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万博ANSYS的博客

2019年4月1日

如何为5G网络和应用设计天线阵列

全世界都在谈论5G网络。专家表示，下一代无线通信技术将带来更低的延迟、更快的数据传输速率以及互联设备的爆炸式增长。

工程师们需要完全重新设计天线阵列，以便能够处理5G网络增加的带宽。

在…的帮助下万博Ansys基于在美国，这些工程师可以在8个步骤中创建5G天线阵列设计。HFSS还可以帮助工程师优化天线的性能，例如:

使用HFSS创建天线的三维极线图

  • 增益-信号最强的方向。
  • 波束转向-将信号转向某个方向的能力。
  • 回波损耗-从天线反射到信号源的能量量。
  • 旁瓣电平-信号发送的不需要的方向。

在设计过程的最后，工程师将拥有一个具有升压、聚焦增益和最小回波损失和旁瓣水平的可操纵天线阵列。

步骤1:使用HFSS天线工具包找到天线单元模板

为5G应用创建天线阵列的第一步是使用HFSS天线工具包提出天线单元模板。这个天线单元将定义一个单独的部分，最终将被复制成一个天线阵列——因此是天线阵列。


HFSS天线工具包为工程师的阵列设计提供了天线单元。

工程师需要从工具包库中选择天线系列。然后，他们需要输入天线基片的工作频率和特性。

几分钟后，工具箱将向工程师提供天线单元的初始几何形状。HFSS还将计算天线单元的增益和回波损失。

步骤2:将天线单元放入天线阵列中

一旦工程师们有了天线单元，下一步就是把它放入一个周期性的阵列中。将单位放入一个重复的数组将有助于提高增益。

在第一步中，天线单元被单独评估。现在，这个过程在无限天线阵列的一个周期性元件上重复。

工程师们会注意到，增益、回波损失、旁瓣和波束转向等特性都受到阵列中其他天线的接近程度的影响。通过改变天线的方向，工程师可以优化这些特性。

一旦选择了最佳天线阵列方向，工程师就可以定义阵列因子，将无限阵列修改为理想的有限阵列。


此菜单用于设置天线阵列。

在本例中，模拟了一个16 × 16的方形天线阵列。

步骤3:使用域分解方法设计有限天线阵列

工程师需要更多的理想模型来设计5G天线阵列。因此，下一步是建立一个模拟，更好地描述天线单元之间以及阵列边缘之间的相互作用。

将单个天线单元的网格与相邻天线单元的网格缝合在一起
阵列几何结构内的天线单元。

本文采用区域分解方法(DDM)进行仿真。DDM复制单个元素的网格，并将其应用于第二步中定义的几何图形。每个网格的边界与相邻网格缝合在一起，因此工程师可以评估附近天线阵列单元的耦合。

对于那些能够访问高性能计算(HPC)的人来说，DDM能够分配每个天线单元网格的计算负载，因此它们可以使用多个核心并行求解。

一旦网格创建，HFSS可用于评估和优化天线的增益、回波损失、旁瓣和波束转向，比步骤2更准确。

步骤4:计算有限天线阵列的波束角

如果工程师不能控制信号的去向，天线就没什么用处了。这些工程师可以使用HFSS的有限阵列波束角度计算器，根据信号频率和扫描/相位角，确定将波束转向特定方向所需的相移。这些角度将用于在球坐标中定位数组。


有限阵列波束角计算器

计算器根据第三步中创建的网格，确定阵列中天线和波束的特定扫描角度之间的关系。

步骤5:设计天线阵列的电路

下一步是设计如何在整个阵列中分配能量。

工程师首先需要确定目标相位关系和振幅。然后，他们在HFSS中设计和迭代电源馈电网络，直到实现这一目标。

当工程师迭代天线阵列的功率分配电路时，他们可以看到每次迭代是如何影响振幅和相位关系的。

一旦他们连接了每个阵列并优化了设置，他们就可以开始将所有工作连接到一个模拟中。

天线阵列的电源馈电网络

步骤6:将所有天线阵列模型连接到一个仿真中

现在，工程师们能够将有限元模型(在第三步中创建)与光束角度计算(在第四步中)和电源馈电网络(在第五步中)联系起来。

还添加了移相器来控制信号。移相器是从基于第四步中计算的相位角的组件库中选择的。

接下来，工程师可以执行线性网络分析(LNA)来评估这个接近完成的模拟的回报损失。

第七步:将天线阵列激励推至HFSS

工程师现在需要将LNA的激励结果推入HFSS。换句话说，来自馈电网络的损失失配作为幅度和相位值传递给HFSS。然后将结果绘制为系统增益。


天线阵列系统增益的真实表示

这个增益是天线在各个方向性能的更真实的反映。

步骤8:在环境中测试5G天线

最后一步是在其环境的背景下评估天线设计的性能。


系统级仿真测试天线的发送和传输能力
接收城市街区内的信号。

为了做到这一点，他们必须使用HFSS射击和反射射线(SBR)技术进行系统级研究。这项研究测试了天线在大环境中(如城市街区)发送和接收信号的能力。

要了解更多，请阅读万博Ansys 5G仿真解决方案页面或者是天线设计方案页面．

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