面向智能产品的5G天线技术万博网

Eric Black, Pivotal Commware首席技术官

智能互联产品的急剧增长需要快速增加的通信带宽，但可用的无线电频谱的增长速度远万博网远低于所需的速度。第五代蜂窝无线技术5G解决这一问题的一种方法是利用波束成形天线向蜂窝网络的不同区域发送不同的信号，从而在同一频率上实现多个同时传输。Pivotal Commware正在设计下一代这些波束成形天线或蜂窝基站和其他应用，其成本仅为现有方法的一小部分。该公司的工程师使用Ansys HFSS来创建满足第一次或万博第二次设计要求的天线设计，大大减少了在这个竞争激烈的行业中将新天线推向市场所需的时间。

“成本、尺寸、重量和功率(C-SWaP)是通信系统设计中的关键挑战。”

Floquet分析从单个天线单元生成无限阵列。

之前的3G和4G LTE蜂窝技术完善了将频段划分为越来越窄的段，将时间划分为越来越小的脉冲的过程，以增加网络可以容纳的移动电话用户数量。Pivotal Commware通过Pivotal的全息波束成形(HBF)天线技术解决了5G对细分空间的新关注。HBF使用变容管和电子元件，比现有波束成形天线(如相控阵或多输入多输出(MIMO))中使用的复杂电子元件简单得多，也便宜得多。

成本、尺寸、重量和功率(C-SWaP)是通信系统设计中的关键挑战。使用传统的方法在一个月的时间里构建原型——确定任何缺陷，创建一个新的设计等等——是不可能满足产品发布时间表的。相反，Pivotal工程师使用万博Ansys基于，以设计其5G天线的所有关键组件——转换、馈电万博网络、耦合器、RF/DC模块、传输线和辐射元件。万博Ansys仿真工具使Pivotal的全息波束成形技术能够克服C-SWaP挑战。利用仿真，工程师可以在开发过程的早期获得可靠的设计，并避免传统设计方法所需的多次原型迭代。

衍生调优允许在不需要额外模拟运行的情况下进行微调。

波束形成是5g性能的关键

在4G LTE中，蜂窝技术已经达到了时间和频率复用的理论极限，因此工程师们正在考虑使用软件驱动的、高度定向的天线来分割物理空间。这将使蜂窝网络内不同位置的移动电话用户能够同时共享相同的频率。该领域的一项领先技术是MIMO，它使用许多发射器和接收器来激发每个天线中的各种元件来传输数据流，尽管传输路径不同，但这些数据流稍后可以组合在一起。然而，MIMO需要一个复杂且昂贵的基带单元(BBU)来协调每个元件背后的系统和无线电，这导致了高成本和功耗。

另一方面，全息波束成形则使用每个天线元件的单个变容管(其电容取决于直流偏置)来在单元内需要的任何地方引导无线容量，而不需要多个无线电或复杂的BBU。这项技术被称为全息技术，因为天线中的变容管偏置状态模式控制无线电波的方式与全息图控制光波产生3D图像的方式相同。改变变容器的直流偏置会改变参考波在每个元件处看到的阻抗，从而改变阵列的辐射方向，并将波束指向蜂窝网络内的一组移动电话用户，甚至单个移动电话用户。用于全息波束成形天线结构的所有组件都是大批量、低成本和现成的，其成本远低于MIMO或相控阵。

参数化研究将滚降确定为距离天线中心线的度数的函数。

“Pivotal Commware解决了5G的新重点，即利用基于全息波束成形技术的天线细分空间。”

散热器提出了设计挑战

Pivotal Commware工程师使用Ansys HFSS万博对HBF天线的所有微波组件进行建模。特别重要的是元件辐射器，天线的无源元件负责辐射方向图。散热器提出了一个特殊的设计挑战，因为它们必须在宽频率范围内以小于五分之一波长的紧凑外形实现效率。

示例单元辐射器具有双极化二阶响应，并在侧壁上建立主/从边界，在z=0处通过理想接平面的两个同轴馈电，以及在顶部边界上的Floquet端口。元件散热器由交叉极化贴片、感应栅格和顶部寄生贴片组成。每个天线阵列由数千个相同的元件组成;对这些元素进行建模将是乏味的，并且需要很长的解决时间。因此，Pivotal的工程师使用HFSS Floquet端口，在+z壁上具有两种模式，来模拟一个无限平面周期性结构，其元素在其侧壁连接在一起。天线的传播特性由元件的频率、相位和几何形状决定。这种方法允许工程师通过调整单个元素来改变整个模型，从而实现快速的设计迭代，然后在求解传统模型所需的一小部分时间内求解新迭代的s参数。

工程师在他们的模型中参数化所有关键的设计变量。这使得利用解析导数的能力成为可能万博Ansys Optimetrics附加到HFSS更改任何设计参数上的调谐盘，并立即更新结果图，而无需再次解决模型。例如，工程师移动解析导数表盘以将元件的厚度改变1毫米。辐射效率图上出现了一条新的虚线，可以很容易地与原始图进行比较，以显示变化的影响。除了辐射效率外，解析导数仿真还提供了单次仿真运行中每个设计变量的其他s参数、远场和一阶解析导数。偏导数的大小表示s参数对仿真所涵盖的频率范围内每个设计变量变化的敏感性。

使用参数扫描来研究滚转

工程师们还使用参数扫描来研究天线性能的滚降，作为波束指向远离天线侧面的函数。通常，他们将辐射效率绘制为波束形成方向频率的函数，间隔为10度。这些图典型地显示了在离中心线0度到20度之间接近完美的辐射效率，随后随着天线指向离中心线更远，下降越来越大。全息波束形成天线仍然能够在与中心线90度角的情况下获得合理的性能。

前几代天线设计工程师使用手工计算来创建一个初始的，高度近似的设计，他们通过建造和测试一系列的原型来逐步改进。万博Ansys HFSS使Pivotal Commware工程师能够通过构建带有Floquet端口的周期模型来更快地进行设计，该模型可以通过使用解析导数工具快速求解以获得所需的性能。然后，他们可以运行参数分析来微调和验证优化的设计。这种方法将每次设计迭代的时间从一个月减少到几分钟，使其能够在严格的交付窗口内满足其他市场的蜂窝运营商和移动电话用户的严格性能目标和苛刻要求。

用于蜂窝基站的28ghz天线