Ansys白皮書——如何設(shè)計(jì)5G無線網(wǎng)絡(luò)的用戶設(shè)備天線系統(tǒng)

上海安世亞太

2021年10月13日 15:51

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翻譯：上海安世亞太

前言

新一代蜂窩無線通信將將帶來許多創(chuàng)新的、尖端的技術(shù)和產(chǎn)品。毫米波（mm-wave）和微波頻段的結(jié)合，伴隨著諸如大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）等先進(jìn)的空間復(fù)用技術(shù)，將形成一種稱為5G的新蜂窩技術(shù)的主干。向5G的演進(jìn)將為移動通信網(wǎng)絡(luò)提供低延遲、高數(shù)據(jù)速率和更大的信道容量。要實(shí)現(xiàn)這一承諾，就需要改造現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、建設(shè)新的基礎(chǔ)設(shè)施和開發(fā)客戶端設(shè)備。這些都是重大的變革，而實(shí)施這些變革會是困難，昂貴且耗時(shí)的。為此，虛擬樣機(jī)通過仿真可以幫助解決工程難題，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，降低成本。盡管仿真非常重要，但沒有太多的工作或文獻(xiàn)描述用于創(chuàng)建5G無線設(shè)計(jì)和系統(tǒng)以及描述端到端無線網(wǎng)絡(luò)特性的綜合建模工作流程。本文提供了在Ansys工具上設(shè)計(jì)5G天線、微蜂窩陣列以及終端設(shè)備（UE）的普適仿真技術(shù)和工作流程。工作流程包括人機(jī)交互，以分析手持UE的有效性并確保UE設(shè)計(jì)不超出法規(guī)要求。

圖1. 5G將使一個快速和全新的互聯(lián)世界成為可能

5G的潛力與挑戰(zhàn)

5G將給移動通信帶來革命性的變化，其信道容量將提升100倍，峰值數(shù)據(jù)速率將達(dá)到20 Gbps，延遲降低10倍至幾毫秒。5G將推動創(chuàng)新，創(chuàng)造令人興奮的產(chǎn)品和服務(wù)，對許多行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。其低延遲和高度可靠的網(wǎng)絡(luò)對于確保自動駕駛車輛在上路時(shí)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。除了增強(qiáng)車對車（V2V）和車對基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）通信的性能外，5G還將推動物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的許多方面發(fā)展。其龐大的互聯(lián)互通和高容量網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)的范圍，以實(shí)現(xiàn)智慧城市。

圖2. Ansys HFSS:用于無線和電子系統(tǒng)的多功能3D電磁設(shè)計(jì)和仿真工具

5G將利用毫米波頻段，同時(shí)通過載波聚合（CA）利用sub-6 GHz的頻率。毫米波頻段(mm-wave)有其優(yōu)缺點(diǎn)。它提供大帶寬、低延遲、高數(shù)據(jù)速率和更大的信道容量。然而，在同一無線設(shè)備中同時(shí)存在多頻帶射頻和數(shù)字信號可能會導(dǎo)致射頻干擾問題。這些問題可能是由于并置射頻系統(tǒng)產(chǎn)生的不必要的帶外發(fā)射，以及耦合到無線系統(tǒng)的被干擾設(shè)備（victim receiver）的數(shù)字信號所產(chǎn)生的寬帶噪聲和諧波造成的。隨著越來越多的集成電路IC、片上系統(tǒng)（SoCs）、封裝和無線系統(tǒng)集成到單個5G設(shè)備上，這些問題可能會變得越來越突出。

利用毫米波的5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)考慮不僅僅局限于天線、用戶設(shè)備、微基站和傳播信道的性能。他們還應(yīng)考慮毫米波與人體的相互作用，因?yàn)檫@可能會引起用戶設(shè)備的潛在生物相容性問題。

由于毫米波頻率具有比當(dāng)前4G頻帶更短的波長，因此可以增加5G微基站陣列中天線單元的數(shù)量，以在相同空間內(nèi)容納更多單元。具有更多單元的陣列允許通過空間波束成形能力進(jìn)行選擇性功率傳遞。毫米波頻率還允許使用先進(jìn)的大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）波束成形技術(shù)。也就是說，設(shè)計(jì)一個大型毫米波陣列從天線，組陣，建模其與天線罩的相互作用以及波束形成的權(quán)重矩陣計(jì)算等方面都面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

UE和微基站的設(shè)計(jì)和優(yōu)化無法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。兩者都與通信信道相連，該通信信道定義為UE天線與微基站之間的傳播媒介。電磁波在此信道中傳播，并在UE和微基站之間傳送信號。目前，現(xiàn)有的信道估計(jì)技術(shù)channel estimation techniques 被用來對微基站和UE之間的信道狀態(tài)信息（CSI）進(jìn)行建模和提取。這些估計(jì)技術(shù)基于理論工作，并使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)和驗(yàn)證，這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)已可用于sub-6 GHz的無線通信。對于毫米波信道的特征，當(dāng)前的估計(jì)技術(shù)不能不加修改就使用。為了解釋毫米波在信號傳播通道中由于吸收、阻塞和反射而產(chǎn)生的嚴(yán)重的路徑損耗，必須對其進(jìn)行修正。采用射線追蹤技術(shù)的仿真工具適用于毫米波在復(fù)雜環(huán)境中的多次反射、反彈、相位延遲和損耗。射線追蹤技術(shù)以及統(tǒng)計(jì)模型和技術(shù)都可以用于計(jì)算毫米波的CSI。

終端設(shè)備(UE)設(shè)計(jì)

終端設(shè)備涵蓋了廣泛的無線消費(fèi)電子設(shè)備。典型的UE示例是智能手機(jī)，平板電腦，醫(yī)療設(shè)備和智能手表或任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。本文討論的UE是一款智能手機(jī)。除了上一代無線技術(shù)(4G LTE和更早的技術(shù)）外，5G手機(jī)還需要在新的毫米波和sub-6 GHz 的5G頻段運(yùn)行。智能手機(jī)必須容納多個天線，以便能夠提供GPS，GSM和LTE服務(wù)。

圖3. 典型智能手機(jī)的虛擬樣機(jī)的內(nèi)部細(xì)節(jié)

為了增強(qiáng)覆蓋范圍并提供可靠的無線通信，智能手機(jī)通常采用空間分集方案 spatial diversity scheme，在手機(jī)的不同邊緣/角落放置多個天線。為了利用空間分集方案，5G智能手機(jī)通常有一組在物理上彼此分離的天線。圖3展示了一個典型智能手機(jī)的虛擬樣機(jī)的內(nèi)部細(xì)節(jié)。

Sub-6 GHz集成天線設(shè)計(jì)

Ansys HFSS為LTE，4G，GSM和GPS服務(wù)提供sub-6 GHz集成天線的系統(tǒng)工作流程。三種類型的天線被設(shè)計(jì)為在GSM900，Wi-Fi，LTE2100，2300，GPS，GSM1800和LTE2500頻段上運(yùn)作。

圖4. 最終天線設(shè)計(jì)的回波損耗曲線

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，我們?yōu)槊總€天線建立了一個初始的3D模型。選擇了三種天線類型:平面倒F天線(PIFA)、T形單極子天線和3D葉片單極子天線。每個天線都在HFSS中獨(dú)立分析、調(diào)諧并集成到手機(jī)中。然后仿真模擬整個裝配。正如預(yù)期的那樣，將天線集成到手機(jī)模型中會影響它們的性能。

為了獲得所需的天線增益和輸入阻抗，對三種天線同時(shí)采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DoE)方法。根據(jù)結(jié)果，從對期望輸出影響最大的變量創(chuàng)建一個狹窄的搜索區(qū)間。調(diào)用優(yōu)化算法在區(qū)間中搜索并找到變量的最佳組合。圖4顯示了最終天線設(shè)計(jì)的回波損耗曲線。計(jì)算得到的反射系數(shù)和實(shí)現(xiàn)的增益在相應(yīng)的曲線圖中顯示出來。圖4和圖5顯示了不同頻率下實(shí)現(xiàn)的峰值增益值和輻射模式。

用于UE的集成毫米波陣列

采用類似的工作流程（如sub-6 Ghz天線所述）來設(shè)計(jì)集成毫米波陣列。該陣列的目標(biāo)頻段為26-28.5GHz。這些頻率屬于考慮用于5G的ka波段毫米波子波段（波段n257，n258，n260和n261)。毫米波陣列的每個元件是一個微帶貼片，帶有兩個探針饋電probe feeds。基板（襯底）厚度為1.376 mm，基底材料為Roger RT/Duroid 5870（介電常數(shù)=2.33，介電損耗正切=0.0012）。為了提高工作帶寬，增加了無源寄生疊加貼片。該模型的設(shè)計(jì)工作頻段為26.5ghz-28.8ghz。

圖5. 帶有輻射模式的手機(jī)

每個微帶貼片元件有兩個饋電，支持垂直（V）和水平（H）極化。每個天線都可經(jīng)過優(yōu)化后在定義的頻段上工作，且具有小于-10dB（S11<-10dB）合理的回波損耗。在沿直線連續(xù)放置各個天線時(shí)，生成陣列。然后將陣列集成到手機(jī)中。在設(shè)計(jì)的各個階段，從最初的單元到陣列，最后集成到手機(jī)上，正確調(diào)諧天線是很重要的。調(diào)諧天線和陣列可以提高效率，并確保設(shè)備及其外殼內(nèi)的電子設(shè)備不會降低陣列的性能。

圖6顯示了最終設(shè)計(jì)的一部分。

圖7顯示了陣列在垂直極化激勵下的反射系數(shù)。

為了使整個仿真自動化，將使用Python腳本的GUI(或ACT)擴(kuò)展集成到Ansys Electronics Desktop中。該擴(kuò)展在電子桌面Electronics Desktop中添加了5G向?qū)Чぞ甙靡约虞dHFSS設(shè)計(jì)，并通過純文本文件（*.CSV）導(dǎo)入所有饋電數(shù)據(jù)。該工具包是便捷的，因?yàn)樗顾械募钭詣臃峙浣o天線元件。它還可以方便地計(jì)算每個波束ID陣列的輻射圖。此外，它有助于在HFSS中自動計(jì)算設(shè)計(jì)的累積分布函數(shù)（CDF）和功率密度值。

波束碼本

為了補(bǔ)償毫米波的路徑損耗的嚴(yán)重性，重要的是在預(yù)期方向上最大化波束成形，以便在UE和微小區(qū)之間建立和維持穩(wěn)定的通信鏈路。較小的波長可使毫米波陣列被顯著縮小以適合UE內(nèi)部。用不同的幅值和相位激勵陣列的元件以產(chǎn)生不同的波束方向。通過在元件之間創(chuàng)建線性漸進(jìn)相移，主光束從寬邊（元件之間為零相移）向端射掃描（元件之間為180度相移）。這種波束成形能力增加了陣列的增益，并使波束能聚焦在所需的方向上，以克服傳播損耗。該陣列的波束導(dǎo)引能力可進(jìn)行更大范圍被掃描，從而改善傳輸和/或信號接收。

由一組波束ID或碼字組成的標(biāo)準(zhǔn)波束碼本可用于給定的天線配置。一個碼字可以是一組以其幅度和相位表示的激勵的復(fù)值。表1是4x1陣列設(shè)計(jì)的一個簡單的碼本示例。可以將不同格式的碼本導(dǎo)入HFSS。基于波束ID, HFSS中的編輯源對話框中的參數(shù)被更新，以反映陣列元素的激勵。然后計(jì)算每個波束的全波輻射模式。這樣就可以檢查驗(yàn)證碼本的性能和準(zhǔn)確性，而不需要對每個波束位置重復(fù)進(jìn)行電磁仿真。

功率密度

任何無線消費(fèi)電子設(shè)備都必須遵守各種準(zhǔn)則，滿足FCC或歐盟監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，以確保用戶安全。例如，F(xiàn)CC要求在sub-6 GHz頻段工作的器件，其電磁波吸收比值(SAR)要低于規(guī)定值，以限制對用戶的射頻RF暴露。在毫米波波段，波能主要集中在表面（由于趨膚效應(yīng) skin effect），這些器件的功率密度是更合適、常用的指標(biāo)，且符合FCC法規(guī)的。使用Electronics Desktop中的Ansys 5G向?qū)В鶕?jù)以下公式計(jì)算選定表面的每個波束ID對應(yīng)的功率密度(PD):

累積分布函數(shù)

3GPP作為5G標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，規(guī)定了手持UE的最小峰值等效各向同性功率(EIRP)要求。

定量地說，EIRP用實(shí)現(xiàn)的陣列增益表示如下：

其中P inc是提供給陣列元件的總?cè)肷涔β省Ｓ杀磉_(dá)式可知，對實(shí)現(xiàn)增益的優(yōu)化與對EIRP的優(yōu)化相同。這里，為了簡單起見，入射功率是標(biāo)準(zhǔn)化的。

在給定的θ和?方向上，G_realized是數(shù)組在碼字集w_C上的最大增益值。換句話說，G_realized是表示所有波束的峰值增益的聚合增益模式。這是陣列將在任何給定方向上提供的最大增益，與驅(qū)動部署在現(xiàn)場的天線陣列的電子設(shè)備將選擇的碼字相對應(yīng)。

3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了5G UE（功率等級3）在UE周圍的整個3D球體上CDF的百分位（例如，50%或a＝0.5）的球形覆蓋要求。CDF的定量定義如下：

其中，l l (.)是標(biāo)識函數(shù)，如果參數(shù)的邏輯為真，則返回輸出處的參數(shù)，否則返回0。換言之，如果G_realized小于或等于?，則函數(shù)l l (.) 返回。否則，函數(shù)l l (.) 返回0。

圖8. 功率密度圖(W/m2) @距離設(shè)備的5mm偏移量

圖9. 為嵌入手機(jī)機(jī)身的毫米波陣列所設(shè)計(jì)的輻射增益圖(線性尺度)。

兩個不同的波束ID或碼字，在28 GHz (a)寬側(cè)8 dB實(shí)現(xiàn)增益，(b)寬側(cè)20度6.5 dB實(shí)現(xiàn)增益。

分析人工交互

UE設(shè)計(jì)的最后一部分圍繞著人機(jī)交互以及對天線性能和效率的影響進(jìn)行分析。

圖11. 與典型5G UE毫米波陣列的人機(jī)交互，(a)遠(yuǎn)場，(b)近場（在Ansys HFSS中仿真）

Ansys HFSS有一個用于手持設(shè)備的分析的人體模型庫。手形模型也可以從其他CAD工具（如Ansys SpaceClaim或3D圖形工具集）導(dǎo)入到HFSS中。HFSS擁有豐富的材料屬性庫，非常適合模擬人體及其組成。例如，在HFSS中，使用諸如皮膚，脂肪，骨骼等材料，對人體進(jìn)行顯試建模。

為了了解人機(jī)交互的影響，對手持智能手機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真。分析提供了手的位置，放置及其附近對毫米波陣列近場和輻射遠(yuǎn)場的影響的見解。圖12顯示了將手機(jī)保持在兩個不同位置時(shí)的分析結(jié)果。當(dāng)手部靠近陣列時(shí)，輻射方向圖會受到影響。結(jié)果描述了在UE設(shè)計(jì)中使用分集陣列以提高性能的重要性。用戶設(shè)備設(shè)計(jì)的最后一部分圍繞著分析人與設(shè)備的交互作用以及對天線性能的影響。

總結(jié)

本文描述了5G的潛力及其挑戰(zhàn)，強(qiáng)調(diào)5G終端用戶設(shè)備的精確設(shè)計(jì)與仿真至關(guān)重要。本文描述了工程師設(shè)計(jì)5G終端用戶設(shè)備、改善其電磁性能以及評估人機(jī)交互的工作流程。仿真結(jié)果表明，在Ansys HFSS上進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的性能和效率。正如文中明確指出的那樣，UE和微基站(或宏基站)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化不能在孤立的情況下實(shí)現(xiàn)。它們依賴于UE與微基站之間的通信信道。