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本文提供了在Ansys工具上設計5G天線、微蜂窩陣列以及終端設備（UE）的普適仿真技術和工作流程。工作流程包括人機交互，以分析手持UE的有效性并確保UE設計不超出法規要求。

新一代蜂窩無線通信將帶來許多創新的、尖端的技術和產品。毫米波（mm-wave）和微波頻段的結合，伴隨著諸如大規模多輸入多輸出（MIMO）等先進的空間復用技術，將形成一種稱為5G的新蜂窩技術的主干。

向5G的演進將為移動通信網絡提供低延遲、高數據速率和更大的信道容量。要實現這一承諾，就需要改造現有網絡、建設新的基礎設施和開發客戶端設備。這些都是重大的變革，而實施這些變革會是困難，昂貴且耗時的。為此，虛擬樣機通過仿真可以幫助解決工程難題，實現創新，降低成本。盡管仿真非常重要，但沒有太多的工作或文獻描述用于創建5G無線設計和系統以及描述端到端無線網絡特性的綜合建模工作流程。

圖1:5G將使一個快速和全新的互聯世界成為可能

5G的潛力與挑戰

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，峰值數據速率將達到20 Gbps，延遲降低10倍至幾毫秒。5G將推動創新，創造令人興奮的產品和服務，對許多行業產生深遠影響。其低延遲和高度可靠的網絡對于確保自動駕駛車輛在上路時的安全運行至關重要。除了增強車對車（V2V）和車對基礎設施（V2I）通信的性能外，5G還將推動物聯網（IoT）的許多方面發展。其龐大的互聯互通和高容量網絡可以擴大物聯網的范圍，以實現智慧城市。

圖2:Ansys HFSS:用于無線和電子系統的多功能3D電磁設計和仿真工具

5G將利用毫米波頻段，同時通過載波聚合（CA）利用sub-6 GHz的頻率。毫米波頻段(mm-wave)有其優缺點：它提供大帶寬、低延遲、高數據速率和更大的信道容量。然而，在同一無線設備中同時存在多頻帶射頻和數字信號可能會導致射頻干擾問題。這些問題可能是由于并置射頻系統產生的不必要的帶外發射，以及耦合到無線系統的被干擾設備（victim receiver）的數字信號所產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（SoCs）、封裝和無線系統集成到單個5G設備上，這些問題可能會變得越來越突出。

利用毫米波的5G網絡的設計考慮不僅僅局限于天線、用戶設備、微基站和傳播信道的性能。他們還應考慮毫米波與人體的相互作用，因為這可能會引起用戶設備的潛在生物相容性問題。

由于毫米波頻率具有比當前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量，以在相同空間內容納更多單元。具有更多單元的陣列允許通過空間波束成形能力進行選擇性功率傳遞。毫米波頻率還允許使用先進的大規模多輸入多輸出（MIMO）波束成形技術。也就是說，設計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重矩陣計算等方面都面臨著嚴峻的挑戰。

UE和微基站的設計和優化無法單獨實現。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，現有的信道估計技術channel estimation techniques 被用來對微基站和UE之間的信道狀態信息（CSI）進行建模和提取。這些估計技術基于理論工作，并使用經驗數據進行了檢驗和驗證，這些經驗數據已可用于sub-6 GHz的無線通信。對于毫米波信道的特征，當前的估計技術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、阻塞和反射而產生的嚴重的路徑損耗，必須對其進行修正。采用射線追蹤技術的仿真工具適用于毫米波在復雜環境中的多次反射、反彈、相位延遲和損耗。射線追蹤技術以及統計模型和技術都可以用于計算毫米波的CSI。

終端設備(UE)設計

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

圖3:典型智能手機的虛擬樣機的內部細節

為了增強覆蓋范圍并提供可靠的無線通信，智能手機通常采用空間分集方案 spatial diversity scheme，在手機的不同邊緣/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的虛擬樣機的內部細節。

Sub-6 GHz集成天線設計

Ansys HFSS為LTE，4G，GSM和GPS服務提供sub-6 GHz集成天線的系統工作流程。三種類型的天線被設計為在GSM900，Wi-Fi，LTE2100，2300，GPS，GSM1800和LTE2500頻段上運作。

圖4:最終天線設計的回波損耗曲線

根據經驗法則，我們為每個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中獨立分析、調諧并集成到手機中。然后仿真模擬整個裝配。正如預期的那樣，將天線集成到手機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，對三種天線同時采用實驗設計(DoE)方法。根據結果，從對期望輸出影響最大的變量創建一個狹窄的搜索區間。調用優化算法在區間中搜索并找到變量的最佳組合。圖4顯示了最終天線設計的回波損耗曲線。計算得到的反射系數和實現的增益在相應的曲線圖中顯示出來。圖4和圖5（下）顯示了不同頻率下實現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）來設計集成毫米波陣列。該陣列的目標頻段為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=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。該模型的設計工作頻段為26.5ghz-28.8ghz。

 

每個微帶貼片元件有兩個饋電，支持垂直（V）和水平（H）極化。每個天線都可經過優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。在沿直線連續放置各個天線時，生成陣列。然后將陣列集成到手機中。在設計的各個階段，從最初的單元到陣列，最后集成到手機上，正確調諧天線是很重要的。調諧天線和陣列可以提高效率，并確保設備及其外殼內的電子設備不會降低陣列的性能。

圖5:帶有輻射模式的手機

為了使整個仿真自動化，將使用Python腳本的GUI(或ACT)擴展集成到Ansys Electronics Desktop中。該擴展在電子桌面Electronics Desktop中添加了5G向導工具包，用以加載HFSS設計，并通過純文本文件（*.CSV）導入所有饋電數據。該工具包是便捷的，因為它使所有的激勵自動分配給天線元件。它還可以方便地計算每個波束ID陣列的輻射圖。此外，它有助于在HFSS中自動計算設計的累積分布函數（CDF）和功率密度值。

圖6:顯示了最終設計的一部分

圖7:顯示了陣列在垂直極化激勵下的反射系數

波束碼本

為了補償毫米波的路徑損耗的嚴重性，重要的是在預期方向上最大化波束成形，以便在UE和微小區之間建立和維持穩定的通信鏈路。較小的波長可使毫米波陣列被顯著縮小以適合UE內部。用不同的幅值和相位激勵陣列的元件以產生不同的波束方向。通過在元件之間創建線性漸進相移，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。該陣列的波束導引能力可進行更大范圍被掃描，從而改善傳輸和/或信號接收。

 

由一組波束ID或碼字組成的標準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值。表1是4x1陣列設計的一個簡單的碼本示例。可以將不同格式的碼本導入HFSS。基于波束ID, HFSS中的編輯源對話框中的參數被更新，以反映陣列元素的激勵。然后計算每個波束的全波輻射模式。這樣就可以檢查驗證碼本的性能和準確性，而不需要對每個波束位置重復進行電磁仿真。

圖8

功率密度

 

任何無線消費電子設備都必須遵守各種準則，滿足FCC或歐盟監管標準和規則，以確保用戶安全。例如，FCC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 skin effect），這些器件的功率密度是更合適、常用的指標，且符合FCC法規的。使用Electronics Desktop中的Ansys 5G向導，根據以下公式計算選定表面的每個波束ID對應的功率密度(PD):

累積分布函數

 

3GPP作為5G標準化機構，規定了手持UE的最小峰值等效各向同性功率(EIRP)要求。

定量地說，EIRP用實現的陣列增益表示如下：

EIRP = P^inc .G_realized(_w_Cf e_/(p)

其中P inc是提供給陣列元件的總入射功率。由表達式可知，對實現增益的優化與對EIRP的優化相同。這里，為了簡單起見，入射功率是標準化的。

 

在給定的θ和?方向上，Grealized是數組在碼字集Wc上的最大增益值。換句話說，Grealized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，與驅動部署在現場的天線陣列的電子設備將選擇的碼字相對應。

3GPP標準規定了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 (.)是標識函數，如果參數的邏輯為真，則返回輸出處的參數，否則返回0。換言之，如果Grealized小于或等于a，則函數l l (.) 返回。否則，函數l l (.) 返回0。

圖9:功率密度圖(W/m2) @距離設備的5mm偏移量

圖10:為嵌入手機機身的毫米波陣列所設計的輻射增益圖(線性尺度)。兩個不同的波束ID或碼字，在28 GHz (a)寬側8 dB實現增益，(b)寬側20度6.5 dB實現增益。

圖11

分析人工交互

UE設計的最后一部分圍繞著人機交互以及對天線性能和效率的影響進行分析。

圖12:與典型5G UE毫米波陣列的人機交互，(a)遠場，(b)近場（在Ansys HFSS中仿真）

Ansys HFSS有一個用于手持設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，對人體進行顯試建模。

為了了解人機交互的影響，對手持智能手機的設計進行了仿真。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場的影響的見解。圖12顯示了將手機保持在兩個不同位置時的分析結果。當手部靠近陣列時，輻射方向圖會受到影響。結果描述了在UE設計中使用分集陣列以提高性能的重要性。用戶設備設計的最后一部分圍繞著分析人與設備的交互作用以及對天線性能的影響。

總結

本文描述了5G的潛力及其挑戰，強調5G終端用戶設備的精確設計與仿真至關重要。本文描述了工程師設計5G終端用戶設備、改善其電磁性能以及評估人機交互的工作流程。仿真結果表明，在Ansys HFSS上進行設計，提高了系統的性能和效率。正如文中明確指出的那樣，UE和微基站(或宏基站)的設計和優化不能在孤立的情況下實現。它們依賴于UE與微基站之間的通信信道。