借助仿真 App 优化 5G 和物联网的相控阵天线设计

Jiyoun Munn 2016年 6月 1日

5G 移动网络和物联网(Internet of Things,简称 IoT)是射频及微波行业的两大热点话题。要想在此类无线应用领域取得新的进展,就需要大幅提升数据传输速率,同时还需在源电子扫描阵列(active electronically scanned arrays,简称AESA)、相控阵天线,以及多输入多输出(multiple-input-multiple-output,简称 MIMO)技术等方面取得重大突破。在上述应用的原型设计和制造过程中,缩短时间和降低成本非常重要。借助仿真和 App,我们便可以缩短无线通信设计的研发周期。

5G 相控阵天线的设计中使用的先进计算资源

正如我们在之前的博客文章中讨论的,要实现 5G 移动网络的应用,还需要完成许多改进和设计考虑。射频工程师的改进方向之一就是增加天线增益以便为 5G 的运行提供更高的频率。

图像展示了 5G 无线网络的天线增益需求。
用于早期网络的各向同性低增益天线对比用于 5G 的指向性高增益天线。

5G 移动网络的另一个要求是改进相前进技术。此项技术可用于形成辐射式样及引导天线阵波束的方向以控制输入信号,进而解决覆盖角问题。

 

单极相控天线阵列可以引导电波射向指定的方向。

在设计阶段,一种名为缝耦合微带贴片天线阵列的装置可用于解决此类覆盖角问题。然而,为了开发出使 5G 无线通信性能最优的设备,还需考虑许多复杂的设计参数。

在设计实验室中通过实体原型往往难以对一些物理效应(如极端温度变化、结构变形和化学反应)进行评估和施加,然而仿真却能胜任。遗憾的是,并非每位从事设计的工程师都是仿真专业人员,这就要求无论何时只要天线阵设计或仿真环境发生更改,仿真专业人员都必须参与到设计过程的每一步。

App 开发器通过进一步扩展仿真功能从而解决了此类难题。现在,一个原本复杂又繁琐的射频设计数值模型可以转换为用户友好的交互式工具,无论是专业人员还是终端用户都能便捷地使用。今天,让我们一起来探讨缝耦合微带贴片天线阵列合成器仿真 App,了解它是如何帮助我们优化 5G 和物联网的相控阵天线设计的。

 

使用缝耦合微带贴片天线阵列合成器 App

有源电子扫描阵列,又称相控天线阵列,通常用于雷达和卫星等军事领域。如今,随着人们对于通信设备数据传输速率要求的不断提高,此类阵列有了新的应用领域——商业应用。在这类设备中,一个简单元件的尺寸就能轻易超过波长的几十倍,这导致仿真设计会占用大量内存。造成的结果是,即使我们仅获取用来评估概念模型的近似值,也要花费相当长的计算时间。更快的原型设计有助于快速分析性能和确定设计参数。

缝耦合微带贴片天线阵列合成器以单个微带贴片天线的全有限元法(finite element method,简称 FEM)模型为基础、在多层低温共烧陶瓷(low-temperature cofired ceramic,简称 LTCC)的基片上制作而成的。设备的初始工作频率为 30 GHz,辐射图案与整个阵列结构的指向性分析的集成是使用 COMSOL Multiphysics 及其强大的后处理功能完成的。App 开发器是一种捷径,提供了多种方式来设计和构建用户友好的图形用户界面(graphical user interface,简称 GUI),可将普通数学模型转换为直观的仿真工具。

缝耦合微带贴片天线模型。
缝耦合微带贴片天线的俯视图。

App 开发器提供了两个创建 App 的必备工具:表单编辑器和方法编辑器。借助表单编辑器,我们可以向自定义界面添加表单对象,使 GUI 具备一些简单功能。方法编辑器可协助我们执行比表单对象更高级的定制功能。在对单个的微带贴片天线进行精确仿真之后,我们找到了二维天线阵列因子

\frac{sin(\frac{N_xk_0S_xsin\theta cos\phi +\alpha_x}{2})}{sin(\frac{k_0S_xsin\theta cos\phi +\alpha_x}{2})}\frac{sin(\frac{N_yk_0S_ysin\theta sin\phi +\alpha_y}{2})}{sin(\frac{k_0S_ysin\theta sin\phi +\alpha_y}{2})}

二维阵列因子与阵列尺寸、相位等差数列和角分辨率等用户输入相对应,它们被应用于单个天线的辐射图案数据(emw.normEfar)。

方法编辑器不仅适用于对预定义的后处理变量进行可视化的简单仿真,也可以实现进一步定制。

屏幕截图提供了用于显示表单对象的主表单的预览。
用于显示表单对象的主表单的预览。

方法编辑器是 COMSOL Multiphysics 中的 App 开发器提供的一项工具,借助它可以创建针对表单对象的自定义操作。
使用“方法编辑器”创建针对表单对象的自定义操作。

在该 App 中,有许多可用于测试微带贴片天线阵列设计的设计参数,其中包括:

  • 天线属性
    • 贴片尺寸
    • 基片尺寸
    • 缝隙尺寸
    • 馈线宽度
    • 扩展馈线长度
    • 贴片基片厚度和相对介电常数
    • 馈线基片厚度和相对介电常数
  • 阵列属性
    • 阵列尺寸
    • 相前进
    • 间距
  • 仿真属性
    • 频率
    • 波长
    • 三维坐标绘图分辨率
    • 极坐标绘图分辨率

数组维度、相前进和间距,以及每个单元之间的距离主要用于表征天线阵列辐射图案的形状和方向。角分辨率可提升三维和二维辐射图案的可视化效果。请注意,当天线指向性较高时,较高的分辨率有助于精确描绘旁瓣。

缝耦合微带贴片天线阵列合成器仿真 App 的用户界面。
“缝耦合微带贴片天线阵列合成器” App 的图形用户界面。

分析完成后,App将通过 S 参数(S11)计算得到的单个天线设计参数与用户在运行仿真前的“通过/失败”评判标准进行对比,报告其是否为最佳参数。App 会对每个介电层及金属层上的电场分布进行绘图,并实现了阵列全视图的可视化,让 App 用户对设计性能产生了更为直观的体验。您还可以选择生成完整的仿真结果报告以及详细的 App 使用说明。

仿真 App 为数值模型的展示提供了无限可能

借助 App 开发器,您有无限种方法可以将模型转化为自定义工具,但接下来可以做什么呢?您可以通过 COMSOL Multiphysics® 软件来启动并使用仿真 App。只要您已连接至互联网,就能使用常见的网页浏览器运行 App,甚至可以通过 COMSOL Server™ 产品将 App 部署给同事或客户。

在“案例下载”中,有更多涉及电气、力学、流体、化学等物理领域的 App 等待您下载和研究。这些演示 App 可以指导您创建自己的实用 App。

频率选择面周期性互补开环谐振器演示 App 的截图。
COMSOL Multiphysics 中提供的表面等离激元线光栅模拟器演示 App。

“频率选择面周期性互补开环谐振器”演示 App(左图)和“表面等离激元线光栅模拟器”演示 App(右图)。

无论您是否正在为 5G 网络开发针对增强射频设计的仿真 App,还是致力于其他应用领域的研究,就从今天开始着手开发仿真 App 来优化设计工作流程及产品性能吧!

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