dòng)映射至Icepak中成為分散式熱源，結(jié)合已知的熱源和環(huán)境溫度仿真出天饋系統(tǒng)中的溫升，部分關(guān)鍵敏感器件如果需對(duì)溫升后引起的形變從而導(dǎo)致的電性能變化做仿真，可利用電磁-熱-結(jié)構(gòu)的雙向耦合鏈接仿真天線在實(shí)際工作狀態(tài)下的特性。
布局與覆蓋
5G將是宏站與微站相結(jié)合的時(shí)代，5G基站數(shù)量將是4G基站的兩到三倍。為減少網(wǎng)絡(luò)投資成本，城市路燈、電線桿將是5G小基站時(shí)代的重要基礎(chǔ)設(shè)施。另外5G初期仍要兼顧4G網(wǎng)絡(luò)。隨著5G基站在現(xiàn)有站點(diǎn)中激增，可用的安裝空間將急劇縮小。
在這種復(fù)雜布局場(chǎng)景、高密度布局的電磁環(huán)境下，基站天線布局和覆蓋的仿真就顯得尤為重要。我們需要在天線實(shí)際安裝前就提前考慮到不同的電磁環(huán)境對(duì)天線的輻射和覆蓋性能的影響。
在ANSYS HFSS最新版本中，HFSS傳統(tǒng)算法與SBR+（彈跳射線法）實(shí)現(xiàn)了完美融合，可通過(guò)射線方法和混合求解技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨尺度的場(chǎng)景級(jí)電磁覆蓋計(jì)算，快速評(píng)估分析電大尺寸場(chǎng)景下的布局與覆蓋情況。
