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Antennen sind ein wichtiger Bestandteil von Mobilfunksystemen. Mit der Entwicklung der Mobilfunktechnologie, Antennenformen werden immer vielfältiger, und die Technologie wird immer komplexer. Eintritt in die 5G-Ära, massive MIMO und Beamforming sind Schlüsseltechnologien geworden, die Entwicklung von Antennen in Richtung Aktivierung und Komplexität fördern. Antennendesignmethoden müssen auch mit der Zeit Schritt halten, Anwendung fortschrittlicher Simulationsmethoden, um auf komplexe Konstruktionsanforderungen zu reagieren, und den ständig steigenden Leistungsanforderungen von Antennen im 5G-Zeitalter gerecht zu werden.
5G and phased array
The 5G era will be extremely rich in applications. 5G-Netzwerke müssen sich an Szenarien wie große Bandbreite anpassen, hohe Zuverlässigkeit, geringe Latenz, und große Anschlüsse. Dies erfordert 5G-Antennen, um mehr Kanäle zu unterstützen, flexible Strahlverstellung in Echtzeit, und Hochfrequenzkommunikation unterstützen., Seine wichtigste Entwicklungsrichtung ist die massive MIMO aktive Antenne. Im Vergleich zu herkömmlichen MIMO, massive MIMO Kann die Leistung des Kerns effektiv verbessern basiert auf Phased Array Technologie.
Das sogenannte Phased Array bezieht sich auf eine Art Array Antenne, die die Strahlrichtung des Richtmusters ändert, indem die Einspeisephase des strahlenden Elements in der Array Antenne gesteuert wird.
Der Hauptzweck der Phased Array ist die räumliche Abtastung des Array Strahls, die sogenannte elektrische Abtastung zu realisieren. Das Phased Array wurde hauptsächlich im Militär in den frühen Tagen verwendet Phased Array Radar. Aufgrund seiner schnellen Scangeschwindigkeit und der starken Mehrzweckfähigkeit ist Phased Array Radar weit verbreitet auf dem Gebiet des militärischen Radars und ist zu einem der Symbole der militärischen Stärke geworden.
Darüber hinaus wird Phased-Array-Technologie auch in zivilen Bereichen wie Wettervorhersagen weit verbreitet eingesetzt.
Bild enthält Himmel, außen, Gebäudebeschreibung wurde automatisch generiert Bild enthält Gebäude, Himmel, außen, Kuppel Beschreibung wurde automatisch generiert
Das Bild stammt aus dem Internet. Das linke Bild ist ein strategisches Frühwarnradar, das rechte Bild ein Wetterradar
Rückblickend auf die Entwicklungsgeschichte der Mobilkommunikation kann auch aus dem Entwicklungstrend der Basisstationsantennenen ersichtlich werden, dass Phased-Array-Technologie eine unvermeidliche Wahl ist, um die Systemkapazität und die Frequenzauslastung zu verbessern, Störungen zu reduzieren und die Abdeckung im 5G-Zeitalter zu verbessern:
Zunächst einmal, von passiven Antennen bis hin zu aktiven Antennensystemen, bedeutet dies, dass Antennen intelligent, miniaturisiert (co-designed) und kundenspezifisch sein können. In Zukunft wird das Netzwerk immer detaillierter werden, und es wird notwendig sein, das Design an die umliegenden Szenen anzupassen. So wird beispielsweise der Einsatz von Bahnhöfen in städtischen Gebieten verfeinerter sein als eine einfache Abdeckung. 5G-Kommunikation wird Hochfrequenzbänder verwenden, und Hindernisse werden einen großen Einfluss auf die Kommunikation haben. Kundenspezifische Antennen können eine bessere Netzwerkqualität bieten.
Zweitens, die Systematisierung und Komplexität des Antennendesigns, wie Beam Arrays (um Raumteilungsmultiplexing zu erreichen), Multi-Beams und Multiple/Hochfrequenzbänder. Diese stellen hohe Anforderungen an die Antenne, die das gesamte System und Kompatibilitätsprobleme mit sich bringen wird. In diesem Fall hat die Antennentechnik das Konzept der Komponenten übertroffen und schrittweise in das Design des Systems eingetreten.
Phased Array Simulation Design
The design of phased array can be divided into two parts: antenna array and beamforming network.
Antenna array design
The Antennen-Array-Design muss die Form- und Mustereigenschaften des strahlenden Elements bestimmen, die Anordnung des Arrays und seine Feedform, etc. Das Array-Design bestimmt direkt die Strahlungseigenschaften des Phased Array, wie Antennengewinn, Kolbenbreite und maximaler Scanbereich Und so weiter, ist einer der wichtigsten Punkte des Phased Array Designs.
1. Design and optimization of radiating unit
Because the phased array antenna has beam scanning characteristics, Die Auswahl seiner Strahlungseinheit hat bestimmte Anforderungen und Einschränkungen. There are two types of antennas that are generally suitable as phased array radiating elements:
Aperture antennas, wie offener Wellenleiter, Wellenleiter Slot Antenne, Microstrip Patch Antenne, etc.;
Monopole or symmetrical dipole evolution, wie gedruckter symmetrischer Vibrator, Antenne mit konischem Schlitz, etc.
Im 5G-Zeitalter, um eine höhere Kanalkapazität zu erhalten, eine große Anzahl neuer Frequenzressourcen eingeführt wurden, das höhere Anforderungen an die Breitbandcharakteristik der Strahlungseinheit stellt. Zusätzlich zum Hinzufügen eines neuen Frequenzbandes im Sub 6GHz Frequenzband, Ein hochfrequentes Millimeterwellenfrequenzband wurde ebenfalls hinzugefügt, das höhere Anforderungen an Form und Verarbeitungstechnik des Strahlers stellt. Darüber hinaus, im Trend der Integration, Miniaturisierung und geringes Gewicht sind die grundlegenden Anforderungen des Antennendesigns geworden. Zusammenfassend, Die Form des strahlenden Elements ist meist Microstrip Patch und Halbwellendipol, und der Prozess ist hauptsächlich in Form von PCB und Kunststoffvibrator.
Für die Simulation der Strahlungseinheit, Es ist besonders wichtig, die Leistung im Arbeitsfrequenzband genau zu lösen. Die komplexen Materialien und geometrischen Eigenschaften der 5G Antennenstrahleinheit, sowie die Eigenschaften von Ultrabreitband- und Mehrfrequenzbändern, haben große Herausforderungen an das Simulationsdesign der Strahlungseinheit gebracht.
Die einzigartige automatische adaptive Vernetzungstechnologie (Adaptive Meshing) in ANSYS HFSS, kombiniert mit Breitband-Vernetzungstechnologie (BAM), kann effizient und genau das Netz im gesamten Frequenzband erhalten, wodurch ein genaues Ansprechverhalten im gesamten Frequenzband erreicht wird.
Es ist sehr wichtig, die optimale Auslegung des Strahlungselements während des Simulationsdesignprozesses schnell zu finden.
ANSYS HFSS kann abgeleitete schnelle Tuning- und Sensitivitätsanalysen basierend auf dem parametrisierten Modell durchführen.
Schnell den richtigen Variablenwert finden, besser verstehen, wie sich die Variable auf die Leistung auswirkt, and shorten the development time;
Clarify the most influential parameter categories and focus on highly sensitive design parameters to make the design robust.
Nach der Analyse der Derivate, basierend auf den Abstimmungsergebnissen, die Schlüsselvariablen können abgeschirmt werden, und die Strahleinheit kann automatisch in HFSS optimiert werden, um die optimalen S-Parameter zu erhalten, Antennenmuster, Verteilung elektromagnetischer Felder und andere Ergebnisindikatoren.
Die schnelle Optimierung im Zustand von großem Parameterraum und Mehrparameterraum war schon immer eine große Herausforderung für Designer. Die DoE-Analysemethode (numerisches Experiment) ist eine fortschrittliche Technologie, um diese Art von Problemen zu lösen. Das DoE-Tool DesignXplorer in HFSS kann helfen, den Prozess der Optimierung des Array-Elements zu beschleunigen. Vor der Optimierung sollte der Konstruktionsraum vollständig erforscht und optimiert werden, um die Anzahl der Simulationen zu reduzieren. Ermitteln Sie schnell die Machbarkeit des Entwurfs.
Darüber hinaus kann der neueste Schnellmodus von HFSS schnelle Simulationsergebnisse von Designtrends für die frühen Phasen des Produktdesignzyklus liefern, ohne die Genauigkeit der Lösung signifikant zu verringern. Da das Design kurz vor der Fertigstellung steht, wird die HFSS-Quasi-Precision-Funktion zur hochpräzisen Überprüfung durch einfache Schiebereglereinstellungen verwendet.
2. Fast analysis of element method array
Phased array unit selection and design optimization are key aspects of phased array design. Dieser Prozess beinhaltet die Auswahl und Optimierung vieler Schemata und Parameter. Daher, Schnelle Analyse und damit verbundene Optimierungsanalysen sind besonders wichtig. Zum Beispiel, Der Abstand der Phased-Array-Einheit ist einer der wichtigen Parameter, der die Strahlungseigenschaften der Phased-Array-Antenne beeinflusst.
Wenn der Abstand zwischen den Einheiten zu klein ist, wird der gegenseitige Kopplungseffekt zwischen den Einheiten zunehmen, was nicht förderlich ist, die Vorschubamplitude und Phase der Phasenarrayelemente genau zu konfigurieren, so dass ein Teil der Energie im Nahfeldbereich der Front gespeichert wird und nicht effektiv abgestrahlt werden kann; Darüber hinaus werden die Einheiten Das Muster im Array wird auch verzerrt, und scannende tote Winkel erscheinen, wenn die Array-Antenne in einem großen Winkel gescannt wird.
Wenn der Geräteabstand zu groß ist, erscheinen schädliche Gitterkolben im physikalisch sichtbaren Raum der Phasenscan-Antenne. Da der Gitterkolbenpegel dem Hauptkolbenpegel entspricht, wird die Strahlenergie der Phased Array Antenne in Hauptstrahlungsrichtung stark reduziert.
Daher ist das Design und die Optimierung der Array-Anordnung besonders kritisch. Bei der Konstruktion der Front benötigen Ingenieure eine Simulationsmethode, die schnell iterativ wiederholt optimiert werden kann, um den passenden Zellabstand zu erhalten.
Die Elementmethode in ANSYS HFSS kann Ingenieuren helfen, den Elementabstand und die Leistung der Elemente im Array in einem frühen Stadium der Antennen-Array-Design.
