案例 l 5G面向智能产品的天线技术

智能互联产品的快速增长促使通信带宽需求日益提高，然而无线电频谱的增长速度却明显跟不上需求的步伐。第五代蜂窝无线技术（即5G）可以解决上述问题，方式之一是利用波束成形天线 将不同信号发送到蜂窝网络的不同区域，从而以相同频率进行多路同时传输。Pivotal Commware正在设计面向蜂窝基站等应用的新一代波束成形天线，所需成本仅为现有方法的几分之一。该公司的工程师利用ANSYS HFSS，只需一次或两次运行即可创建满足设计要求的天线设计，这样能显著缩短新型天线的研发时间，从而在竞争激烈的行业中赢得先机。

Floquet分析能够从单个天线单元生成无限阵列

之前的3G和4G LTE蜂窝技术将频带分成更窄的频率片段，并将时间分成更小的脉冲，以增加网络中可容纳的移动手机用户的数量，而且逐步完善这个过程。Pivotal Commware利用Pivotal全息波束成形（HBF）天线技术，解决5G技术的新问题，即分割空间。HBF采用的是变容二极管，这种电子组件比现有波束成形天线中使用的复杂电子设备——例如相位阵列或多输入多输出（MIMO）——要简单得多，而且成本也更低。

成本、尺寸、重量和功耗（C-SWaP）是通信系统设计中的关键挑战。采用传统的原型构建方法需要一个月的时间来确定设计缺陷，创造新的设计等等，这样就无法按计划发布产品。相反地，通过ANSYS初创公司计划获得的ANSYS HFSS产品可帮助Pivotal工程师设计5G天线的所有关键组件——转换、馈送网络、耦合器、RF/DC模块、传输线路和辐射单元。ANSYS仿真工具可帮助Pivotal的全息波束成形技术解决C-SWaP挑战。凭借仿真，工程师可以在早期研发阶段获得可靠设计，避免传统设计方法所需的多次原型迭代设计。

导数调谐功能无需额外的仿真即可实现精细调整

波束成形是5G性能的关键

在4G LTE中，蜂窝技术已经达到了时分复用和频分复用的理论极限，因此工程师考虑使用软件驱动的高定向性天线切分物理空间。这样使蜂窝网络中不同位置的移动手机用户能够同时共享相同的频率。该领域中的领先技术MIMO采用众多发射器和接收器来激励每个天线中的各种单元，以便发送数据流，尽管这些数据流以不同路径传输，但最终可以合并在一起。然而，MIMO需要复杂且高成本的基带单元（BBU），用于协调系统和每个天线单元的无线电装置，因而造成高成本和高功耗。

全息波束成形技术则是在每个天线单元上只使用一个变容二极管（电容随直流偏置而变化的可变电容器），从而将无线容量导向至蜂窝单元中任何有需求的位置，无需多个无线电装置或复杂的BBU。该技术之所以被称为全息技术，是因为天线控制射频波中的变容二极管偏置状态模式与全息图控制光波产生3D图像的方式相同。更改变容二极管的直流偏置将改变每个天线单元的参考波的阻抗，从而改变阵列的辐射图，并将波束导向至蜂窝网络中的一组移动手机用户甚至单个移动手机用户。用于构建全息波束成形天线的所有组件都是大批量低成本的现成组件，因而其成本比MIMO或相位阵列低得多。

参数研究发现衰减与距离天线中心线的角度成函数关系

辐射器的设计挑战

Pivotal Commware的工程师使用ANSYS HFSS模拟HBF天线的所有微波组件。其中尤为重要的是天线单元辐射器，它负责辐射图的无源天线器件。辐射器具有特殊的设计挑战，因为其必须在宽频率范围内、在很紧凑的封装（小于波长的五分之一）内实现高效率。

例如，单元辐射器具有双极化二阶响应，在建模时应采用侧壁上的主/从边界、通过理想地平面（z=0）的两个同轴馈送以及顶部边界上的一个Floquet端口。单元辐射器包含一个交叉极化贴片、一个感应网格以及一个顶部寄生贴片。每个天线阵列由数千个相同的单元组成；如果建模每个单元，将非常繁琐，而且需要很长的求解时间。因此，Pivotal的工程师使用HFSS Floquet端口（+z壁上有两个模式）模拟无限的平面周期结构，在侧壁将单元链接在一起。天线的传播特性由单元的频率、相位和几何结构确定。该方法能实现快速设计迭代，允许工程师通过调整一个单元来改变整个模型，然后求解新迭代设计的S参数，所需时间仅为传统模型求解时间的几分之一。

工程师将模型中的所有关键设计变量进行参数化。使用HFSS的ANSYS Optimetrics插件 的分析导数功能，工程师可在调谐刻度盘上改变任意设计参数，并立即更新结果图，无需再次求解模型。例如，工程师移动分析导数刻度盘，将单元厚度改变1mm。辐射效率图中即出现新的虚线曲线，方便与初始图形进行比较，从而显示变更的影响。除了辐射效率，分析导数仿真还能在单次仿真中为每个设计变量提供其他S参数、远场和一阶分析导数。偏导数的大小可用来表示在仿真所覆盖的频率范围内S参数对每个设计变量变化的灵敏度。

利用参数扫描研究衰减

此外，工程师利用参数扫描研究波束方向远离天线宽边时所产生的天线性能衰减。通常，他们绘制出辐射效率与波束成形方向改变（以10度为步长）频率的关系图，从图中显示，距中心线0度至20度通常呈现近乎完美的辐射效率，随着天线方向逐渐远离中心线，衰减增加。当与中心线呈90度时，全息波束成形天线仍可实现合理的性能。

前几代天线设计工程师通过手动计算建立初始的高度近似设计，再通过构建和测试一系列物理原型来逐渐改善设计。ANSYS HFSS使Pivotal Commware的工程师能够利用Floquet端口构建周期模型，再使用分析导数工具输入所需的性能值以快速求解模型，从而加快设计速度。然后，他们可以运行参数化分析以精细调节并验证优化设计。该方法将设计迭代时间从一个月缩短到几分钟，有望在紧迫的时限内满足其他市场中蜂窝通信提供商和移动手机用户的高性能目标和严苛要求。

用于蜂窝基站的28GHz天线

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