5G仿真解决方案 | 相控阵仿真技术详解 （一）
天线是移动通信系统的重要组成部分，随着移动通信技术的发展，天线形态越来越多样化，并且技术也日趋复杂。进入5G时代，大规模MIMO、波束赋形等成为关键技术，促使天线向着有源化、复杂化的方向演进。天线设计方式也需要与时俱进，采用先进的仿真手段应对复杂设计需求，满足5G时代天线不断提高的性能要求。
5G与相控阵
5G时代应用将极大丰富，5G网络需要适应大带宽、高可靠低时延、大连接等场景，这就要求5G天线具备支持更多通道，灵活实时的波束调节，并支持高频段通信的能力，其关键的演进方向即为大规模MIMO有源天线。大规模MIMO相较于传统MIMO能够有效提升性能的核心就是基于相控阵技术。
所谓相控阵，是指通过控制阵列天线中辐射单元馈电相位来改变方向图波束指向的一类阵列天线。
相控阵的主要目的是实现阵列波束的空间扫描，即所谓电扫描。相控阵早期主要应用于军事方面——相控阵雷达。由于相控阵雷达扫描速度快，多任务能力强，现已广泛应用到军事雷达领域中，并成为军事实力的标志之一。另外，相控阵技术同时也在气象预测等民用领域有着广泛的应用。
左图：战略预警雷达，右图：气象雷达（图片源自网络）
回顾移动通信的发展史，从基站天线的演进趋势也可以看出，相控阵技术是5G时代提升系统容量和频谱利用率、降低干扰、增强覆盖的必然选择：
首先，从无源天线到有源天线系统，这就意味着天线可能会实现智能化、小型化（共设计）、定制化。未来的网络会变得越来越细，需要根据周围的场景来进行定制化的设计，例如在城市区域内布站会更加精细，而不是简单的覆盖。5G通信将会应用高频段，障碍物会对通信产生很大的影响，定制化的天线可以提供更好的网络质量。
其次，天线设计的系统化和复杂化，例如波束阵列（实现空分复用）、多波束以及多/高频段。这些都对天线提出了很高的要求，会涉及到整个系统以及互相兼容的问题，在这种情况下天线技术已经超越了元器件的概念，逐渐进入了系统的设计。
图片源自网络
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。
辐射单元的设计与优化
由于相控阵天线具有波束扫描特性，其辐射单元的选择有一定的要求和限制。通常适合作为相控阵辐射元的天线类型有两类：
口径天线，如开口波导、波导缝隙天线、微带贴片天线等；
单极子或者对称偶极子演变，如印刷对称振子、锥削缝隙天线等
5G时代为了获得更高信道容量，引入了大量新频谱资源，这对辐射单元的宽带特性有了更高的要求。除了Sub 6GHz频段增加了新的频段以外，还增加了高频毫米波频段，对辐射单元的形式和加工工艺又有更苛刻的要求。另外，在集成化的趋势下，小型化和轻量化成为天线设计的基本要求。综上，辐射单元的形式多以微带贴片和半波偶极子为主，工艺主要以PCB和塑料振子的形式出现。
对于辐射单元的仿真设计而言，精确求解工作频带内的性能尤为关键。而5G天线辐射单元的复杂材料和几何特性以及超宽带和多频段的特点给辐射单元的仿真设计带来了极大的挑战。
ANSYS HFSS中独有的自动自适应网格技术(Adaptive Meshing)，结合宽带网格技术（BAM）可以高效精确的得到全频段内的网格，从而获得全频段内的精确响应。
仿真设计过程中快速找到辐射单元的最优设计至关重要。
ANSYS HFSS可以基于参数化的模型进行伴随求导(Derivatives)快速调谐与敏感度分析，通过伴随求导可以
快速的找到正确的变量值，更好理解变量如何影响性能，缩短研发时间；
明确影响最大的参数类别，聚焦于高敏感度的设计参数，让设计变得健壮。
在伴随求导(Derivatives)分析后，基于调谐结果，可以筛选出关键的变量，在HFSS中进行辐射单元的自动优化，从而获得最优的S参数、天线方向图以及电磁场分布等结果指标。
大参数空间和多参数空间状态下的快速优化对设计人员来说，一直是很大的挑战。DoE（数值实验）分析方法是解决这类问题的先进技术，HFSS中的DoE工具DesignXplorer，可帮助加速阵列单元设计优化过程，在优化前先进行设计空间的充分探索与寻优，减少仿真次数，快速确定设计的可行性。
此外，HFSS最新推出的快速模式对于产品设计周期的早期阶段可以在不明显降低求解精度的前提下提供有关设计趋势的快速仿真结果。随着设计接近完成，再通过简单的滑块设置使用HFSS准精度功能进行高精度的验证。
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
