智能产品的5G天线技术

Eric Black, Pivotal Commware的首席技术官

智能互联产品的急剧增长需要快速增长的通信带宽，但可用的无线电频谱的增长速度远远低于所需的速度。第五代蜂窝无线技术5G可以解决这一问题的一种方法是利用波束形成天线向蜂窝网络的不同区域发送不同的信号，从而在同一频率上实现多个同时传输。Pivotal Commware正在设计下一代波束形成天线或蜂窝基站和其他应用，成本仅为现有方法的一小部分。该公司的工程师使用Ansys HFSS创建天线设计，在第一次或第二次通过时就能满足设计要求，大大缩短了在这个竞争激烈的行业中将新天线推向市场所需的时间。

“成本、尺寸、重量和功率(C-SWaP)是通信系统设计中的关键挑战。”

Floquet分析从单个天线单元生成无限个阵列。

之前的3G和4G LTE蜂窝技术完善了将频段分割成越来越窄的段，将时间分割成越来越小的脉冲，以增加网络可以容纳的移动电话用户数量的过程。Pivotal Commware通过Pivotal的全息波束形成(HBF)天线技术解决了5G对细分空间的新关注。HBF使用变容器，这种电子元件比现有波束形成天线(如相控阵或多输入多输出(MIMO))中使用的复杂电子元件简单得多，也便宜得多。

成本、尺寸、重量和功率(C-SWaP)是通信系统设计中的关键挑战。使用传统的方法在一个月的时间内构建一个原型——确定任何缺陷，创建一个新的设计等等——是不可能满足产品发布时间表的。相反，Pivotal工程师使用Ansys基于，通过Ansys启动程序获得，设计其5G天线的所有关键组件-过渡，馈电网络，耦合器，RF/DC块，传输线和辐射元件。Ansys仿真工具使Pivotal的全息波束形成技术克服了C-SWaP的挑战。利用仿真，工程师可以在开发过程的早期获得可靠的设计，并避免传统设计方法所需的多次原型迭代。

导数调谐允许精细调整，而不需要额外的模拟运行。

波束形成是5g性能的关键

在4G LTE中，蜂窝技术已经达到了时间和频率复用的理论极限，因此工程师们正在考虑使用软件驱动的、高度定向的天线来分割物理空间。这将使蜂窝网络中不同位置的移动电话用户能够同时共享相同的频率。该领域的一项领先技术是MIMO，它使用许多发射器和接收器来激发每个天线中的各种元素，以传输数据流，尽管这些数据流经过不同的路径，但后来可以结合起来。然而，MIMO需要一个复杂且昂贵的基带单元(BBU)来协调每个元素背后的系统和无线电，这导致了高成本和功耗。

另一方面，全息波束形成技术在每个天线元件中使用单个变容器(其电容取决于直流偏置的可变电容器)来引导无线容量，而不需要多个无线电或复杂的BBU。这种技术被称为全息技术，因为天线中的变变电容偏压状态模式控制射频波的方式与全息图控制光波以产生3D图像的方式相同。改变变容器的直流偏置会改变每个元件上的参考波所看到的阻抗，从而改变阵列的辐射模式，并将波束定向到蜂窝网络内的一群移动电话用户，甚至是单个移动电话用户。全息波束形成天线的所有组件都是大批量、低成本和现成的，因此比MIMO或相控阵的成本要低得多。

参数研究表明滚转是天线中心线角度的函数。

Pivotal Commware解决了5G的新焦点，即基于全息波束形成技术的天线细分空间。”

散热器是设计的挑战

Pivotal Commware工程师使用Ansys HFSS对HBF天线的所有微波组件进行建模。特别重要的是元件散热器，天线的被动元件负责辐射模式。散热器提出了一个特殊的设计挑战，因为它们必须在一个小于五分之一波长的紧凑外形中实现宽频率范围内的效率。

一个具有双极化二阶响应的示例元件散热器在侧壁上采用主/从边界建模，两个同轴馈电通过一个理想地平面在z=0处，顶部边界上有一个Floquet端口。元件散热器由交叉极化贴片、感应栅格和顶部寄生贴片组成。每个天线阵列由数千个相同的元件组成;对这些元素进行建模将是乏味的，并且需要很长的求解时间。因此Pivotal工程师使用+z壁上具有两种模式的HFSS Floquet端口来模拟一个无限平面周期结构，其中元素在其侧壁连接在一起。天线的传播特性由元件的频率、相位和几何形状来设定。这种方法允许工程师通过调整单个元素来改变整个模型，从而实现快速设计迭代，然后在求解传统模型所需时间的一小部分内求解出新迭代的s参数。

工程师在他们的模型中参数化所有关键的设计变量。这使得利用解析导数的能力成为可能Ansys OptimetricsHFSS的附加组件可以改变调谐盘上的任何设计参数，并立即更新结果图，而无需再次求解模型。例如，工程师移动解析导数表盘来改变元件的厚度1毫米。辐射效率图上出现了一条新的虚线曲线，可以很容易地与原始图进行比较，以显示变化的影响。除辐射效率外，解析导数模拟还可在一次模拟运行中为每个设计变量提供其他s参数、远场和一阶解析导数。偏导数的大小表示s参数对每个设计变量在模拟覆盖的频率范围内变化的敏感性。

利用参数扫描研究滚转

工程师们还使用参数扫描来研究天线性能中的滚转，即将波束指向远离天线侧面的函数。通常，他们以10度间隔绘制辐射效率作为波束形成方向频率的函数。这些图通常在距离中心线0度至20度处显示近乎完美的辐射效率，随着天线指向离中心线越远，辐射效率下降越大。全息波束形成天线在与中心线成90度角时仍能达到合理的性能。

前几代天线设计工程师使用手工计算来创建一个初始的、高度近似的设计，他们通过建造和测试一系列原型逐渐改进。Ansys HFSS使Pivotal Commware工程师能够通过构建具有Floquet端口的周期模型来更快地进行设计，该模型可以通过使用分析导数工具来快速求解，以获得所需的性能。然后，他们可以运行参数分析来微调和验证优化设计。这种方法将每个设计的迭代时间从一个月减少到几分钟，从而可以在紧张的交付窗口内满足其他市场的蜂窝提供商和移动电话用户苛刻的性能目标和要求。

蜂窝基站的28 GHz天线