本文來自微波仿真論壇
天線是移動通信系統(tǒng)的重要組成部分，隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，天線形態(tài)越來越多樣化，并且技術(shù)也日趨復雜。進入5G時代，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、復雜化的方向演進。天線設(shè)計方式也需要與時俱進，采用先進的仿真手段應對復雜設(shè)計需求，滿足5G時代天線不斷提高的性能要求。
5G與相控陣
5G時代應用將極大豐富，5G網(wǎng)絡(luò)需要適應大帶寬、高可靠低時延、大連接等場景，這就要求5G天線具備支持更多通道，靈活實時的波束調(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，是指通過控制陣列天線中輻射單元饋電相位來改變方向圖波束指向的一類陣列天線。
相控陣的主要目的是實現(xiàn)陣列波束的空間掃描，即所謂電掃描。相控陣早期主要應用于軍事方面——相控陣雷達。由于相控陣雷達掃描速度快，多任務能力強，現(xiàn)已廣泛應用到軍事雷達領(lǐng)域中，并成為軍事實力的標志之一。另外，相控陣技術(shù)同時也在氣象預測等民用領(lǐng)域有著廣泛的應用。
左圖：戰(zhàn)略預警雷達，右圖：氣象雷達（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）
回顧移動通信的發(fā)展史，從基站天線的演進趨勢也可以看出，相控陣技術(shù)是5G時代提升系統(tǒng)容量和頻譜利用率、降低干擾、增強覆蓋的必然選擇：
首先，從無源天線到有源天線系統(tǒng)，這就意味著天線可能會實現(xiàn)智能化、小型化（共設(shè)計）、定制化。未來的網(wǎng)絡(luò)會變得越來越細，需要根據(jù)周圍的場景來進行定制化的設(shè)計，例如在城市區(qū)域內(nèi)布站會更加精細，而不是簡單的覆蓋。5G通信將會應用高頻段，障礙物會對通信產(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)計的系統(tǒng)化和復雜化，例如波束陣列（實現(xiàn)空分復用）、多波束以及多/高頻段。這些都對天線提出了很高的要求，會涉及到整個系統(tǒng)以及互相兼容的問題，在這種情況下天線技術(shù)已經(jīng)超越了元器件的概念，逐漸進入了系統(tǒng)的設(shè)計。
圖片源自網(wǎng)絡(luò)
相控陣仿真設(shè)計
相控陣的設(shè)計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
天線陣面設(shè)計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)計的重點之一。
輻射單元的設(shè)計與優(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型有兩類：
口徑天線，如開口波導、波導縫隙天線、微帶貼片天線等；
單極子或者對稱偶極子演變，如印刷對稱振子、錐削縫隙天線等
5G時代為了獲得更高信道容量，引入了大量新頻譜資源，這對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，在集成化的趨勢下，小型化和輕量化成為天線設(shè)計的基本要求。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)。
對于輻射單元的仿真設(shè)計而言，精確求解工作頻帶內(nèi)的性能尤為關(guān)鍵。而5G天線輻射單元的復雜材料和幾何特性以及超寬帶和多頻段的特點給輻射單元的仿真設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)。
ANSYS HFSS中獨有的自動自適應網(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。
仿真設(shè)計過程中快速找到輻射單元的最優(yōu)設(shè)計至關(guān)重要。
ANSYS HFSS可以基于參數(shù)化的模型進行伴隨求導(Derivatives)快速調(diào)諧與敏感度分析，通過伴隨求導可以
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)時間；
明確影響最大的參數(shù)類別，聚焦于高敏感度的設(shè)計參數(shù)，讓設(shè)計變得健壯。
在伴隨求導(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中進行輻射單元的自動優(yōu)化，從而獲得最優(yōu)的S參數(shù)、天線方向圖以及電磁場分布等結(jié)果指標。
大參數(shù)空間和多參數(shù)空間狀態(tài)下的快速優(yōu)化對設(shè)計人員來說，一直是很大的挑戰(zhàn)。DoE（數(shù)值實驗）分析方法是解決這類問題的先進技術(shù)，HFSS中的DoE工具DesignXplorer，可幫助加速陣列單元設(shè)計優(yōu)化過程，在優(yōu)化前先進行設(shè)計空間的充分探索與尋優(yōu)，減少仿真次數(shù)，快速確定設(shè)計的可行性。
此外，HFSS最新推出的快速模式對于產(chǎn)品設(shè)計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)計趨勢的快速仿真結(jié)果。隨著設(shè)計接近完成，再通過簡單的滑塊設(shè)置使用HFSS準精度功能進行高精度的驗證。
單元法陣列快速分析
相控陣單元選型和設(shè)計優(yōu)化是相控陣設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該過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。
單元間距過小時，單元之間的互耦效應增強，不利于準確配置相控陣陣元的饋電幅度和相位，使一部分能量則會儲存在陣面近場區(qū)而不能有效輻射；此外，單元的陣中方向圖也將會發(fā)生畸變，在陣列天線大角度掃描時會出現(xiàn)掃描盲點。
單元間距過大時，有害的柵瓣會在相掃天線的物理可見空域內(nèi)出現(xiàn)。由于柵瓣電平與主瓣電平相當，會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)計和優(yōu)化尤為關(guān)鍵。在進行陣面設(shè)計時，工程師需要一種能夠快速迭代的仿真方法反復優(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)計初期快速評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，通過一系列的設(shè)置可以將當前的輻射單元擴展為二維平面上的無限大陣列的一種方法。通過單元法可以評估輻射單元在無限大陣列環(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，預估天線陣列在大掃描角狀態(tài)下的掃描盲區(qū)問題。這種方法具有如下優(yōu)點：
僅需對一個單元求解，消耗資源和時間少；
基于主從邊界，評估天線單元特性時考慮單元間耦合；
結(jié)合Floquet端口，快速預估陣列掃描特性
但需要注意的是，單元法分析對陣列作了如下假設(shè)：
陣列無限大；
每個單元的方向圖都完全相同；
陣列所有單元等幅激勵，相位等差變化
所以單元法無法考慮陣列的邊緣效應，也不能單獨設(shè)置每個單元的激勵，并且無法定義復雜形狀的陣列。
全陣精確仿真
以上提到通過單元法可以基于無限大陣評估單元的輻射特性，但由于不考慮陣列邊緣效應和不支持任意幅相饋電，所以是陣列設(shè)計初期的仿真評估方法。
要得到陣列天線的精確結(jié)果，就需要對陣列進行精確建模。
傳統(tǒng)的方法是將整個天線陣列在HFSS中完整建模出來。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)值后的輻射場特性。
但這種方法在求解5G大規(guī)模陣列的時候存在一些問題，比如：
手動建模耗時耗力，且用戶界面會產(chǎn)生較大負荷
模型網(wǎng)格劃分和求解時間冗長
求解可能會遇到計算資源問題，比如內(nèi)存瓶頸
那么針對5G大規(guī)陣列有沒有既能夠保證求解精度，同時有兼顧求解效率的方法呢？
有限大陣方法 (Finite Array Domain Decomposition Method) 就是這個難題的答案！有限大陣 (FA) 技術(shù)，是HFSS獨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單快速。基于單元法模型通過陣列蒙版設(shè)置即可擴展得到全陣模型。
2. 有限大陣法對陣列的網(wǎng)格處理非常高效。基于陣列天線輻射單元相同的特性，通過網(wǎng)格鏈接將單元法迭代收斂后的單元網(wǎng)格直接復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)格剖分的時間。
3. 有限大陣的求解過程非常快速。利用有限大陣單元網(wǎng)格復用的特性，將陣列的每個單元都當做一個子域，通過DDM域分解法并行計算，高效求解大規(guī)模陣列天線。
4. 如果我們對于陣列只需要關(guān)注某一組幅相權(quán)值下輻射特性和有源S參數(shù)，還可以通過合成激勵(Composite Excitation)的方式求解，在分鐘級別的時間內(nèi)就能完成仿真。
看到這里，相信大家對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，比如汽車雷達中常用的串饋微帶貼片陣，應該怎么辦呢？
對于此類平面層疊結(jié)構(gòu)的陣列天線，HFSS 3D Layout是更好的選擇。他獨特的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，進而提高仿真效率。
波束賦形網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)驗證
5G時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)層面進行設(shè)計，系統(tǒng)考慮天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)之間的相互影響，進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)計和加工誤差導致饋電系統(tǒng)輸出幅度和相位與理論設(shè)計不完全相符；
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)導致功放處于不同的壓縮狀態(tài)，導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。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場路協(xié)同仿真方法通過電路和電磁場的動態(tài)鏈接與激勵推送，可以實現(xiàn)在電路仿真器中，將天線模型與饋電網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)合起來協(xié)同設(shè)計，仿真并優(yōu)化駐波特性，進行匹配設(shè)計。這樣，不僅可以大大提高設(shè)計效率，充分考慮結(jié)構(gòu)中的電磁場細節(jié)，直接獲得整個饋電系統(tǒng)優(yōu)化的性能指標，而且避免了在設(shè)計中對單個部件過高的指標要求，可以方便地獲得整個系統(tǒng)最優(yōu)化的性能。
利用HFSS場路協(xié)同設(shè)計功能，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)的寄生效應情況下，進行匹配設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)和陣列天線的協(xié)同仿真。將HFSS/DDM仿真得到的整個天線陣模型，在Circuit中調(diào)用，將整個天線陣，輻射單元，饋電網(wǎng)絡(luò)、移相器、功率放大器、雙工器、開關(guān)、衰減器、波束控制等各個部分組裝在一起，研究天線陣的整體性能，進行系統(tǒng)級優(yōu)化設(shè)計，考慮各種耦合、寄生效應以及非線性效應，從而方便研究整個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時代對于相控陣的利用和研究都將進入深水區(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。
多物理場可靠性分析
5G時代的mMIMO設(shè)計中，需要將射頻與天線集成在一起，天線和電子設(shè)備都包含在一個天線罩中，對體積、重量、散熱等提出很高要求。實際工作時，天饋系統(tǒng)中的無源/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的形變對系統(tǒng)電性能的影響必須進行考慮。
集成了HFSS的電子桌面平臺最新版本中已經(jīng)集成了熱分析工具Icepak，可以先對天線系統(tǒng)中無源和有源器件做一體化仿真，計算出分布在通道和天線中的電磁損耗，將此電磁損耗通過電磁-熱耦合自動映射至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溫升后引起的形變從而導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)有站點中激增，可用的安裝空間將急劇縮小。
在這種復雜布局場景、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。我們需要在天線實際安裝前就提前考慮到不同的電磁環(huán)境對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）實現(xiàn)了完美融合，可通過射線方法和混合求解技術(shù)實現(xiàn)跨尺度的場景級電磁覆蓋計算，快速評估分析電大尺寸場景下的布局與覆蓋情況。
