5G相控阵仿真技术解析

受到警告

　　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：
　　仅需对一个单元求解，消耗资源和时间少；
　　基于主从边界，评估天线单元特性时考虑单元间耦合；
　　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：
　　阵列无限大；
　　每个单元的方向图都完全相同；
　　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。

　　相控阵仿真设计
　　相控阵的设计可主要分为天线阵面和波束赋形网络两部分。
　　
　　图片源自Sub-6 GHz mMIMO Base Stations Meet 5G’s Size and Weight Challenges， Walter Honcharenko

　　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。