5G仿真解决方案 | 相控阵仿真技术详解 （二）
但需要注意的是，单元法分析对阵列作了如下假设：
阵列无限大；
每个单元的方向图都完全相同；
阵列所有单元等幅激励，相位等差变化
所以单元法无法考虑阵列的边缘效应，也不能单独设置每个单元的激励，并且无法定义复杂形状的阵列。
全阵精确仿真
以上提到通过单元法可以基于无限大阵评估单元的辐射特性，但由于不考虑阵列边缘效应和不支持任意幅相馈电，所以是阵列设计初期的仿真评估方法。
要得到阵列天线的精确结果，就需要对阵列进行精确建模。
传统的方法是将整个天线阵列在HFSS中完整建模出来。这样做的好处是考虑了阵列天线的所有电磁耦合关系，包括辐射单元间的互耦，天线阵列的边缘效应以及一次求解后可任意定义幅相权值，仅需后处理就可以获得修改幅相权值后的辐射场特性。
但这种方法在求解5G大规模阵列的时候存在一些问题，比如：
手动建模耗时耗力，且用户界面会产生较大负荷
模型网格划分和求解时间冗长
求解可能会遇到计算资源问题，比如内存瓶颈
那么针对5G大规阵列有没有既能够保证求解精度，同时有兼顾求解效率的方法呢？
有限大阵方法 (Finite Array Domain Decomposition Method) 就是这个难题的答案！有限大阵 (FA) 技术，是HFSS独有的一种基于单元法模型和区域分解法的高效大规模阵列天线仿真方法。这种方法与全阵建模求解同样精确，并且建模求解都更加快速。
其具体思路如下：
1. 有限大阵建模非常简单快速。基于单元法模型通过阵列蒙版设置即可扩展得到全阵模型。
2. 有限大阵法对阵列的网格处理非常高效。基于阵列天线辐射单元相同的特性，通过网格链接将单元法迭代收敛后的单元网格直接复用到有限大阵的所有单元，极大的缩短了大规模阵列网格剖分的时间。
3. 有限大阵的求解过程非常快速。利用有限大阵单元网格复用的特性，将阵列的每个单元都当做一个子域，通过DDM域分解法并行计算，高效求解大规模阵列天线。
4. 如果我们对于阵列只需要关注某一组幅相权值下辐射特性和有源S参数，还可以通过合成激励(Composite Excitation)的方式求解，在分钟级别的时间内就能完成仿真。
看到这里，相信大家对于完全周期性的天线阵列仿真已经有办法了，但是如果天线阵列并不是完全周期性的，比如汽车雷达中常用的串馈微带贴片阵，应该怎么办呢？
对于此类平面层叠结构的阵列天线，HFSS 3D Layout是更好的选择。他独特的Phi网格技术可以极大的提高平面层叠结构的网格剖分效率和成功率，进而提高仿真效率。
波束赋形网络与系统验证
5G时代天线和射频部分将从松耦合走向紧耦合。大规模MIMO技术对天线的相互耦合提出了更高的要求，需要将射频与天线集成在一起，从而提高5G产品的性能和集成度等。
随着耦合度的提高，需要天线技术在系统层面进行设计，系统考虑天线阵列与馈电网络之间的相互影响，进而使得天线辐射性能产生变化。这些影响可能包括
失配损耗，天线在不同扫描角和不同加权系数情况下有源驻波的变化导致匹配状态发生变化；
馈电系统的幅相不均衡性，由于寄生电磁耦合、设计和加工误差导致馈电系统输出幅度和相位与理论设计不完全相符；
数字移相器的量化误差：发射和接收链路、自适应天线A/D转换系统中，数字移相器相位的非连续性；
发射电路的压缩特性：由于不同的加权系数导致功放处于不同的压缩状态，导致的幅度压缩和相位变化。
图片源自Sub-6 GHz mMIMO Base Stations Meet 5G’s Size and Weight Challenges, Walter Honcharenko
这些因素的存在将导致相控阵天线阵面与网络系统的失配，影响天线系统的技术指标。为高效精确仿真相控阵系统的辐射性能，必须在仿真阶段考虑天线阵面和波束赋形网络间的相互影响。
HFSS场路协同仿真方法通过电路和电磁场的动态链接与激励推送，可以实现在电路仿真器中，将天线模型与馈电网络仿真结合起来协同设计，仿真并优化驻波特性，进行匹配设计。这样，不仅可以大大提高设计效率，充分考虑结构中的电磁场细节，直接获得整个馈电系统优化的性能指标，而且避免了在设计中对单个部件过高的指标要求，可以方便地获得整个系统最优化的性能。
利用HFSS场路协同设计功能，将周期性边界条件仿真的阵中单元特性与馈电网络在Circuit中组装在一起，考虑天线单元之间的耦合特性和馈电网络的寄生效应情况下，进行匹配设计馈电网络和阵列天线的协同仿真。将HFSS/DDM仿真得到的整个天线阵模型，在Circuit中调用，将整个天线阵，辐射单元，馈电网络、移相器、功率放大器、双工器、开关、衰减器、波束控制等各个部分组装在一起，研究天线阵的整体性能，进行系统级优化设计，考虑各种耦合、寄生效应以及非线性效应，从而方便研究整个有源相控阵的综合性能。
相控阵的可靠性分析、布局及覆盖
5G时代对于相控阵的利用和研究都将进入深水区，不单是挖掘其任何可能的性能空间，更重要的，需要缩减其成本，提高运维的便捷度，提高产品的可靠性。这部分内容由于是相控阵有关的延伸领域，在此稍作解释不做深度讨论。
多物理场可靠性分析
5G时代的mMIMO设计中，需要将射频与天线集成在一起，天线和电子设备都包含在一个天线罩中，对体积、重量、散热等提出很高要求。实际工作时，天馈系统中的无源/有源器件中产生的高频电磁损耗引起的温升和随之可能带来的形变对系统电性能的影响必须进行考虑。
集成了HFSS的电子桌面平台最新版本中已经集成了热分析工具Icepak，可以先对天线系统中无源和有源器件做一体化仿真，计算出分布在通道和天线中的电磁损耗，将此电磁损耗通过电磁-热耦合自动映射至Icepak中成为分散式热源，结合已知的热源和环境温度仿真出天馈系统中的温升，部分关键敏感器件如果需对温升后引起的形变从而导致的电性能变化做仿真，可利用电磁-热-结构的双向耦合链接仿真天线在实际工作状态下的特性。
布局与覆盖
5G将是宏站与微站相结合的时代，5G基站数量将是4G基站的两到三倍。为减少网络投资成本，城市路灯、电线杆将是5G小基站时代的重要基础设施。另外5G初期仍要兼顾4G网络。随着5G基站在现有站点中激增，可用的安装空间将急剧缩小。
在这种复杂布局场景、高密度布局的电磁环境下，基站天线布局和覆盖的仿真就显得尤为重要。我们需要在天线实际安装前就提前考虑到不同的电磁环境对天线的辐射和覆盖性能的影响。
在ANSYS HFSS最新版本中，HFSS传统算法与SBR+（弹跳射线法）实现了完美融合，可通过射线方法和混合求解技术实现跨尺度的场景级电磁覆盖计算，快速评估分析电大尺寸场景下的布局与覆盖情况。
