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5G非規則陣列天線模擬的全新突破
新一代模擬解決方案

【作者: ANSYS】   2020年08月11日 星期二

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本文將介紹HFSS最新發佈的2020 R2版本中,新一代的有限陣列模擬方法(Finite Array Domain Decomposition Method),也就是基於3D元件的有限陣列。


5G通訊中的關鍵技術之一Massive MIMO技術,就是通過增加基地站天線整合的單元數目(64個、128個或者更多),進而實現增加通訊道的容量。



圖一 : Massive MIMO技術示意圖
圖一 : Massive MIMO技術示意圖

陣列天線趨勢一:陣列規模越來越大

軍事上應用廣泛的相控陣雷達,根據不同的應用場景,有的型號其單元數量可能會達到成千上萬個單元。



圖二 : 大規模天線陣列
圖二 : 大規模天線陣列

陣列天線趨勢二:陣列組成越來越複雜

5G天線系統在朝著小型化和整合化的方向發展,這意味著越來越多的天線單元會整合到越來越小的體積內。比如基地站天線,多個頻段輻射單元的整合,形成高中低頻單元嵌入式套件的陣面結構,使得陣面的構成越來越複雜。


另外,同頻單元也會由於各種原因導致結構略有差異,比如部分單元需要增加引向器,部分單元需要增加寄生隔離元件等等,而這些元件的增加都會使得陣列失去週期性。



圖三 : 5G天線系統整合到越來越小的體積內。
圖三 : 5G天線系統整合到越來越小的體積內。

在5G毫米波頻段的天線設計中,天線可能會以AIP/AoB的形式出現,這種類型的天線設計使得天線模組變得非常緊湊和小巧,但是帶來的問題是天線陣列饋電網路的佈線變得非常複雜,並且由於空間受限,網路間的互耦必須提前考慮。


這種情況下,在天線設計階段就需要考慮部分的饋送網路(Feed Network),盡可能的通過電磁場模擬手段最佳化和減少互耦帶來的影響。饋送網路由於走線的考慮,使得不同位置的單元饋送網路會略有不同,這也使得天線陣列失去了嚴格的週期性。



圖四 : 5G毫米波頻段的天線設計
圖四 : 5G毫米波頻段的天線設計

模擬陣列天線 面臨兩大挑戰

挑戰一:陣列構成複雜且規模巨大 建模和網格剖分困難

規模龐大陣列建模,軟體處理模型到圖像化過程需要大量運算資源,會導致建模過程複雜,影響模擬效率。模擬結果的精度直接由網格品質決定,如果需要得到高精度的模擬結果,勢必需要對模型進行精確的網格剖分和細化加密,而規模巨大的陣列天線模型將會導致網格剖分十分困難,並且十分耗時。


挑戰二:巨量運算導致求解困難

當完成了網格剖分後,由於具有巨量的網格數量,會導致同樣巨量的未知數量,使得求解過程也變得異常緩慢,需要耗費巨大的運算資源。


目前的解決方案

對於完全週期性的陣列天線,HFSS的有限陣列(FADDM)能夠高效精確的處理和求解。一旦陣列不能嚴格滿足週期特性,即不適合使用有限陣列方法進行求解。


然而,在陣列天線的設計中,不完全符合週期特性的情況非常普遍。比如為了獲得更好的輻射特性,陣列設計常採用多種類型的單元混合組陣;比如由於不同載入元件或調試等原因導致陣列單元略有差別;比如板狀天線,輻射單元的排布滿足週期特性,但反射板的形狀又破壞了週期特性,等等。


對於此類不能嚴格滿足週期特性的陣列天線,我們往往只能採用傳統的模擬方法,對複雜模型進行完整建模和網格剖分,對巨量網格進行運算。那麼有沒有一種能夠實現非週期性陣列天線高精度快速運算的方法呢?


答案就是基於3D元件的有限陣列技術!


基於3D元件的有限陣列技術

基於3D元件的有限陣列模擬方法是ANSYS 2020 R2中引入的一種新的、有效的基於反覆運算場域分解的陣列模擬技術,可用於對具有不相同單元的有限週期結構進行建模。


基於3D元件的有限陣列模擬方法能夠實現對非週期的陣列天線進行快速建模模擬。將陣列中不同的單元分別打包成3D元件,然後再根據陣列排布進行陣列創建,實現非規則陣列的有限陣列快速求解。其主要原理大致如下:



圖五 :  3D元件的有限陣列技術
圖五 : 3D元件的有限陣列技術

在建模時,首先將陣列中不同結構的週期性單元分別建立為3D元件,然後利用這些元件去進行陣列的構建。此過程和利用3D元件做模型裝配類似,只是由於不同結構的單元在陣列中存在一定的週期性,可以利用陣列模板進行陣列的構建,所以創造的模型實際是沿用了已有的3D元件,從而就減輕了軟體把模型到圖像化的運算資源。


在網格剖分時,是僅針對陣列模型中數個結構不同的3D元件進行網格剖分,然後再沿用到其他相同的單元,進而極大的縮減了大規模陣列網格剖分的時間。


在求解時,陣列模型會自動把各個單元看作是一個個獨立的子區域,進行平行運算,提高求解效率。


所以整體上基於3D元件的有限陣列方法是3D元件的網格裝配技術和傳統有限陣列方法的結合,既有3D元件網格裝配的網格沿用功能,又有傳統有限陣列的並行求解速度,進而實現對具有不相同單元的有限週期結構進行建模。這種全新模擬技術可縮短記憶體使用量、縮短模擬時間,並且可以運用共用記憶體來採用分散式運算資源。


當然,進行基於3D元件的有限陣列模擬,對於單元亦有要求:


‧ 單元格被定義為3D元件


‧ 單元格邊界框的尺寸相同


‧ 主單元和從屬邊界定義在單元的表面上


在求解過程中,HFSS在單位單元之間創建非共形網格介面,進而減少記憶體佔用並提升模擬效能。


舉例來說,下圖是個包含兩個不同極化子陣的天線陣列,另外每個子陣週邊還有部分空白基板區域。其中水平極化子陣單元和垂直極化子陣單元的饋電位置不同。


要對這樣的模型進行基於3D元件的有限陣列建模,首先需要將整個模型分成三種週期單元,分別是空白基板部分,水平極化子陣的貼片單元和垂直極化子陣的貼片單元。



圖六 : 模型的三種週期單元
圖六 : 模型的三種週期單元

接下來就可以按照原來陣列的佈局進行陣列建模,整個建模過程完全基於有限陣列的模板。



圖七 : 有限陣列模板建模
圖七 : 有限陣列模板建模

完成建模後,便可以進行模擬。整個模擬過程也採用了網格沿用技術和區域分解技術,加速了整個求解過程。


完成求解後,與全陣建模一樣,也可以任意編輯單元的幅度相位進行後處理。



圖八 : 水平極化和垂直極化切面方向圖的模擬結果
圖八 : 水平極化和垂直極化切面方向圖的模擬結果

圖九 : 其中一個極化工作時的天線場分佈情況
圖九 : 其中一個極化工作時的天線場分佈情況

**刊頭圖(source: satec.es)


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