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5G仿真解决方案之相控阵仿真技术详解
材料来源:张旭,ANSYS中国           录入时间:2019/9/4 9:25:26

天线是移动通信系统的重要组成部分,随着移动通信技术的发展,天线形态越来越多样化,并且技术也日趋复杂。进入5G时代,大规模MIMO、波束赋形等成为关键技术,促使天线向着有源化、复杂化的方向演进。天线设计方式也需要与时俱进,采用先进的仿真手段应对复杂设计需求,满足5G时代天线不断提高的性能要求。

5G与相控阵

5G时代应用将极大丰富,5G网络需要适应大带宽、高可靠低时延、大连接等场景,这就要求5G天线具备支持更多通道,灵活实时的波束调节,并支持高频段通信的能力,其关键的演进方向即为大规模MIMO有源天线。大规模MIMO相较于传统MIMO能够有效提升性能的核心就是基于相控阵技术

所谓相控阵,是指通过控制阵列天线中辐射单元馈电相位来改变方向图波束指向的一类阵列天线。

图片源自网络

相控阵的主要目的是实现阵列波束的空间扫描,即所谓电扫描。相控阵早期主要应用于军事方面——相控阵雷达。由于相控阵雷达扫描速度快,多任务能力强,现已广泛应用到军事雷达领域中,并成为军事实力的标志之一。

另外,相控阵技术同时也在气象预测等民用领域有着广泛的应用。

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图片源自网络。左图是战略预警雷达,右图是气象雷达

回顾移动通信的发展史,从基站天线的演进趋势也可以看出,相控阵技术是5G时代提升系统容量和频谱利用率、降低干扰、增强覆盖的必然选择

首先,从无源天线到有源天线系统,这就意味着天线可能会实现智能化、小型化(共设计)、定制化。未来的网络会变得越来越细,需要根据周围的场景来进行定制化的设计,例如在城市区域内布站会更加精细,而不是简单的覆盖。5G通信将会应用高频段,障碍物会对通信产生很大的影响,定制化的天线可以提供更好的网络质量。

其次,天线设计的系统化和复杂化,例如波束阵列(实现空分复用)、多波束以及多/高频段。这些都对天线提出了很高的要求,会涉及到整个系统以及互相兼容的问题,在这种情况下天线技术已经超越了元器件的概念,逐渐进入了系统的设计。

图片包含 室内, 墙壁, 餐桌描述已自动生成

图片源自网络 

相控阵仿真设计

相控阵的设计可主要分为天线阵面波束赋形网络两部分。

图片源自《Sub-6 GHz大规模MIMO基站面临5G技术带来的尺寸和重量挑战

天线阵面设计

天线阵面设计需要确定辐射单元的形式和方向图特性、阵列的排布及其馈电形式等,阵面设计直接决定了相控阵的辐射特性如天线的增益、波瓣宽度以及最大扫描范围等,是相控阵设计的重点之一。

1.      辐射单元的设计与优化

由于相控阵天线具有波束扫描特性,其辐射单元的选择有一定的要求和限制。通常适合作为相控阵辐射元的天线类型有两类:

  • 口径天线,如开口波导、波导缝隙天线、微带贴片天线等;
  • 单极子或者对称偶极子演变,如印刷对称振子、锥削缝隙天线等

5G时代为了获得更高信道容量,引入了大量新频谱资源,这对辐射单元的宽带特性有了更高的要求。除了Sub 6GHz频段增加了新的频段以外,还增加了高频毫米波频段,对辐射单元的形式和加工工艺又有更苛刻的要求。另外,在集成化的趋势下,小型化和轻量化成为天线设计的基本要求。综上,辐射单元的形式多以微带贴片和半波偶极子为主,工艺主要以PCB和塑料振子的形式出现。

对于辐射单元的仿真设计而言,精确求解工作频带内的性能尤为关键。而5G天线辐射单元的复杂材料和几何特性以及超宽带和多频段的特点给辐射单元的仿真设计带来了极大的挑战。

ANSYS HFSS中独有的自动自适应网格技术(Adaptive Meshing),结合宽带网格技术(BAM)可以高效精确的得到全频段内的网格,从而获得全频段内的精确响应。

仿真设计过程中快速找到辐射单元的最优设计至关重要。

ANSYS HFSS可以基于参数化的模型进行伴随求导(Derivatives)快速调谐与敏感度分析,通过伴随求导可以

  • 快速的找到正确的变量值,更好理解变量如何影响性能,缩短研发时间;
  • 明确影响最大的参数类别,聚焦于高敏感度的设计参数,让设计变得健壮。

在伴随求导(Derivatives)分析后,基于调谐结果,可以筛选出关键的变量,在HFSS中进行辐射单元的自动优化,从而获得最优的S参数、天线方向图以及电磁场分布等结果指标。

大参数空间和多参数空间状态下的快速优化对设计人员来说,一直是很大的挑战。DoE(数值实验)分析方法是解决这类问题的先进技术,HFSS中的DoE工具DesignXplorer,可帮助加速阵列单元设计优化过程,在优化前先进行设计空间的充分探索与寻优,减少仿真次数,快速确定设计的可行性。

此外,HFSS最新推出的快速模式对于产品设计周期的早期阶段可以在不明显降低求解精度的前提下提供有关设计趋势的快速仿真结果。随着设计接近完成,再通过简单的滑块设置使用HFSS准精度功能进行高精度的验证。

2.      单元法阵列快速分析

相控阵单元选型和设计优化是相控阵设计的关键环节,该过程涉及到诸多方案和诸多参数的选择和优化,因此,快速分析和相关的优化分析就尤其重要。比如,相控阵单元间距是影响相控阵天线辐射特性的重要参数之一。

单元间距过小时,单元之间的互耦效应增强,不利于准确配置相控阵阵元的馈电幅度和相位,使一部分能量则会储存在阵面近场区而不能有效辐射;此外,单元的阵中方向图也将会发生畸变,在阵列天线大角度扫描时会出现扫描盲点。

单元间距过大时,有害的栅瓣会在相扫天线的物理可见空域内出现。由于栅瓣电平与主瓣电平相当,会大大消减相控阵天线在主辐射方向上的波束能量。

因此,阵列排布的设计和优化尤为关键。在进行阵面设计时,工程师需要一种能够快速迭代的仿真方法反复优化以获得合适的单元间距。

ANSYS HFSS中的单元法可以帮助工程师在天线阵设计初期快速评估单元间距以及单元在阵列中的性能。

单元法主要是基于HFSS的主从边界条件,通过一系列的设置可以将当前的辐射单元扩展为二维平面上的无限大阵列的一种方法。通过单元法可以评估辐射单元在无限大阵列环境下的S参数和辐射方向图等性能参数,包括在不同扫描角度和不同频率下的有源S参数特性和方向图特性,预估天线阵列在大扫描角状态下的扫描盲区问题。这种方法具有如下优点:

a)      仅需对一个单元求解,消耗资源和时间少;

b)      基于主从边界,评估天线单元特性时考虑单元间耦合;

c)      结合Floquet端口,快速预估阵列扫描特性

但需要注意的是,单元法分析对阵列作了如下假设:

a)      阵列无限大;

b)      每个单元的方向图都完全相同;

c)      阵列所有单元等幅激励,相位等差变化

所以单元法无法考虑阵列的边缘效应,也不能单独设置每个单元的激励,并且无法定义复杂形状的阵列。

3.      全阵精确仿真

以上提到通过单元法可以基于无限大阵评估单元的辐射特性,但由于不考虑阵列边缘效应和不支持任意幅相馈电,所以是阵列设计初期的仿真评估方法。

要得到阵列天线的精确结果,就需要对阵列进行精确建模。

传统的方法是将整个天线阵列在HFSS中完整建模出来。这样做的好处是考虑了阵列天线的所有电磁耦合关系,包括辐射单元间的互耦,天线阵列的边缘效应以及一次求解后可任意定义幅相权值,仅需后处理就可以获得修改幅相权值后的辐射场特性。

但这种方法在求解5G大规模阵列的时候存在一些问题,比如:

a)      手动建模耗时耗力,且用户界面会产生较大负荷

b)      模型网格划分和求解时间冗长

c)      求解可能会遇到计算资源问题,比如内存瓶颈

那么针对5G大规阵列有没有既能够保证求解精度,同时有兼顾求解效率的方法呢?

有限大阵方法 (Finite Array Domain Decomposition Method) 就是这个难题的答案!有限大阵 (FA) 技术,是HFSS独有的一种基于单元法模型和区域分解法的高效大规模阵列天线仿真方法。这种方法与全阵建模求解同样精确,并且建模求解都更加快速。

其具体思路如下:

1.      有限大阵建模非常简单快速。基于单元法模型通过阵列蒙版设置即可扩展得到全阵模型。

2.      有限大阵法对阵列的网格处理非常高效。基于阵列天线辐射单元相同的特性,通过网格链接将单元法迭代收敛后的单元网格直接复用到有限大阵的所有单元,极大的缩短了大规模阵列网格剖分的时间。

3.      有限大阵的求解过程非常快速。利用有限大阵单元网格复用的特性,将阵列的每个单元都当做一个子域,通过DDM域分解法并行计算,高效求解大规模阵列天线。

4.      如果我们对于阵列只需要关注某一组幅相权值下辐射特性和有源S参数,还可以通过合成激励(Composite Excitation)的方式求解,在分钟级别的时间内就能完成仿真。

图片包含 电子产品描述已自动生成

看到这里,相信大家对于完全周期性的天线阵列仿真已经有办法了,但是如果天线阵列并不是完全周期性的,比如汽车雷达中常用的串馈微带贴片阵,应该怎么办呢?

对于此类平面层叠结构的阵列天线,HFSS 3D Layout是更好的选择。他独特的Phi网格技术可以极大的提高平面层叠结构的网格剖分效率和成功率,进而提高仿真效率。

波束赋形网络与系统验证

5G时代天线和射频部分将从松耦合走向紧耦合。大规模MIMO技术对天线的相互耦合提出了更高的要求,需要将射频与天线集成在一起,从而提高5G产品的性能和集成度等。

随着耦合度的提高,需要天线技术在系统层面进行设计,系统考虑天线阵列与馈电网络之间的相互影响,进而使得天线辐射性能产生变化。这些影响可能包括

Ÿ 失配损耗,天线在不同扫描角和不同加权系数情况下有源驻波的变化导致匹配状态发生变化;

Ÿ 馈电系统的幅相不均衡性,由于寄生电磁耦合、设计和加工误差导致馈电系统输出幅度和相位与理论设计不完全相符;

Ÿ 数字移相器的量化误差:发射和接收链路、自适应天线A/D转换系统中,数字移相器相位的非连续性;

Ÿ 发射电路的压缩特性:由于不同的加权系数导致功放处于不同的压缩状态,导致的幅度压缩和相位变化。

图片包含 屏幕截图描述已自动生成

图片源自《Sub-6 GHz大规模MIMO基站面临5G技术带来的尺寸和重量挑战

这些因素的存在将导致相控阵天线阵面与网络系统的失配,影响天线系统的技术指标。为高效精确仿真相控阵系统的辐射性能,必须在仿真阶段考虑天线阵面和波束赋形网络间的相互影响。

HFSS场路协同仿真方法通过电路和电磁场的动态链接与激励推送,可以实现在电路仿真器中,将天线模型与馈电网络仿真结合起来协同设计,仿真并优化驻波特性,进行匹配设计。这样,不仅可以大大提高设计效率,充分考虑结构中的电磁场细节,直接获得整个馈电系统优化的性能指标,而且避免了在设计中对单个部件过高的指标要求,可以方便地获得整个系统最优化的性能。

利用HFSS场路协同设计功能,将周期性边界条件仿真的阵中单元特性与馈电网络在Circuit中组装在一起,考虑天线单元之间的耦合特性和馈电网络的寄生效应情况下,进行匹配设计馈电网络和阵列天线的协同仿真。将HFSS/DDM仿真得到的整个天线阵模型,在Circuit中调用,将整个天线阵,辐射单元,馈电网络、移相器、功率放大器、双工器、开关、衰减器、波束控制等各个部分组装在一起,研究天线阵的整体性能,进行系统级优化设计,考虑各种耦合、寄生效应以及非线性效应,从而方便研究整个有源相控阵的综合性能。

相控阵的可靠性分析、布局及覆盖

5G时代对于相控阵的利用和研究都将进入深水区,不单是挖掘其任何可能的性能空间,更重要的,需要缩减其成本,提高运维的便捷度,提高产品的可靠性。这部分内容由于是相控阵有关的延伸领域,在此稍作解释不做深度讨论。

1.      多物理场可靠性分析

5G时代的mMIMO设计中,需要将射频与天线集成在一起,天线和电子设备都包含在一个天线罩中,对体积、重量、散热等提出很高要求。实际工作时,天馈系统中的无源/有源器件中产生的高频电磁损耗引起的温升和随之可能带来的形变对系统电性能的影响必须进行考虑。

集成了HFSS的电子桌面平台最新版本中已经集成了热分析工具Icepak,可以先对天线系统中无源和有源器件做一体化仿真,计算出分布在通道和天线中的电磁损耗,将此电磁损耗通过电磁-热耦合自动映射至Icepak中成为分散式热源,结合已知的热源和环境温度仿真出天馈系统中的温升,部分关键敏感器件如果需对温升后引起的形变从而导致的电性能变化做仿真,可利用电磁-热-结构的双向耦合链接仿真天线在实际工作状态下的特性。

2.      布局与覆盖

5G将是宏站与微站相结合的时代,5G基站数量将是4G基站的两到三倍。为减少网络投资成本,城市路灯、电线杆将是5G小基站时代的重要基础设施。另外5G初期仍要兼顾4G网络。随着5G基站在现有站点中激增,可用的安装空间将急剧缩小。

在这种复杂布局场景、高密度布局的电磁环境下,基站天线布局和覆盖的仿真就显得尤为重要。我们需要在天线实际安装前就提前考虑到不同的电磁环境对天线的辐射和覆盖性能的影响。

图片包含 LEGO, 玩具, 蛋糕, 室内描述已自动生成

在ANSYS HFSS最新版本中,HFSS传统算法与SBR+(弹跳射线法)实现了完美融合,可通过射线方法和混合求解技术实现跨尺度的场景级电磁覆盖计算,快速评估分析电大尺寸场景下的布局与覆盖情况。


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