但需要注意的是,單元法分析對陣列作了如下假設:
陣列無限大;
每個單元的方向圖都完全相同;
陣列所有單元等幅激勵,相位等差變化
所以單元法無法考慮陣列的邊緣效應,也不能單獨設置每個單元的激勵,并且無法定義復雜形狀的陣列。
全陣精確仿真
以上提到通過單元法可以基于無限大陣評估單元的輻射特性,但由于不考慮陣列邊緣效應和不支持任意幅相饋電,所以是陣列設計初期的仿真評估方法。
要得到陣列天線的精確結果,就需要對陣列進行精確建模。
傳統的方法是將整個天線陣列在HFSS中完整建模出來。這樣做的好處是考慮了陣列天線的所有電磁耦合關系,包括輻射單元間的互耦,天線陣列的邊緣效應以及一次求解后可任意定義幅相權值,僅需后處理就可以獲得修改幅相權值后的輻射場特性。
但這種方法在求解5G大規模陣列的時候存在一些問題,比如:
手動建模耗時耗力,且用戶界面會產生較大負荷
模型網格劃分和求解時間冗長
求解可能會遇到計算資源問題,比如內存瓶頸
那么針對5G大規陣列有沒有既能夠保證求解精度,同時有兼顧求解效率的方法呢?
有限大陣方法 (Finite Array Domain Decomposition Method) 就是這個難題的答案!有限大陣 (FA) 技術,是HFSS獨有的一種基于單元法模型和區域分解法的高效大規模陣列天線仿真方法。這種方法與全陣建模求解同樣精確,并且建模求解都更加快速。
其具體思路如下:
1. 有限大陣建模非常簡單快速。基于單元法模型通過陣列蒙版設置即可擴展得到全陣模型。
2. 有限大陣法對陣列的網格處理非常高效。基于陣列天線輻射單元相同的特性,通過網格鏈接將單元法迭代收斂后的單元網格直接復用到有限大陣的所有單元,極大的縮短了大規模陣列網格剖分的時間。

3. 有限大陣的求解過程非常快速。利用有限大陣單元網格復用的特性,將陣列的每個單元都當做一個子域,通過DDM域分解法并行計算,高效求解大規模陣列天線。

4. 如果我們對于陣列只需要關注某一組幅相權值下輻射特性和有源S參數,還可以通過合成激勵(Composite Excitation)的方式求解,在分鐘級別的時間內就能完成仿真。

看到這里,相信大家對于完全周期性的天線陣列仿真已經有辦法了,但是如果天線陣列并不是完全周期性的,比如汽車雷達中常用的串饋微帶貼片陣,應該怎么辦呢?
對于此類平面層疊結構的陣列天線,HFSS 3D Layout是更好的選擇。他獨特的Phi網格技術可以極大的提高平面層疊結構的網格剖分效率和成功率,進而提高仿真效率。
波束賦形網絡與系統驗證
5G時代天線和射頻部分將從松耦合走向緊耦合。大規模MIMO技術對天線的相互耦合提出了更高的要求,需要將射頻與天線集成在一起,從而提高5G產品的性能和集成度等。
隨著耦合度的提高,需要天線技術在系統層面進行設計,系統考慮天線陣列與饋電網絡之間的相互影響,進而使得天線輻射性能產生變化。這些影響可能包括
失配損耗,天線在不同掃描角和不同加權系數情況下有源駐波的變化導致匹配狀態發生變化;
饋電系統的幅相不均衡性,由于寄生電磁耦合、設計和加工誤差導致饋電系統輸出幅度和相位與理論設計不完全相符;
數字移相器的量化誤差:發射和接收鏈路、自適應天線A/D轉換系統中,數字移相器相位的非連續性;
發射電路的壓縮特性:由于不同的加權系數導致功放處于不同的壓縮狀態,導致的幅度壓縮和相位變化。

圖片源自Sub-6 GHz mMIMO Base Stations Meet 5G’s Size and Weight Challenges, Walter Honcharenko
這些因素的存在將導致相控陣天線陣面與網絡系統的失配,影響天線系統的技術指標。為高效精確仿真相控陣系統的輻射性能,必須在仿真階段考慮天線陣面和波束賦形網絡間的相互影響。
HFSS場路協同仿真方法通過電路和電磁場的動態鏈接與激勵推送,可以實現在電路仿真器中,將天線模型與饋電網絡仿真結合起來協同設計,仿真并優化駐波特性,進行匹配設計。這樣,不僅可以大大提高設計效率,充分考慮結構中的電磁場細節,直接獲得整個饋電系統優化的性能指標,而且避免了在設計中對單個部件過高的指標要求,可以方便地獲得整個系統最優化的性能。

利用HFSS場路協同設計功能,將周期性邊界條件仿真的陣中單元特性與饋電網絡在Circuit中組裝在一起,考慮天線單元之間的耦合特性和饋電網絡的寄生效應情況下,進行匹配設計饋電網絡和陣列天線的協同仿真。將HFSS/DDM仿真得到的整個天線陣模型,在Circuit中調用,將整個天線陣,輻射單元,饋電網絡、移相器、功率放大器、雙工器、開關、衰減器、波束控制等各個部分組裝在一起,研究天線陣的整體性能,進行系統級優化設計,考慮各種耦合、寄生效應以及非線性效應,從而方便研究整個有源相控陣的綜合性能。
相控陣的可靠性分析、布局及覆蓋
5G時代對于相控陣的利用和研究都將進入深水區,不單是挖掘其任何可能的性能空間,更重要的,需要縮減其成本,提高運維的便捷度,提高產品的可靠性。這部分內容由于是相控陣有關的延伸領域,在此稍作解釋不做深度討論。
多物理場可靠性分析
5G時代的mMIMO設計中,需要將射頻與天線集成在一起,天線和電子設備都包含在一個天線罩中,對體積、重量、散熱等提出很高要求。實際工作時,天饋系統中的無源/有源器件中產生的高頻電磁損耗引起的溫升和隨之可能帶來的形變對系統電性能的影響必須進行考慮。
集成了HFSS的電子桌面平臺最新版本中已經集成了熱分析工具Icepak,可以先對天線系統中無源和有源器件做一體化仿真,計算出分布在通道和天線中的電磁損耗,將此電磁損耗通過電磁-熱耦合自動映射至Icepak中成為分散式熱源,結合已知的熱源和環境溫度仿真出天饋系統中的溫升,部分關鍵敏感器件如果需對溫升后引起的形變從而導致的電性能變化做仿真,可利用電磁-熱-結構的雙向耦合鏈接仿真天線在實際工作狀態下的特性。
布局與覆蓋
5G將是宏站與微站相結合的時代,5G基站數量將是4G基站的兩到三倍。為減少網絡投資成本,城市路燈、電線桿將是5G小基站時代的重要基礎設施。另外5G初期仍要兼顧4G網絡。隨著5G基站在現有站點中激增,可用的安裝空間將急劇縮小。
在這種復雜布局場景、高密度布局的電磁環境下,基站天線布局和覆蓋的仿真就顯得尤為重要。我們需要在天線實際安裝前就提前考慮到不同的電磁環境對天線的輻射和覆蓋性能的影響。
在ANSYS HFSS最新版本中,HFSS傳統算法與SBR+(彈跳射線法)實現了完美融合,可通過射線方法和混合求解技術實現跨尺度的場景級電磁覆蓋計算,快速評估分析電大尺寸場景下的布局與覆蓋情況。