集成電路基板 - 針對5G模擬解決方案的相控陣模擬技術詳細說明

天線是移動通信系統的重要組成部分. 隨著移動通信科技的發展, 天線形式越來越多樣化, 科技變得越來越複雜. 進入5G時代, 大規模MIMO 波束形成已經成為關鍵技術, 這推動了天線朝著啟動和複雜的方向發展. 天線設計方法也需要與時俱進, 採用先進的模擬方法響應複雜的設計需求, 滿足5G時代日益增長的天線效能要求.
5G and phased array
The 5G era will be extremely rich in applications. 5G網絡需要適應大頻寬等場景, 高可靠性, 低延遲, 和大型連接. 這需要5G天線來支持更多通道, 靈活的實时光束調整, 並支持高頻通信., 其關鍵發展方向是 大規模MIMO 有源天線. 與傳統MIMO相比, 大規模MIMO 能够有效提高效能的覈心是基於相控陣科技.

所謂相控陣是指一種通過控制陣列天線中輻射元件的饋入相位來改變方向圖波束方向的陣列天線。

相控陣的主要目的是實現陣列波束的空間掃描，即所謂的電掃描。 早期相控陣雷達主要用於軍事。 相控陣雷達以其掃描速度快、多工能力强等優點，在軍用雷達領域得到了廣泛的應用，已成為軍事實力的標誌之一。

此外，相控陣科技還廣泛應用於天氣預報等民用領域。

圖片包含天空、室外、建築物描述已自動生成圖片包含建築物、天空、室外、穹頂描述已自動生成

這張圖片來自互聯網。 左圖為戰畧預警雷達，右圖為氣象雷達

回顧移動通信的發展歷史，從基站天線的演進趨勢也可以看出，相控陣科技是5G時代提高系統容量和頻譜利用率、减少干擾、增强覆蓋的必然選擇：

首先，從無源天線到有源天線系統，這意味著天線可以智能化、小型化（共同設計）和定制。 未來，網絡將變得越來越詳細，有必要根據周圍場景定制設計。 例如，都市地區的車站部署將更加精細，而不是簡單的覆蓋。 5G通信將使用高頻段，障礙物將對通信產生很大影響。 定制天線可以提供更好的網絡質量。

其次，天線設計的系統化和複雜性，如波束陣列（實現空分複用）、多波束和多/高頻段。 這些都對天線提出了很高的要求，這將涉及整個系統和相容性問題。 在這種情況下，天線科技已經超越了組件的概念，逐漸進入了系統的設計。

Phased Array Simulation Design
The design of phased array can be divided into two parts: antenna array and beamforming network.
Antenna array design
The 天線陣列設計 需要確定輻射元件的形狀和圖案特徵, 陣列的排列及其饋源形式, 等. 陣列設計直接决定了相控陣的輻射特性, 比如天線增益, 波瓣寬度和最大掃描範圍等, 是相控陣設計的關鍵之一.
1. Design and optimization of radiating unit
Because the phased array antenna has beam scanning characteristics, 其輻射單元的選擇有一定的要求和限制. There are two types of antennas that are generally suitable as phased array radiating elements:

Aperture antennas, 如開放波導管, 波導縫隙天線, 微帶補片天線, 等.;
Monopole or symmetrical dipole evolution, 如印刷對稱振子, 漸變開槽天線, 等.
在5G時代, 為了獲得更高的通道容量, 引入了大量新的頻譜資源, 對輻射單元的寬帶特性有更高的要求. 除了在低於6GHz的頻段中添加新頻段之外, 還添加了高頻毫米波頻帶, 對散熱單元的形狀和加工工藝有更嚴格的要求. 此外, 在一體化趨勢下, 小型化和輕量化已成為天線設計的基本要求. 總而言之, 輻射單元的形式主要是微帶貼片和半波偶極子, 該過程主要以 印刷電路板 和塑膠振動器.
用於輻射單元的類比設計, 準確解决工作頻段的效能問題尤為關鍵. 5G天線輻射單元的複合材料和幾何特性, 以及超寬帶和多頻段的特點, 給輻射單元的模擬設計帶來了巨大的挑戰.

ANSYS HFSS中獨特的自動自我調整網格劃分科技（adaptive meshing）與寬帶網格劃分科技（BAM）相結合，可以高效、準確地獲得整個頻段的網格，從而獲得整個頻段的精確響應。

在類比設計過程中，快速找到輻射單元的優化設計是非常重要的。

ANSYS HFSS可以基於參數化模型進行導數快速調諧和靈敏度分析。

快速找到正確的變數值, 更好地瞭解變數如何影響效能, and shorten the development time;
Clarify the most influential parameter categories and focus on highly sensitive design parameters to make the design robust.
衍生品分析後, 根據調整結果, 關鍵變數可以篩選出來, 在HFSS中可以自動優化輻射單元，以獲得最佳的S參數, 天線方向圖, 電磁場分佈及其他結果名額.

在大參數空間和多參數空間狀態下的快速優化一直是設計人員面臨的巨大挑戰。 數值實驗分析方法是解决這類問題的一種先進科技。 HFSS中的DoE工具DesignXplorer有助於加速陣列元素設計優化過程。 在優化之前，應充分探索和優化設計空間，以减少類比的數量。 快速確定設計的可行性。

此外，HFSS最新的fast模式可以為產品設計週期的早期階段提供設計趨勢的快速類比結果，而不會顯著降低解決方案的準確性。 隨著設計接近完成，HFSS准精度函數通過簡單的滑塊設定用於高精度驗證。

2. Fast analysis of element method array
Phased array unit selection and design optimization are key aspects of phased array design. 這個過程涉及到許多方案和參數的選擇和優化. 因此, 快速分析和相關優化分析尤為重要. 例如, 相控陣單元間距是影響相控陣天線輻射特性的重要參數之一.

如果單元之間的距離太小，單元之間的互耦效應會新增，這不利於精確配寘相控陣元件的饋源幅度和相位，使部分能量存儲在前端的近場區域，無法有效輻射； 此外，陣列中的方向圖單元也會發生畸變，當陣列天線以大角度掃描時，會出現掃描盲點。

當單元間距過大時，相位掃描天線的物理可見空間會出現有害的光栅波瓣。 由於光栅瓣電平與主瓣電平相等，相控陣天線在主輻射方向的波束能量將大大降低。

囙此，陣列佈置的設計和優化尤為關鍵。 在設計前端時，工程師需要一種類比方法，該方法可以快速反復優化，以獲得適當的單元間距。

ANSYS HFSS中的單元法可以幫助工程師在初始階段快速評估陣列中的單元間距和單元效能 天線陣列設計.