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5G 移動網絡和物聯網(Internet of Things,簡稱IoT)是射頻及微波行業的兩大熱點話題。要想在此類無線應用領域取得新的進展,就需要大幅提升數據傳輸速率,同時還需在源電子掃描陣列(active electronically scanned arrays,簡稱AESA)、相控陣天線,以及多輸入多輸出( multiple-input-multiple-output,簡稱MIMO)技術等方面取得重大突破。在上述應用的原型設計和製造過程中,縮短時間和降低成本非常重要。借助仿真和App,我們便可以縮短無線通信設計的研發週期。

5G 相控陣天線的設計中使用的先進計算資源

正如我們在之前的博客文章中討論的,要實現5G移動網絡的應用,還需要完成許多改進和設計考慮。射頻工程師的改進方向之一就是增加天線增益以便為5G的運行提供更高的頻率。

Antenna gain schematic 借助仿真App 優化5G 和物聯網的相控陣天線設計
用於早期網絡的各向同性低增益天線對比用於5G 的指向性高增益天線。

5G 移動網絡的另一個要求是改進相前進技術。此項技術可用於形成輻射式樣及引導天線陣波束的方向以控制輸入信號,進而解決覆蓋角問題。

Wistia video thumbnail - Animation_monopole antenna array

單極相控天線陣列可以引導電波射向指定的方向。

在設計階段,一種名為縫耦合微帶貼片天線陣列的裝置可用於解決此類覆蓋角問題。然而,為了開發出使5G 無線通信性能最優的設備,還需考慮許多複雜的設計參數。

在設計實驗室中通過實體原型往往難以對一些物理效應(如極端溫度變化、結構變形和化學反應)進行評估和施加,然而仿真卻能勝任。遺憾的是,並非每位從事設計的工程師都是仿真專業人員,這就要求無論何時只要天線陣設計或仿真環境發生更改,仿真專業人員都必須參與到設計過程的每一步。

App開發器通過進一步擴展仿真功能從而解決了此類難題。現在,一個原本複雜又繁瑣的射頻設計數值模型可以轉換為用戶友好的交互式工具,無論是專業人員還是終端用戶都能便捷地使用。今天,讓我們一起來探討縫耦合微帶貼片天線陣列合成器仿真App,了解它是如何幫助我們優化5G和物聯網的相控陣天線設計的。

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Wistia video thumbnail - Screen_Recording_Microstrip Patch Antenna

使用縫耦合微帶貼片天線陣列合成器App

有源電子掃描陣列,又稱相控天線陣列,通常用於雷達和衛星等軍事領域。如今,隨著人們對於通信設備數據傳輸速率要求的不斷提高,此類陣列有了新的應用領域——商業應用。在這類設備中,一個簡單元件的尺寸就能輕易超過波長的幾十倍,這導致仿真設計會佔用大量內存。造成的結果是,即使我們僅獲取用來評估概念模型的近似值,也要花費相當長的計算時間。更快的原型設計有助於快速分析性能和確定設計參數。

縫耦合微帶貼片天線陣列合成器以單個微帶貼片天線的全有限元法(finite element method,簡稱FEM)模型為基礎、在多層低溫共燒陶瓷(low-temperature cofired ceramic,簡稱LTCC )的基片上製作而成的。設備的初始工作頻率為30 GHz,輻射圖案與整個陣列結構的指向性分析的集成是使用COMSOL Multiphysics ®及其強大的後處理功能完成的。App 開發器是一種捷徑,提供了多種方式來設計和構建用戶友好的圖形用戶界面(graphical user interface,簡稱GUI),可將普通數學模型轉換為直觀的仿真工具。

Slot coupled mictrostrip patch antenna 借助仿真App 優化5G 和物聯網的相控陣天線設計
縫耦合微帶貼片天線的俯視圖。

App 開發器提供了兩個創建App 的必備工具:表單編輯器和方法編輯器。借助表單編輯器,我們可以向自定義界面添加表單對象,使GUI 具備一些簡單功能。方法編輯器可協助我們執行比表單對象更高級的定制功能。在對單個的微帶貼片天線進行精確仿真之後,我們找到了二維天線陣列因子

二維陣列因子與陣列尺寸、相位等差數列和角分辨率等用戶輸入相對應,它們被應用於單個天線的輻射圖案數據(emw.normEfar)。

方法編輯器不僅適用於對預定義的後處理變量進行可視化的簡單仿真,也可以實現進一步定制。

Form objects layout 借助仿真App 優化5G 和物聯網的相控陣天線設計
用於顯示表單對象的主表單的預覽。

Method Editor 借助仿真App 優化5G 和物聯網的相控陣天線設計
使用“方法編輯器”創建針對錶單對象的自定義操作。

在該App 中,有許多可用於測試微帶貼片天線陣列設計的設計參數,其中包括:

  • 天線屬性
    • 貼片尺寸
    • 基片尺寸
    • 縫隙尺寸
    • 饋線寬度
    • 擴展饋線長度
    • 貼片基片厚度和相對介電常數
    • 饋線基片厚度和相對介電常數
  • 陣列屬性
    • 陣列尺寸
    • 相前進
    • 間距
  • 仿真屬性
    • 頻率
    • 波長
    • 三維坐標繪圖分辨率
    • 極坐標繪圖分辨率

數組維度、相前進和間距,以及每個單元之間的距離主要用於表徵天線陣列輻射圖案的形狀和方向。角分辨率可提升三維和二維輻射圖案的可視化效果。請注意,當天線指向性較高時,較高的分辨率有助於精確描繪旁瓣。

App UI 借助仿真App 優化5G 和物聯網的相控陣天線設計
“縫耦合微帶貼片天線陣列合成器” App 的圖形用戶界面。

分析完成後,App將通過S 參數(S11)計算得到的單個天線設計參數與用戶在運行仿真前的“通過/失敗”評判標准進行對比,報告其是否為最佳參數。App 會對每個介電層及金屬層上的電場分佈進行繪圖,並實現了陣列全視圖的可視化,讓App 用戶對設計性能產生了更為直觀的體驗。您還可以選擇生成完整的仿真結果報告以及詳細的App 使用說明。

仿真App 為數值模型的展示提供了無限可能

借助App 開發器,您有無限種方法可以將模型轉化為自定義工具,但接下來可以做什麼呢?您可以通過COMSOL Multiphysics®軟件來啟動並使用仿真App。只要您已連接至互聯網,就能使用常見的網頁瀏覽器運行App,甚至可以通過COMSOL Server™ 產品將App 部署給同事或客戶。

在“案例下載”中,有更多涉及電氣、力學、流體、化學等物理領域的App 等待您下載和研究。這些演示App 可以指導您創建自己的實用App。

Frequency Selective Surface Simulator 借助仿真App 優化5G 和物聯網的相控陣天線設計
Plasmonic Wire Grating Simulator 借助仿真App 優化5G 和物聯網的相控陣天線設計

“頻率選擇面週期性互補開環諧振器”演示App(左圖)和“表面等離激元線光柵模擬器”演示App(右圖)。

無論您是否正在為5G 網絡開發針對增強射頻設計的仿真App,還是致力於其他應用領域的研究,就從今天開始著手開發仿真App 來優化設計工作流程及產品性能吧!