5G——第五代無(wú)線通信技術(shù)，作為全球性的暴熱話題已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)。如眾多專家所述，該技術(shù)將帶來(lái)更低時(shí)延、更快速率的數(shù)據(jù)通信，并將導(dǎo)致互聯(lián)設(shè)備的爆發(fā)式增長(zhǎng)。

5G網(wǎng)絡(luò)的更大帶寬需求，要求必須徹底重新設(shè)計(jì)天線陣列，從單元到陣列，到饋電網(wǎng)絡(luò)，到全模型驗(yàn)證和應(yīng)用場(chǎng)景評(píng)估，都需要做完善的精細(xì)化仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。微波仿真論壇

利用Ansys HFSS，只需8個(gè)步驟，就能輕松完成5G天線陣列的設(shè)計(jì)和綜合驗(yàn)證。此外，HFSS還能幫助工程師優(yōu)化各項(xiàng)天線性能指標(biāo)，如：

增益 — 最強(qiáng)的信號(hào)輻射方向。

波束控制 — 能夠?qū)⑿盘?hào)輻射控制在某個(gè)方向上。

回波損耗 — 從天線反射回來(lái)的回波能量

旁瓣電平 — 不需要的信號(hào)輻射方向。

設(shè)計(jì)流程結(jié)束后，獲得的陣列天線聚焦增益更高、回波損耗及旁瓣電平[敏感詞]，而且方向可控制。

第1步：通過(guò)Ansys HFSS天線工具箱（ATK）找到天線單元模板

5G天線陣列設(shè)計(jì)的第1步是通過(guò)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(gè)最終用于復(fù)制成一系列天線（天線陣列）中的相同部分。

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

數(shù)秒后，天線工具箱（ATK）將生成天線單元的初始幾何結(jié)構(gòu)。HFSS 還可計(jì)算天線單元的增益及回波損耗等指標(biāo)特性。

有了天線單元后，工程師就可將其代入一個(gè)周期陣列中。把單元代入一系列復(fù)制設(shè)計(jì)中，有助于提高增益。

在第一步中，天線單元是自行評(píng)估的。現(xiàn)在可使用無(wú)限大天線陣列的周期單元重復(fù)評(píng)估這一過(guò)程。

很容易理解，陣列內(nèi)其它天線的距離會(huì)影響增益、回波損耗、旁瓣回波及波束控制等特性。當(dāng)然，也可通過(guò)調(diào)整天線方位來(lái)優(yōu)化這些特性。

選定最佳陣列方位后，可通過(guò)定義陣因子，將無(wú)限大陣列改為理想化的有限大陣列。

本例中仿真了一個(gè)16x16的正方形天線陣列。

設(shè)計(jì)天線陣列需要的不是理想化模型，因此，下一步是構(gòu)建真實(shí)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。

該仿真方法采用域分解（DDM）方法完成。域分解方法將復(fù)制單個(gè)單元的網(wǎng)格并將其應(yīng)用于第二步定義中的幾何結(jié)構(gòu)。每個(gè)網(wǎng)格的邊界與相鄰網(wǎng)格重疊縫合，以評(píng)估臨近陣列單元的耦合情況。

采用高性能計(jì)算平臺(tái)和域分解方法，能將每個(gè)天線單元網(wǎng)格的計(jì)算負(fù)荷分配后采用多個(gè)處理器內(nèi)核來(lái)并行求解，以此加快求解速度。

網(wǎng)格一旦創(chuàng)建，Ansys HFSS便可用于評(píng)估和優(yōu)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(yōu)勢(shì)。

如果信號(hào)的傳輸方向無(wú)法控制，5G天線將毫無(wú)意義。這里，可使用HFSS的“有限陣列波束角計(jì)算器”，根據(jù)信號(hào)頻率和掃描/相位角度計(jì)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(biāo)系內(nèi)的陣列天線。

該計(jì)算器可在第3步創(chuàng)建的網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，確定陣列中的天線和波束具體掃描角度之間的關(guān)系。

下一步是設(shè)計(jì)陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)。

首先需要確定目標(biāo)相位關(guān)系與幅度，然后在HFSS內(nèi)設(shè)計(jì)和迭代饋電網(wǎng)絡(luò)，直至達(dá)標(biāo)為止。

在迭代設(shè)計(jì)陣列的饋電電路時(shí)，可以預(yù)估每次迭代會(huì)給幅度和相位關(guān)系造成怎樣的影響。

完成每個(gè)陣列的布線并優(yōu)化設(shè)置后，即可開(kāi)始將其所有設(shè)計(jì)連接在一個(gè)完整的仿真工程中。

現(xiàn)在可根據(jù)第4步的波束角度計(jì)算以及第5步的饋電網(wǎng)絡(luò)為第3步創(chuàng)建的有限元模型布線。

此外，還可添加移相器，控制信號(hào)。移相器可根據(jù)第4步計(jì)算的相位角度從組件庫(kù)中選擇。

接下來(lái)，可進(jìn)行線性網(wǎng)絡(luò)分析（LNA），為這個(gè)幾近完成的仿真工程評(píng)估回波損耗指標(biāo)。

現(xiàn)在需要從LNA把激勵(lì)結(jié)果推送到HFSS中。換句話說(shuō)，就是把來(lái)自饋電網(wǎng)絡(luò)的不匹配損耗以幅值及相位值的形式傳遞給HFSS，然后將結(jié)果繪制為系統(tǒng)增益圖。

該增益可更準(zhǔn)確地反映天線在各個(gè)方向的輻射性能。

最后一步是在天線使用環(huán)境中評(píng)估其設(shè)計(jì)性能[YX1] 。

此過(guò)程涉及到電大尺寸的場(chǎng)景和平臺(tái)，可使用HFSS的射線跟蹤法（SBR）技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)研究。該研究可計(jì)算天線在大型環(huán)境下收發(fā)信號(hào)的能力，如城市市區(qū)等環(huán)境下。