5G仿真解決方案|相控陣仿真技術詳解（一）

天線是移動通信系統的重要組成部分，隨著移動通信技術的發展，天線形態越來越多樣化，并且技術也日趨復雜。進入5G時代，大規模MIMO、波束賦形等成為關鍵技術，促使天線向著有源化、復雜化的方向演進。天線設計方式也需要與時俱進，采用先進的仿真手段應對復雜設計需求，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網絡需要適應大帶寬、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，靈活實時的波束調節，并支持高頻段通信的能力，其關鍵的演進方向即為大規模MIMO有源天線。大規模MIMO相較于傳統MIMO能夠有效提升性能的核心就是基于相控陣技術。

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，現已廣泛應用到軍事雷達領域中，并成為軍事實力的標志之一。另外，相控陣技術同時也在氣象預測等民用領域有著廣泛的應用。

左圖：戰略預警雷達，右圖：氣象雷達（圖片源自網絡）

回顧移動通信的發展史，從基站天線的演進趨勢也可以看出，相控陣技術是5G時代提升系統容量和頻譜利用率、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，這就意味著天線可能會實現智能化、小型化（共設計）、定制化。未來的網絡會變得越來越細，需要根據周圍的場景來進行定制化的設計，例如在城市區域內布站會更加精細，而不是簡單的覆蓋。5G通信將會應用高頻段，障礙物會對通信產生很大的影響，定制化的天線可以提供更好的網絡質量。

其次，天線設計的系統化和復雜化，例如波束陣列（實現空分復用）、多波束以及多/高頻段。這些都對天線提出了很高的要求，會涉及到整個系統以及互相兼容的問題，在這種情況下天線技術已經超越了元器件的概念，逐漸進入了系統的設計。

圖片源自網絡

相控陣仿真設計

相控陣的設計可主要分為天線陣面和波束賦形網絡兩部分。

圖片源自Sub-6 GHz mMIMO Base Stations Meet 5G’s Size and Weight Challenges, Walter Honcharenko

天線陣面設計

天線陣面設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，是相控陣設計的重點之一。

輻射單元的設計與優化

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。

對于輻射單元的仿真設計而言，精確求解工作頻帶內的性能尤為關鍵。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計帶來了極大的挑戰。

ANSYS HFSS中獨有的自動自適應網格技術(Adaptive Meshing)，結合寬帶網格技術（BAM）可以高效精確的得到全頻段內的網格，從而獲得全頻段內的精確響應。

仿真設計過程中快速找到輻射單元的最優設計至關重要。

ANSYS HFSS可以基于參數化的模型進行伴隨求導(Derivatives)快速調諧與敏感度分析，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，縮短研發時間；

明確影響最大的參數類別，聚焦于高敏感度的設計參數，讓設計變得健壯。

在伴隨求導(Derivatives)分析后，基于調諧結果，可以篩選出關鍵的變量，在HFSS中進行輻射單元的自動優化，從而獲得最優的S參數、天線方向圖以及電磁場分布等結果指標。

大參數空間和多參數空間狀態下的快速優化對設計人員來說，一直是很大的挑戰。DoE（數值實驗）分析方法是解決這類問題的先進技術，HFSS中的DoE工具DesignXplorer，可幫助加速陣列單元設計優化過程，在優化前先進行設計空間的充分探索與尋優，減少仿真次數，快速確定設計的可行性。

此外，HFSS最新推出的快速模式對于產品設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設計趨勢的快速仿真結果。隨著設計接近完成，再通過簡單的滑塊設置使用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計優化是相控陣設計的關鍵環節，該過程涉及到諸多方案和諸多參數的選擇和優化，因此，快速分析和相關的優化分析就尤其重要。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而不能有效輻射；此外，單元的陣中方向圖也將會發生畸變，在陣列天線大角度掃描時會出現掃描盲點。

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出現。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，陣列排布的設計和優化尤為關鍵。在進行陣面設計時，工程師需要一種能夠快速迭代的仿真方法反復優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境下的S參數和輻射方向圖等性能參數，包括在不同掃描角度和不同頻率下的有源S參數特性和方向圖特性，預估天線陣列在大掃描角狀態下的掃描盲區問題。這種方法具有如下優點：

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；

結合Floquet端口，快速預估陣列掃描特性