5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，簡(jiǎn)稱 IoT)是射頻及微波行業(yè)的兩大熱點(diǎn)話題。要想在此類無線應(yīng)用領(lǐng)域取得新的進(jìn)展，就需要大幅提升數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)還需在源電子掃描陣列(acTIve electronically scanned arrays，簡(jiǎn)稱AESA)、相控陣天線，以及多輸入多輸出(mulTIple-input-mulTIple-output，簡(jiǎn)稱 MIMO)技術(shù)等方面取得重大突破。在上述應(yīng)用的原型設(shè)計(jì)和制造過程中，縮短時(shí)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(shè)計(jì)的研發(fā)周期。

5G 相控陣天線的設(shè)計(jì)中使用的先進(jìn)計(jì)算資源

正如我們?cè)谥暗牟┛臀恼轮杏懻摰?，要?shí)現(xiàn) 5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，還需要完成許多改進(jìn)和設(shè)計(jì)考慮。射頻工程師的改進(jìn)方向之一就是增加天線增益以便為 5G 的運(yùn)行提供更高的頻率。

用于早期網(wǎng)絡(luò)的各向同性低增益天線對(duì)比用于 5G 的指向性高增益天線。

5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)要求是改進(jìn)相前進(jìn)技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)可用于形成輻射式樣及引導(dǎo)天線陣波束的方向以控制輸入信號(hào)，進(jìn)而解決覆蓋角問題。

單極相控天線陣列可以引導(dǎo)電波射向指定的方向。

在設(shè)計(jì)階段，一種名為縫耦合微帶貼片天線陣列的裝置可用于解決此類覆蓋角問題。然而，為了開發(fā)出使 5G 無線通信性能最優(yōu)的設(shè)備，還需考慮許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)參數(shù)。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室中通過實(shí)體原型往往難以對(duì)一些物理效應(yīng)(如極端溫度變化、結(jié)構(gòu)變形和化學(xué)反應(yīng))進(jìn)行評(píng)估和施加，然而仿真卻能勝任。遺憾的是，并非每位從事設(shè)計(jì)的工程師都是仿真專業(yè)人員，這就要求無論何時(shí)只要天線陣設(shè)計(jì)或仿真環(huán)境發(fā)生更改，仿真專業(yè)人員都必須參與到設(shè)計(jì)過程的每一步。

App 開發(fā)器通過進(jìn)一步擴(kuò)展仿真功能從而解決了此類難題?，F(xiàn)在，一個(gè)原本復(fù)雜又繁瑣的射頻設(shè)計(jì)數(shù)值模型可以轉(zhuǎn)換為用戶友好的交互式工具，無論是專業(yè)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(yōu)化 5G 和物聯(lián)網(wǎng)的相控陣天線設(shè)計(jì)的。

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，通常用于雷達(dá)和衛(wèi)星等軍事領(lǐng)域。如今，隨著人們對(duì)于通信設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速率要求的不斷提高，此類陣列有了新的應(yīng)用領(lǐng)域——商業(yè)應(yīng)用。在這類設(shè)備中，一個(gè)簡(jiǎn)單元件的尺寸就能輕易超過波長(zhǎng)的幾十倍，這導(dǎo)致仿真設(shè)計(jì)會(huì)占用大量?jī)?nèi)存。造成的結(jié)果是，即使我們僅獲取用來評(píng)估概念模型的近似值，也要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。更快的原型設(shè)計(jì)有助于快速分析性能和確定設(shè)計(jì)參數(shù)。

縫耦合微帶貼片天線陣列合成器以單個(gè)微帶貼片天線的全有限元法(finite element method，簡(jiǎn)稱 FEM)模型為基礎(chǔ)、在多層低溫共燒陶瓷(low-temperature cofired ceramic，簡(jiǎn)稱 LTCC)的基片上制作而成的。設(shè)備的初始工作頻率為 30 GHz，輻射圖案與整個(gè)陣列結(jié)構(gòu)的指向性分析的集成是使用 COMSOL MulTIphysics 及其強(qiáng)大的后處理功能完成的。App 開發(fā)器是一種捷徑，提供了多種方式來設(shè)計(jì)和構(gòu)建用戶友好的圖形用戶界面(graphical user interface，簡(jiǎn)稱 GUI)，可將普通數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為直觀的仿真工具。

縫耦合微帶貼片天線的俯視圖。

App 開發(fā)器提供了兩個(gè)創(chuàng)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(duì)象，使 GUI 具備一些簡(jiǎn)單功能。方法編輯器可協(xié)助我們執(zhí)行比表單對(duì)象更高級(jí)的定制功能。在對(duì)單個(gè)的微帶貼片天線進(jìn)行精確仿真之后，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(shù)列和角分辨率等用戶輸入相對(duì)應(yīng)，它們被應(yīng)用于單個(gè)天線的輻射圖案數(shù)據(jù)(emw.normEfar)。

方法編輯器不僅適用于對(duì)預(yù)定義的后處理變量進(jìn)行可視化的簡(jiǎn)單仿真，也可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步定制。

用于顯示表單對(duì)象的主表單的預(yù)覽。

使用“方法編輯器”創(chuàng)建針對(duì)表單對(duì)象的自定義操作。

在該 App 中，有許多可用于測(cè)試微帶貼片天線陣列設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)，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(kuò)展饋線長(zhǎng)度

貼片基片厚度和相對(duì)介電常數(shù)

饋線基片厚度和相對(duì)介電常數(shù)

陣列屬性

陣列尺寸

相前進(jìn)

間距

仿真屬性

頻率

波長(zhǎng)

三維坐標(biāo)繪圖分辨率

極坐標(biāo)繪圖分辨率

數(shù)組維度、相前進(jìn)和間距，以及每個(gè)單元之間的距離主要用于表征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(qǐng)注意，當(dāng)天線指向性較高時(shí)，較高的分辨率有助于精確描繪旁瓣。

“縫耦合微帶貼片天線陣列合成器” App 的圖形用戶界面。

分析完成后，App將通過 S 參數(shù)(S11)計(jì)算得到的單個(gè)天線設(shè)計(jì)參數(shù)與用戶在運(yùn)行仿真前的“通過/失敗”評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，報(bào)告其是否為最佳參數(shù)。App 會(huì)對(duì)每個(gè)介電層及金屬層上的電場(chǎng)分布進(jìn)行繪圖，并實(shí)現(xiàn)了陣列全視圖的可視化，讓 App 用戶對(duì)設(shè)計(jì)性能產(chǎn)生了更為直觀的體驗(yàn)。您還可以選擇生成完整的仿真結(jié)果報(bào)告以及詳細(xì)的 App 使用說明。

仿真 App 為數(shù)值模型的展示提供了無限可能

借助 App 開發(fā)器，您有無限種方法可以將模型轉(zhuǎn)化為自定義工具，但接下來可以做什么呢?您可以通過 COMSOL Multiphysics® 軟件來啟動(dòng)并使用仿真 App。只要您已連接至互聯(lián)網(wǎng)，就能使用常見的網(wǎng)頁瀏覽器運(yùn)行 App，甚至可以通過 COMSOL Server™ 產(chǎn)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(xué)、流體、化學(xué)等物理領(lǐng)域的 App 等待您下載和研究。這些演示 App 可以指導(dǎo)您創(chuàng)建自己的實(shí)用 App。

頻率選擇面周期性互補(bǔ)開環(huán)諧振器”演示 App(右圖)和“表面等離激元線光柵模擬器”演示 App(左圖)。

無論您是否正在為 5G 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)針對(duì)增強(qiáng)射頻設(shè)計(jì)的仿真 App，還是致力于其他應(yīng)用領(lǐng)域的研究，就從今天開始著手開發(fā)仿真 App 來優(yōu)化設(shè)計(jì)工作流程及產(chǎn)品性能吧!