5G | 設計、測試和部署低成本且高性能的天線

大多數關于5G的討論都集中在技術標準的非凡能力以及對用戶的潛在優(yōu)勢上，比如新技術的帶寬和范圍將如何提供強大的功能和內容等。然而，這類報道避之不談的是，設計團隊在試圖實現(xiàn)該標準所暗含的承諾目標時，必須先探索無數的工程難題。

服務提供商必須提供滿足客戶對服務質量和功能的期望所需的性能水平。與此同時，他們還需要提供對用戶極具吸引力的定價，以保持競爭力。多重市場壓力產生了總體擁有成本（TCO）這一概念，服務提供商必須能夠滿足該標準才能生存。TCO可通過兩大類別的多個關鍵績效指標（KPI）來衡量：技術能力，即覆蓋范圍、容量、MIMO性能，和產品使用壽命，即長期可靠性、功耗以及整體重量。

這些KPI已成為開發(fā)5G網絡設備下游系統(tǒng)企業(yè)的必備要求，涉及的設備包括：基站和更小的蜂窩基站（Metrocell、Microcell、Femtocell和Picocell）及其相關的天線陣列。反過來，這些系統(tǒng)企業(yè)針對他們開發(fā)的通信節(jié)點將KPI分解為詳細的規(guī)范，這些節(jié)點實際是指天線、印刷電路板（PCB）上的支持電路以及包含PCB和天線的盒子或外殼。

毋庸置疑，關鍵組件是天線。系統(tǒng)設計中的其他所有部分都需要符合其要求并依賴于它。讓我們詳細了解一下5G系統(tǒng)設計團隊在開發(fā)最佳天線時所面臨的挑戰(zhàn)。

使用Ansys HFSS對5G波束控制裝置（BSU）天線進行電磁仿真

設計團隊的觀點

從事5G天線設計的工程師最關心的問題可分為三大類：設計、驗證和測試以及部署。然而，這些類別的工作并不是獨立存在的，而是相互依賴的。

天線設計

5G將推動多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）陣列提高到新的功能水平。然而，設計這種能夠滿足網絡要求的天線的過程中，充滿了“危險”。輻射單元必須在其給定的物理孔徑下達到最佳性能，覆蓋其指定的廣播范圍和用戶負載，精確支持多種帶寬，正確形成波束，并支持固定衛(wèi)星服務（FSS）、自適應調制和編碼（AMC，有時被稱為鏈路自適應）等帶寬效率功能。與此同時，設計人員必須解決由天線工作引起的任何耦合效應，以及識別和補償隨機效應或其他信號損耗來源，如阻抗不匹配、射頻干擾（RFI）等。創(chuàng)建這種復雜的組件需要設計人員具備一定的靈活性、適應性和實驗技巧。

使用Ansys HFSS的5G MIMO輻射單元

天線驗證和測試

在系統(tǒng)的預期使用壽命內，多種因素使天線完整功能的驗證變得復雜。該驗證的一部分涉及系統(tǒng)本身的基本運作；這不僅包括天線，還包括其支持電路組件和電路板。然而，更緊迫的挑戰(zhàn)因素是工作環(huán)境對天線和整個系統(tǒng)的影響，包括風、雨、雪、冰、靜電積聚、酷暑和嚴寒、灰塵、冰雹、沙塵暴、雷擊等。

更糟糕的是，這些影響還會相互疊加。信號傳導或天氣因素產生的熱量會使組件膨脹，從而產生機械應力并反饋到傳導性。風則會使天線形狀發(fā)生變形，從而影響信號環(huán)境。隨著時間的推移，系統(tǒng)的重量也會影響其可行性。

設計人員可采用多種方法來解決這些問題來源。重量是天線和系統(tǒng)的一大設計限制，而風載荷估計值將成為進一步的約束條件。電源管理方案可以推遲芯片、電路板和系統(tǒng)級的故障發(fā)生時間（TTF）。從可靠性角度，可以估計出大量變量，例如組件和電路板可靠性、功耗、備用電源周期、工作頻率、傳播效應、對數據覆蓋和干擾的熱/電熱效應以及電氣性能漂移——即使有環(huán)境、電源和性能“情況”作為約束，也是如此進行估計。

遺憾的是，上述方法也不利于及時完成設計和部署。它們最終會成為通過實驗進行設計優(yōu)化的障礙，因為每次迭代都必須重復（至少部分重復）測試和驗證工作。

天線部署

當完成部署后，整個網絡預計將能夠可靠地工作并按需執(zhí)行規(guī)范——包括支持各種用戶平臺，高效且最大限度地使用帶寬和信道、高信號強度、最高的數據速率以及最小的信號延遲。然而，太多因素阻礙了這些目標的實現(xiàn)。

用戶負載具有廣泛的可變性和動態(tài)性；基站、低層級蜂窩基站和用戶平臺之間存在天線交互的風險；傳播環(huán)境本身也存在許多潛在問題，因為它是有源的。此外，城市環(huán)境中存在的物理障礙可能會吸收或偏轉傳輸信號，造成死區(qū)、信號中斷和傳播延遲。甚至現(xiàn)有的基礎設施，也會給有效的蜂窩基站部署帶來問題。

而服務提供商希望系統(tǒng)企業(yè)開發(fā)出能夠解決上述所有問題的蜂窩基站和天線。無論環(huán)境如何，他們都希望5G硬件能夠為其客戶提供低成本、高質量的通信和數據服務。

Ansys HFSS與城市5G網絡

仿真解決方案

Ansys在多物理場計算領域有50多年的發(fā)展歷史，可提供廣泛而深入的豐富仿真技術。Ansys HFSS可提供多種求解器和數值方法，支持從離散組件和封裝芯片到整個飛機和城市無線網絡（從微觀到宏觀）等電磁現(xiàn)象的建模和仿真。其包括有限元法、矩量法和SBR求解器；3D組件庫和布局功能；自適應網格劃分；以及域分解。

HFSS的重要亮點是其獨特的網格融合功能，它能夠以數學精度捕獲幾何結構（無論大小），同時不會相應產生估計誤差或折衷誤差。利用網格融合功能，可以將龐大而復雜的對象包含在統(tǒng)一的模型中，從而獲得業(yè)界認可的黃金標準精度進行仿真。

HFSS可與許多其他Ansys仿真工具結合使用。這些仿真器結合在一起時，能夠在每個物理維度（機械、熱、結構和電磁）對5G網絡及其所有組件進行建模和仿真，從而為高復雜性、高功能產品和系統(tǒng)的虛擬原型開發(fā)提供真正的多物理場計算支持。

上述所有功能可共同支持開發(fā)和部署5G無線網絡的嚴格要求。在天線設計層面，仿真工具和工作流程可指導設計人員在頻率、天線配置和材料方面找到最佳解決方案。可以跨多個參數（如數據速率、容量、吞吐量、延遲、連接和覆蓋范圍）進行設計優(yōu)化和動態(tài)精細調節(jié)，同時保持創(chuàng)新和快速迭代實驗的能力。這使得Ansys能夠提供獨特的仿真能力，以支持大規(guī)模MU-MIMO天線陣列的設計。

此類仿真還可以考慮這些系統(tǒng)的結構、熱和電氣完整性的所有環(huán)境影響。您甚至可以跳過風洞試驗——可實現(xiàn)對天線變形和故障以及結構載荷的機械應力的詳細仿真。

網絡節(jié)點的理想布局和操作完全可以根據仿真結果進行規(guī)劃?？煽夭ㄊ軌蚺c可調寬度和功率等級一起建模。此外，您還可以對信號進行3D分析，以緩解來自城市地區(qū)復雜射頻（RF）環(huán)境的潛在問題，以及多路徑傳播、反射、吸收、陰影、堵塞區(qū)域和死區(qū)等危害。蜂窩基站/節(jié)點布局可進行規(guī)劃，以便理想地適應或利用現(xiàn)有基礎設施。系統(tǒng)的尺寸、重量、功耗與成本（SWAP-C）對網絡部署的影響可針對所有因素進行優(yōu)化，同時考慮在各種潛在環(huán)境壓力下的性能和耐用性。

得益于通過工作流程自動化實現(xiàn)的快速運行時間，仿真可以根據幾何結構和區(qū)域的變化進行擴展。此外，Ansys仿真器還為分布式計算提供廣泛的支持，從而能夠并行計算并高效地使用系統(tǒng)內存資源。

將多物理場仿真作為5G系統(tǒng)設計、可靠性評估和節(jié)點部署方法的重要組成部分具有諸多優(yōu)勢，這源自于Ansys工具能夠對開發(fā)的各個方面進行虛擬原型設計。如果構建物理原型來測試功能、可靠性和無線（OTA）操作，這不僅耗時，而且成本高昂。通過虛擬化的方式開展關于設計選擇和功能增強的實驗基本上沒有風險，同時還可以減少開發(fā)時間和成本，最終幫助設計團隊比競爭對手更快地發(fā)布出色產品。