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5G非规则阵列天线模拟的全新突破
新一代模拟解决方案

【作者: ANSYS】2020年08月11日 星期二

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本文将介绍HFSS最新发布的2020 R2版本中,新一代的有限阵列模拟方法(Finite Array Domain Decomposition Method),也就是基於3D元件的有限阵列。


5G通讯中的关键技术之一Massive MIMO技术,就是通过增加基地站天线整合的单元数目(64个、128个或者更多),进而实现增加通讯道的容量。



图一 : Massive MIMO技术示意图
图一 : Massive MIMO技术示意图

阵列天线趋势一:阵列规模越来越大

军事上应用广泛的相控阵雷达,根据不同的应用场景,有的型号其单元数量可能会达到成千上万个单元。



图二 : 大规模天线阵列
图二 : 大规模天线阵列

阵列天线趋势二:阵列组成越来越复杂

5G天线系统在朝着小型化和整合化的方向发展,这意味着越来越多的天线单元会整合到越来越小的体积内。比如基地站天线,多个频段辐射单元的整合,形成高中低频单元嵌入式套件的阵面结构,使得阵面的构成越来越复杂。


另外,同频单元也会由於各种原因导致结构略有差异,比如部分单元需要增加引向器,部分单元需要增加寄生隔离元件等等,而这些元件的增加都会使得阵列失去周期性。



图三 : 5G天线系统整合到越来越小的体积内。
图三 : 5G天线系统整合到越来越小的体积内。

在5G毫米波频段的天线设计中,天线可能会以AIP/AoB的形式出现,这种类型的天线设计使得天线模组变得非常紧凑和小巧,但是带来的问题是天线阵列??电网路的布线变得非常复杂,并且由於空间受限,网路间的互耦必须提前考虑。


这种情况下,在天线设计阶段就需要考虑部分的??送网路(Feed Network),尽可能的通过电磁场模拟手段最隹化和减少互耦带来的影响。??送网路由於走线的考虑,使得不同位置的单元??送网路会略有不同,这也使得天线阵列失去了严格的周期性。



图四 : 5G毫米波频段的天线设计
图四 : 5G毫米波频段的天线设计

模拟阵列天线 面临两大挑战

挑战一:阵列构成复杂且规模巨大 建模和网格剖分困难

规模庞大阵列建模,软体处理模型到图像化过程需要大量运算资源,会导致建模过程复杂,影响模拟效率。模拟结果的精度直接由网格品质决定,如果需要得到高精度的模拟结果,势必需要对模型进行精确的网格剖分和细化加密,而规模巨大的阵列天线模型将会导致网格剖分十分困难,并且十分耗时。


挑战二:巨量运算导致求解困难

当完成了网格剖分後,由於具有巨量的网格数量,会导致同样巨量的未知数量,使得求解过程也变得异常缓慢,需要耗费巨大的运算资源。


目前的解决方案

对於完全周期性的阵列天线,HFSS的有限阵列(FADDM)能够高效精确的处理和求解。一旦阵列不能严格满足周期特性,即不适合使用有限阵列方法进行求解。


然而,在阵列天线的设计中,不完全符合周期特性的情况非常普遍。比如为了获得更好的辐射特性,阵列设计常采用多种类型的单元混合组阵;比如由於不同载入元件或调试等原因导致阵列单元略有差别;比如板状天线,辐射单元的排布满足周期特性,但反射板的形状又破坏了周期特性,等等。


对於此类不能严格满足周期特性的阵列天线,我们往往只能采用传统的模拟方法,对复杂模型进行完整建模和网格剖分,对巨量网格进行运算。那麽有没有一种能够实现非周期性阵列天线高精度快速运算的方法呢?


答案就是基於3D元件的有限阵列技术!


基於3D元件的有限阵列技术

基於3D元件的有限阵列模拟方法是ANSYS 2020 R2中引入的一种新的、有效的基於反覆运算场域分解的阵列模拟技术,可用於对具有不相同单元的有限周期结构进行建模。


基於3D元件的有限阵列模拟方法能够实现对非周期的阵列天线进行快速建模模拟。将阵列中不同的单元分别打包成3D元件,然後再根据阵列排布进行阵列创建,实现非规则阵列的有限阵列快速求解。其主要原理大致如下:



图五 :  3D元件的有限阵列技术
图五 : 3D元件的有限阵列技术

在建模时,首先将阵列中不同结构的周期性单元分别建立为3D元件,然後利用这些元件去进行阵列的构建。此过程和利用3D元件做模型装配类似,只是由於不同结构的单元在阵列中存在一定的周期性,可以利用阵列模板进行阵列的构建,所以创造的模型实际是沿用了已有的3D元件,从而就减轻了软体把模型到图像化的运算资源。


在网格剖分时,是仅针对阵列模型中数个结构不同的3D元件进行网格剖分,然後再沿用到其他相同的单元,进而极大的缩减了大规模阵列网格剖分的时间。


在求解时,阵列模型会自动把各个单元看作是一个个独立的子区域,进行平行运算,提高求解效率。


所以整体上基於3D元件的有限阵列方法是3D元件的网格装配技术和传统有限阵列方法的结合,既有3D元件网格装配的网格沿用功能,又有传统有限阵列的并行求解速度,进而实现对具有不相同单元的有限周期结构进行建模。这种全新模拟技术可缩短记忆体使用量、缩短模拟时间,并且可以运用共用记忆体来采用分散式运算资源。


当然,进行基於3D元件的有限阵列模拟,对於单元亦有要求:


· 单元格被定义为3D元件


· 单元格边界框的尺寸相同


· 主单元和从属边界定义在单元的表面上


在求解过程中,HFSS在单位单元之间创建非共形网格介面,进而减少记忆体占用并提升模拟效能。


举例来说,下图是个包含两个不同极化子阵的天线阵列,另外每个子阵周边还有部分空白基板区域。其中水平极化子阵单元和垂直极化子阵单元的??电位置不同。


要对这样的模型进行基於3D元件的有限阵列建模,首先需要将整个模型分成三种周期单元,分别是空白基板部分,水平极化子阵的贴片单元和垂直极化子阵的贴片单元。



图六 : 模型的三种周期单元
图六 : 模型的三种周期单元

接下来就可以按照原来阵列的布局进行阵列建模,整个建模过程完全基於有限阵列的模板。



图七 : 有限阵列模板建模
图七 : 有限阵列模板建模

完成建模後,便可以进行模拟。整个模拟过程也采用了网格沿用技术和区域分解技术,加速了整个求解过程。


完成求解後,与全阵建模一样,也可以任意编辑单元的幅度相位进行後处理。



图八 : 水平极化和垂直极化切面方向图的模拟结果
图八 : 水平极化和垂直极化切面方向图的模拟结果

图九 : 其中一个极化工作时的天线场分布情况
图九 : 其中一个极化工作时的天线场分布情况

**刊头图(source: satec.es)


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