今天我们一起学习一下Ansys的这篇博客文章：《How to Design an Antenna Array for 5G Networks & Applications》，作者是Ansys的首席工程师David Prestaux。

通过这篇文章的学习，我们一起看一下如何利用Ansys HFSS来为5G通信系统设计天线阵列。

仿真步骤如下：

步骤 1：使用 HFSS 天线工具包查找天线单元模板

为 5G 应用创建天线阵列的第一步是使用 HFSS 天线工具包提出天线单元模板。这个天线单元将定义一个单一的部分，最终将被复制到一个天线阵列中——因此是天线阵列。

HFSS 天线工具包为工程师提供了用于阵列设计的天线单元。 

工程师需要从工具包的库中选择一个天线系列。然后他们需要输入工作频率和天线基板的属性。

几分钟后，该工具包将为工程师提供天线单元的起始几何形状。HFSS 还将计算天线单元的增益和回波损耗。

步骤 2：将天线单元放入天线阵列

一旦工程师有了天线单元，下一步就是将其放入周期性阵列中。将单元放入一系列重复项中将有助于提高增益。

在第一步中，天线单元是自行评估的。现在使用无限天线阵列的周期元素重复该过程。

工程师会注意到增益、回波损耗、旁瓣和波束控制等特性都受到阵列中其他天线的接近程度的影响。通过改变天线的方向，工程师可以优化这些特性。

一旦选择了最佳天线阵列方向，工程师就可以定义将无限阵列修改为理想化有限阵列的阵列因子。

在这个例子中，仿真设计了一个 16 x 16 的方形天线阵列。

第 3 步：使用域分解方法设计有限天线阵列

工程师需要的不仅仅是理想化的模型来设计 5G 天线阵列。因此，下一步是构建一个仿真，以更好地描述天线单元之间以及阵列边缘之间的相互作用。

该仿真是使用域分解方法 (DDM) 完成的。DDM 复制单个元素的网格并将其应用于第二步中定义的几何体。每个网格的边界与相邻的网格缝合在一起，因此工程师可以评估附近天线阵列单元的耦合。

对于那些可以使用高性能计算 (HPC) 的人，DDM 能够分配每个天线单元网格的计算负载，以便使用多个内核并行求解。

创建网格后，HFSS 可用于评估和优化天线的增益、回波损耗、旁瓣和波束控制，比步骤 2 更准确。

第 4 步：计算有限天线阵列的波束角

如果工程师无法控制信号的去向，天线就没什么用了。这些工程师可以使用 HFSS 的有限阵列波束角计算器，根据信号频率和扫描/相位角确定将波束转向特定方向所需的相移。这些角度将用于在球坐标中定位阵列。

计算器根据在第三步中创建的网格来确定阵列中的天线与波束的特定扫描角度之间的关系。

下一步是设计如何在阵列中分配功率。

工程师首先需要确定目标相位关系和幅度。然后，他们在 HFSS 中设计和迭代供电网络，直到实现这一目标。

当工程师迭代天线阵列的配电电路时，他们可以看到每次迭代如何影响幅度和相位关系。

一旦他们连接了每个阵列并优化了设置，他们就可以开始将所有工作连接到一个模拟中。

现在，工程师能够将有限元模型（在第三步中创建）与波束角计算（第四步）和供电网络（第五步）连接起来。

还添加了移相器来控制信号。移相器是根据第四步中计算出的相角从组件库中选择的。

接下来，工程师可以执行线性网络分析 (LNA) 来评估这个接近完成的仿真的回波损耗。

工程师现在需要将来自 LNA 的激励结果推送到 HFSS。换句话说，来自馈电网络的损耗失配作为幅度和相位值传递到 HFSS。然后将结果绘制为系统增益。

该增益更真实地反映了天线在各个方向的性能。

最后一步是在其环境背景下评估天线设计的性能。

为此，他们必须使用 HFSS 射击和弹跳射线 (SBR) 技术进行系统级研究。这项研究测试了天线在大型环境（例如城市街区）内发送和接收信号的能力。

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