为 5G 应用设计天线阵列和 MIMO 系统

在本文中，我们将介绍有限阵列仿真技术的最新进展------3D 组件阵列域分解方法 (3DCA-DDM)。这项新技术使工程师能够对包含非相同单元的有限（半）周期结构进行建模。同时，与模拟 FADDM 或显式阵列相比，它有助于加快模拟时间并减少内存使用量。

大规模MIMO是5G通信系统的关键技术，其概念是增加基站阵列中的天线数量（64、128或更多），以实现更大的信道容量。在相控阵雷达应用中，阵列中的天线数量可以达到数百甚至数千个。

如今，5G 无线系统变得越来越小巧紧凑，这意味着许多天线阵列元件将装入小型设备中。例如，基站设计为具有多个频段，天线阵列设计则归因于高频和低频元件。

**问题：**有没有方法可以模拟具有非相同单元格的天线阵列结构？

**答案：**是的，ANSYS HFSS 中的 3D 组件阵列域分解方法！它与模拟显式模型一样准确，但时间和内存更少！

3DCA-DDM 是 ANSYS HFSS 2019R3 中引入的一项突破性新功能，用于对包含非相同单元格的有限（半）周期结构进行建模。

3D 组件是一个独立的 ANSYS HFSS 模型，可以创建并集成到更大的组件中。3D 组件模型包含所有相关信息：几何形状、材料、边界条件、设计参数和端口（必要时），可纳入完全耦合的 3D 电磁仿真中。

此外，专利加密技术允许组件提供商隐藏和保护关键知识产权 (IP)，同时完整描述其部件以供下游模拟。

整个工作流程从创建代表模型中不同单元的 3D 组件开始，然后可以将这些 3D 组件放入阵列结构中以创建模型。使用 3D 组件的好处是可以独立调整组件网格，并减少整体模型渲染和网格划分尺寸。使用单个 3D 组件网格划分，我们可以复制它并将其用于阵列中的所有其他重复结构。

要利用具有非相同单元格的全新 3D 组件有限阵列工作流程，单元格必须满足以下要求：

现在，我们来看看下面的例子

此示例展示了使用 3D 组件有限阵列工作流程实现的 77 GHz 2x2 相控阵天线和天线罩集成。

a）3DCA-DDM，（b）显式阵列。

模拟时间： 3 分 16 秒，RAM：8.53GB 以下（4 核、64 GB RAM 机器和自动 HPC 设置）。

我们首先创建 3D 组件来表示模型中的不同单元；然后将组件插入 HFSS 设计，并创建类似于从单元创建有限阵列的阵列。参见下图，

本工作流程中使用的 3D 组件单元格。(a) 贴片天线，(b) 天线罩角和基板，(c) 天线罩侧面和基板，(d) 顶部天线罩和基板，(e) 空单元格。

然后我们将使用以下矩阵来排列单元格来创建阵列

创建 3D 组件阵列模型后，我们就可以开始仿真了。在 3DCA-DDM 仿真中，HFSS 在每个 3D 组件单元之间创建了非共形网格接口，从而减少了内存占用并提高了仿真性能。下图显示了 E 场的复杂幅度和模型的网格划分，

3DCA-DDM 在不同扫描角度 Theta（0°、15°、30° 和 45°）下的峰值实现增益矩形图。峰值实现增益 3D 极坐标图和辐射图的叠加表示，phi=0° 处扫描角度 Theta 为 30°，请注意光束已转向 30°，还请注意 3DCA-DDM 与显式阵列结果之间的比较。

在 phi=0° 切割和 phi=90° 切割时，分别针对不同的扫描角度 Theta（0°、15°、30° 和 45°）实现了峰值增益辐射模式。

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M. Commens 和 K. Zhao，"使用单元格域分解法进行有限天线阵列分析"，2012 年第 42 届欧洲微波会议，荷兰阿姆斯特丹，2012 年，第 313-316 页，doi：10.23919/EuMC.2012.6459417。
"如何为 5G 无线网络设计基站（或微蜂窝）天线阵列"，ANSYS lnc
"基于 3D 组件有限阵列工作流程的 77 GHz 2x2 相控阵天线和天线罩"，ANSYS lnc