Ăng-ten là một phần quan trọng của hệ thống liên lạc di động. Với sự phát triển của công nghệ truyền thông di động, các dạng ăng-ten ngày càng đa dạng và công nghệ ngày càng tinh vi. Bước vào kỷ nguyên 5G, MIMO và Beamforming quy mô lớn trở thành công nghệ quan trọng thúc đẩy ăng-ten theo hướng kích hoạt và phức tạp. Phương pháp thiết kế ăng ten cũng đòi hỏi thời gian, sử dụng các phương pháp mô phỏng tiên tiến để đáp ứng các yêu cầu thiết kế phức tạp, đáp ứng các yêu cầu hiệu suất ngày càng tăng của ăng ten 5G era.5G và mảng pha. Các ứng dụng trong kỷ nguyên 5G sẽ cực kỳ phong phú. Mạng 5G cần phải thích ứng với các tình huống như băng thông lớn, độ tin cậy cao, độ trễ thấp và kết nối lớn. Điều này đòi hỏi ăng-ten 5G hỗ trợ nhiều kênh hơn, điều chỉnh chùm tia thời gian thực linh hoạt và hỗ trợ truyền thông tần số cao. Hướng phát triển chính của nó là ăng ten hoạt động MIMO quy mô lớn. MIMO quy mô lớn có thể cải thiện hiệu suất hiệu quả so với MIMO truyền thống và cốt lõi là dựa trên công nghệ mảng pha.
Cái gọi là mảng pha đề cập đến một loại ăng ten mảng thay đổi hướng chùm tia của bản đồ hướng bằng cách điều khiển pha cấp nguồn của phần tử bức xạ trong ăng ten mảng.
Mục đích chính của mảng pha là cho phép quét không gian của chùm mảng, được gọi là quét điện. Radar mảng pha được sử dụng chủ yếu cho radar mảng pha quân sự trong những ngày đầu. Radar mảng pha đã trở thành một trong những biểu tượng của sức mạnh quân sự nhờ tốc độ quét nhanh và khả năng đa nhiệm vụ mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực radar quân sự.
Ngoài ra, công nghệ mảng pha cũng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực dân sự như dự báo thời tiết.
Hình ảnh có chứa bầu trời, ngoài trời, mô tả tòa nhà đã được tạo tự động Hình ảnh có chứa tòa nhà, bầu trời, ngoài trời, mô tả mái vòm đã được tạo tự động
Hình ảnh từ WEB Bên trái là radar cảnh báo sớm chiến lược, bên phải là radar thời tiết.
Nhìn lại quá trình phát triển của truyền thông di động, từ xu hướng phát triển của ăng-ten trạm cơ sở cũng có thể thấy rằng công nghệ mảng pha là một lựa chọn không thể tránh khỏi trong thời đại 5G để cải thiện công suất hệ thống và sử dụng phổ tần, giảm nhiễu và tăng cường vùng phủ sóng:
Đầu tiên, từ ăng-ten thụ động đến hệ thống ăng-ten hoạt động, có nghĩa là ăng-ten có thể thông minh, thu nhỏ (đồng thiết kế) và tùy chỉnh. Trong tương lai, mạng sẽ trở nên chi tiết hơn và cần phải tùy chỉnh thiết kế theo cảnh xung quanh. Ví dụ, việc triển khai các trạm trong khu vực đô thị sẽ phức tạp hơn nhiều so với phạm vi phủ sóng đơn giản. Truyền thông 5G sẽ sử dụng băng tần cao và các chướng ngại vật sẽ có tác động rất lớn đến truyền thông. Ăng ten tùy chỉnh có thể cung cấp chất lượng mạng tốt hơn.
Thứ hai, hệ thống hóa và phức tạp của thiết kế ăng-ten, chẳng hạn như mảng chùm (cho phép ghép kênh tách không khí), đa chùm và dải đa/tần số cao. Đây là những yêu cầu cao đối với ăng-ten, điều này sẽ liên quan đến toàn bộ hệ thống và các vấn đề tương thích. Trong trường hợp này, công nghệ ăng-ten đã vượt ra ngoài khái niệm về các yếu tố và dần dần đi vào thiết kế của hệ thống.
Thiết kế mô phỏng mảng pha Thiết kế mảng pha có thể được chia thành hai phần: mảng ăng ten và mạng tạo chùm. Thiết kế mảng ăng ten Thiết kế mảng ăng ten đòi hỏi phải xác định các đặc tính hình thức và bản đồ hướng của các phần tử bức xạ, sự sắp xếp của mảng và hình thức cấp nguồn của chúng, v.v. Thiết kế mảng trực tiếp xác định các đặc tính bức xạ của mảng pha, chẳng hạn như tăng ăng ten, chiều rộng thùy và phạm vi quét tối đa, v.v., là một trong những chìa khóa để thiết kế mảng pha. Thiết kế và tối ưu hóa các đơn vị bức xạ Do ăng ten mảng pha có đặc tính quét chùm tia, việc lựa chọn các đơn vị bức xạ của chúng có những yêu cầu và hạn chế nhất định. Có hai loại ăng-ten thường thích hợp làm yếu tố bức xạ mảng pha:
Ăng ten khẩu độ, chẳng hạn như ống dẫn sóng mở, ăng ten khe hở ống dẫn sóng, ăng ten vá vi băng, v.v.; Sự tiến hóa lưỡng cực đơn cực hoặc đối xứng, chẳng hạn như máy rung đối xứng in, ăng ten khe hở hình nón, v.v. Trong thời đại 5G, một lượng lớn tài nguyên phổ mới đã được giới thiệu để đạt được dung lượng kênh cao hơn, đặt ra yêu cầu cao hơn về đặc tính băng thông rộng của các đơn vị bức xạ. Ngoài việc bổ sung một băng tần mới vào băng tần Sub 6GHz, băng tần sóng milimet tần số cao đã được thêm vào, đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt hơn về hình thức và công nghệ xử lý của các đơn vị bức xạ. Ngoài ra, theo xu hướng tích hợp, thu nhỏ và trọng lượng nhẹ đã trở thành yêu cầu cơ bản trong thiết kế ăng ten. Tóm lại, hình thức của các yếu tố bức xạ chủ yếu là các miếng vá vi mô và lưỡng cực nửa sóng, và quá trình này chủ yếu ở dạng PCB và máy rung nhựa. Giải quyết chính xác hiệu suất trong băng tần làm việc đặc biệt quan trọng đối với thiết kế mô phỏng của các đơn vị bức xạ. Các đặc tính vật liệu và hình học phức tạp của các đơn vị bức xạ ăng-ten 5G, cũng như các đặc tính của băng thông siêu rộng và đa băng tần, đặt ra những thách thức lớn đối với thiết kế mô phỏng của các đơn vị bức xạ.
Công nghệ lưới thích ứng tự động (Adaptive Mesh) độc đáo trong ANSYS HFSS kết hợp với công nghệ lưới băng thông rộng (BAM) cho phép thu được lưới trên toàn dải một cách hiệu quả và chính xác, cho phép đáp ứng chính xác trên toàn dải.
Trong quá trình thiết kế mô phỏng, điều quan trọng là phải nhanh chóng tìm ra thiết kế tối ưu hóa cho các phần tử bức xạ.
ANSYS HFSS có thể thực hiện điều chỉnh đạo hàm nhanh và phân tích độ nhạy dựa trên mô hình tham số.
Nhanh chóng tìm đúng giá trị biến, hiểu rõ hơn về cách biến ảnh hưởng đến hiệu suất và rút ngắn thời gian phát triển; Xác định rõ các loại thông số có ảnh hưởng nhất và tập trung vào các thông số thiết kế rất nhạy cảm làm cho thiết kế mạnh mẽ. Sau khi phân tích đạo hàm, tùy thuộc vào kết quả điều chỉnh, các biến chính có thể được sàng lọc và các đơn vị bức xạ có thể được tối ưu hóa tự động trong HFSS để có được các chỉ số kết quả như tham số S tốt nhất, bản đồ hướng ăng ten, phân phối trường điện từ, v.v.
Tối ưu hóa nhanh chóng trong không gian tham số lớn và trạng thái không gian đa tham số luôn là một thách thức lớn đối với các nhà thiết kế. Phương pháp phân tích DoE (thí nghiệm số) là một kỹ thuật tiên tiến để giải quyết loại vấn đề này. Công cụ DoE DesignXplorer trong HFSS có thể giúp tăng tốc quá trình tối ưu hóa thiết kế các thành phần mảng. Không gian thiết kế nên được khám phá và tối ưu hóa đầy đủ để giảm số lượng mô phỏng trước khi tối ưu hóa. Nhanh chóng xác định tính khả thi của thiết kế.
Hơn nữa, Quick Mode mới nhất của HFSS có thể cung cấp kết quả mô phỏng nhanh các xu hướng thiết kế cho giai đoạn đầu của chu trình thiết kế sản phẩm mà không làm giảm đáng kể độ chính xác của giải pháp. Do thiết kế gần hoàn thành, chức năng chuẩn chính xác HFSS được sử dụng để xác minh độ chính xác cao thông qua cài đặt thanh trượt đơn giản.
2. Phân tích nhanh mảng mảng đơn vị Việc lựa chọn và tối ưu hóa thiết kế các đơn vị mảng pha là chìa khóa để thiết kế mảng pha. Quá trình này liên quan đến việc lựa chọn và tối ưu hóa nhiều chương trình và thông số. Do đó, phân tích nhanh và phân tích tối ưu hóa liên quan có vẻ đặc biệt quan trọng. Ví dụ, khoảng cách giữa các đơn vị mảng pha là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính bức xạ của ăng ten mảng pha.
Nếu khoảng cách giữa các đơn vị quá nhỏ, hiệu ứng ghép nối lẫn nhau giữa các đơn vị sẽ tăng lên, không có lợi cho việc cấu hình chính xác biên độ thức ăn và pha của các phần tử mảng pha, do đó một phần năng lượng được lưu trữ trong khu vực trường gần của mặt trước, không thể bức xạ hiệu quả; Ngoài ra, các mô hình trong mảng đơn vị cũng bị biến dạng và các điểm mù quét xuất hiện khi ăng-ten mảng được quét ở góc lớn.
Khi khoảng cách giữa các đơn vị quá lớn, thùy raster có hại sẽ xuất hiện trong không gian vật lý có thể nhìn thấy của ăng ten quét pha. Vì mức thùy của lưới bằng với mức thùy chính, năng lượng chùm của ăng-ten mảng pha theo hướng bức xạ chính sẽ giảm đáng kể.
Do đó, thiết kế và tối ưu hóa sắp xếp mảng là đặc biệt quan trọng. Khi thiết kế mặt trước, các kỹ sư cần một phương pháp mô phỏng có thể được tối ưu hóa lặp đi lặp lại nhanh chóng để có được khoảng cách đơn vị phù hợp.
Phương pháp đơn vị trong ANSYS HFSS có thể giúp các kỹ sư nhanh chóng đánh giá khoảng cách và hiệu suất của các đơn vị trong mảng sớm trong thiết kế mảng ăng ten.