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ANSYS® 5G 天线解决方案
白皮书
图1. 5G环境
5G预示着无线通信系统将为我们展现一个超凡绝伦的精彩世界。在当下众多领域，它都是利益增长点的代名词，如消费类电子、物联网(IoT)、高级辅助驾驶系统(ADAS)、电信、娱乐、医疗以及交通等领域。然而，随之而来的相关工程难题也同样丰富多彩！
5G堪称新一代颠覆性的技术革命，将通过无处不在的超快速计算网络把数十亿的设备与所需的数据进行融汇连接，大力推动众多领域的经济增长，打造全新的产品与服务，并让我们现有的生活面貌发生翻天覆地的改变。
为实现5G的战略承诺，我们必须首先对其进行构建。为此，我们必须重新思考电子组件、设备和基础设施的设计，找出在极端环境下高效运行和互通互连的方式。借助高频毫米波频谱、大规模MIMO、小基站、波束成型和波束跟踪/转向功能，5G网络基础设施可提供更高的速度、带宽、覆盖范围和鲁棒性。但5G也使得片上系统(SoC)的设计变得日益复杂，因为不仅需要管理海量的天线数据，而且还需支持各种各样的丰富功能，如大规模机器类通信(MTC)、增强型移动宽带(eMBB)、超可靠通信(URC)以及低延迟等。SoC需要在功率受限和散热受限的环境中显著提高其处理能力。
在发挥毫米波技术优势之前，首先要扩展sub-6 GHz系统，利用频带聚合通过现有基础设施获得5G速度。这需要多个频段同时运行，进而带来串扰和发热问题。5G先进的处理方法要求高线性度的射频前端、更高的集成度、更多的滤波和射频切换。然后，随着毫米波的出现，工程师将利用仿真来解决温度敏感性、效率以及电路密度等难题。
这些都是非常严峻的挑战！要应对这些挑战，需要一个普适的工程平台来准确地仿真构成这些5G设计的多个物理场和多种技术。该平台能运用先进的高性能计算，并且部署在整个企业范围内，能帮助设计人员和工程专家开展协作，研发具备5G功能的系统。而ANSYS设计平台正能充分满足这些要求，为用户提供实现5G工程创新所需的仿真解决方案。
5G天线解决方案
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超越4G
图2：系统级功能为什么5G设计需要仿真？
领先的5G技术
智能天线：波束成型
载波聚合(CA)
如图2所示，5G并非简单的4G演进，而是一次包含一系列强化系统级功能的重大变革，这些功能包括：• 频谱接入增大10倍• 集成已授权和未授权的频谱• 大规模部署小基站• 全新的网络架构—网络功能虚拟化(NFV)、边缘 计算、网络切片• 支持IoT（以及机器间的通信）
正如您所看到的，5G系统的设计与研发是一项巨大的工程。从构建和迭代系统直至系统可以运行，这一过程不仅耗时长而且还成本高昂，管理设计流程前端的方法之一就是使用仿真。无线系统工程师高度依赖仿真，尽可能多地在前端虚拟环境中开展工作。与构建真实的硬件/设备相比，仿真的速度更快并且也更经济，另外，随着设计的不断改进，后续的更改或优化也更轻松。从组件设计到系统级仿真，工程师能在不同的抽象级别上对设计进行仿真。设计与仿真紧密耦合，是产品研发流程从设计到规范的重要组成部分。
虽然5G的实现成本非常高昂，但完整的虚拟原型和仿真能显著降低成本，加快设计流程，可谓是5G的好消息。如欲了解更多5G技术介绍，敬请参阅后续内容。
5G中的天线波束成型可提高无线应用的容量和数据速率。为了提高数据速率并为更多用户提供服务，MIMO波束成型技术可利用基站和用户设备(UE)之间的多路径传播和空间复用。正确的波束成型和波束控制能优化连接，降低连接中断的风险。因此必须对天线系统进行精心设计和仿真，才能严格地控制单元间的相位、天线罩和安装平台的影响，进而确保因潜在的工作单元发生故障时实现性能的温和劣化。
最新的5G标准可增加用于单用户连接的CA
LTE频段数量，提高传输带宽，但这会造成射频前端复杂性增大，干扰概率提高。UE和基站中采用越来越多的高灵敏度滤波器实现子载波与信号的分离。体声波(BAW)谐振器、滤波器和振荡器并排安装和端到端安装在射频子组件上，对它们之间的电磁耦合进行评估是这些前端设计取得成功的关键。
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热问题
边缘计算
本文将侧重于讨论用于5G网络的天线解决方案。
ANSYS® 5G网络解决方案 首先，我们从5G基础设施与网络运营商的角度来介绍ANSYS解决方案。
高级有源相控阵列天线
5G天线解决方案
在不适合主动散热方式的安装环境中，将各种模块集成到射频前端会产生大量热量。在避免了强制风冷或液冷的不合理成本与重量的情况下，基站天线还必须排出过多热量，以使基站内电子设备安全运行。这时必须检查电子系统的温度变化属性，才能最大限度减少热量，确保在安全运行限值内。
数据处理将在基站或边缘节点上进行，以便为需要实时或接近实时响应的事件与情景的用例和应用提供服务。
随着5G网络中的设备和用户密度的提升，边缘节点将为任务关键型情境或用户体验情境提供服务，当汽车或视频流中的应用无法负担往返云端处理请求的往返时间（约250 ms）时，这些情境要求为其延迟不超过1 ms的时间。
可在边缘节点处执行决策功能，而ANSYS可为下列领域提供仿真解决方案和产品：• 网络• 片上系统(SoC)
• 移动终端/UE移动终端• 数据中心解决方案
高级相控阵列天线是实现5G系统容量与性能的关键。为了优化天线增益，确保目标覆盖率，大规模MIMO要求对相控阵列天线进行准确的设计。这类大型相控阵列系统能同时产生多个点波束，每个点波束都汇聚在单个UE上或指向较小的地域范围。为了跟踪在覆盖区域内移动的用户，点波束需要对波束动态进行定位。设计出能够符合这些要求的相控阵列天线极富挑战性。具有更多单个单元的较大型阵列使得更小的波束能指向更多UE。同时，较大型的阵列设计会增大射频信号分配与安装平台的尺寸与复杂性，并增加了对用于通道接收器、数字化器和信号处理的更高电子密度的需求。5G天线阵列设计的性能考量因素众多，其中包括波束控制、零控（降低环境中不需要的信号源的影响）、互耦和电磁干扰问题等。
图4所示的是ANSYS HFSS中的相控阵列设计流程。ANSYS HFSS是一种3D高频电磁(EM)工具，可用于设计和仿真众多的高频(HF)电子产品，如天线、天线阵列、射频和微波组件、谐振器、滤波器和其它HF电子组件等。HFSS中的相控阵列设计流程从单个单元原型开始，通过实验设计(DoE)方法来优化天线设计参数。然后，由单元合成全阵列，以便在ANSYS HFSS中对全阵列性能进行仿真优化，接着使用混合ANSYS HFSS SBR+射线跟踪求解器，为已安装的天线及其与环境的相互作用进行建模仿真。
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图6. 波束控制
图7. 天线罩对远场辐射模式的影响
图5. 耦合矩阵可视化
图4. ANSYS HFSS和ANSYS HFSS SBR+中的相控阵列设计流程
5G天线解决方案
HFSS可通过将有限元法(FEM)与有限阵列域分解法(faDDM)结合在一起对有限天线阵列进行分析。faDDM是一种用于快速解算大型相控阵列天线系统的强大技术。faDDM方法可利用阵列的重复结构，为有限阵列提供完整保真度的快速解决方案。设计人员只需确定单元数量与晶格方向，HFSS就能自动生成阵列。使用任意激励对整个结构进行显性分析，就能获得各种可能的波束扫描条件下的边缘效应、互耦关系、方向性系数、增益、电场分布及其它天线参数。
HFSS能够方便查看辐射方向图、单元间耦合矩阵和阵列周边的电磁场。这些功能详见图4所示。
通过ANSYS HFSS中称为“网络数据资源管理器”的功能，增强对复杂散射参数的可视化（参见图5）。颜色编码图便于检查大型阵列上的互耦关系。
为了确保与目标用户设备建立最佳的通信链路，对完整的有限相控阵列天线的波束控制功能进行仿真至关重要。
大部分5G天线系统都包含集成式天线罩，以保护天线免受雨水、结冰或尘土等环境因素的影响。在毫米波频率下，天线罩必须经过精心设计，才能最大限度减轻其对用于区域覆盖的能量的影响。天线罩材料的厚度与毫米波频率下的波长相当，从而增加了天线罩材料中的损耗，并导致与天线系统的不必要的电磁相互作用。
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图8. 天线罩对回波损耗的影响 图9. 有天线罩与无天线罩下的增益图
HFSS 3D组件
图10. 具有天线罩的加密3D组件
5G天线解决方案
采用HFSS中的faDDM方法，将天线罩近似为阵列上方的介质板，就能考虑到天线罩的影响，而且还能在HFSS中准确评估其对远场辐射方向图的影响。此外，还能评估有天线罩时阵列的回波损耗等其它天线参数，如图8所示。仿真预测有天线罩时天线的回波损耗更高。在有天线罩与无天线罩两种情况下阵列的2D远场辐射方向图类似，说明天线罩具有良好的透明度。这些结果能深入研究天线罩的材料、厚度、形状及其对雷达增益产生的影响。为了获得高保真度解决方案，可将构成天线阵列完全网格化模型的显性阵列有限元分析与完全耦合的天线罩仿真结合在一起，通过FEM与矩量法(MoM)或FEM与射线跟踪(SBR)法自动混合求解。这样，ANSYS HFSS中的多个求解器就能对完整天线和天线罩装配体进行高效准确的设计，从而在所有波束控制条件下求得准确的天线射频馈入点和辐射特性。
在天线设计创建完成后，工程师可将设计保存为HFSS 3D组件重复利用。仿真即用型3D组件是ANSYS提供的一项专利技术，能让用户通过供应链交换HFSS 3D模型，同时保护重要的知识产权(IP)。与被交换部件的S参数模型或SPICE模型表达形式显著不同，HFSS 3D组件可为电磁分析提供完全耦合的高保真度模型。
与S参数模型相比，它们具有明显的优势，因为S参数模型只能提供组件的“黑盒子”终端响应。系统集成人员仅需将3D组件添加到更大型的系统设计中，即可对安装后性能进行仿真。例如，天线设计人员可将阵列设计转换成加密的3D组件，以便日后能将其添加到设计平台上，用以评估其安装后的性能。如果原始天线模型设计中包含敏感IP，则加密3D组件能够保护其内部细节。将原始的电磁分析模型封装并加密成仿真即用型3D组件，可对安装后的加密天线模型进行仿真，在保持其准确及完整细节的同时，不必担心泄露敏感IP。用户可对3D组件进行参数化，以使其在平台上自由移动，并计算其在动态仿真环境中的响应。
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5G天线解决方案
TDK、Johansson等器件厂商和开发商可在HFSS中创建3D组件，并将其提供给在更大型系统仿真中使用组件的最终用户，让他们能在目标装配体中定位、微调和匹配3D组件。厂商能通过3D组件开展协作，为其客户提供HFSS仿真即用型模型，通过构建准确的模型来缩短研发周期，让设计一次就能获得成功，从而为客户带来其他竞争对手不具备的优势。3D组件模型不局限于天线，还包括射频连接器或表面安装射频器件等。
电大尺寸问题的全耦合混合算法与共址解决方案
天线与天线罩装配体的性能受其安装平台及其附近结构的耦合影响，需要采用先进的电磁解决方案来研究这种影响。根据问题的类型，设计人员可选择并结合使用各种ANSYS电磁分析求解器：• ANSYS HFSS的FEM求解器可用于求解天线阵 列，结合MoM求解器，可用于求解天线阵列与 天线罩的耦合。• 在较大型电磁分析仿真中，可使用ANSYS HFSS
SBR+评估对主机平台以及对电大尺寸环境的 影响。
因此，设计人员和站点规划人员可结合使用多种数值方法，高效求解这些电大尺寸问题。这些解决方案有助于对安装后阵列的性能进行评估，如图11所示。5G天线系统将集成到现有的基础设施中，在许多情况下需要与现有设备并排安装。此外，5G相控阵列天线还有可能安装在建筑物的侧面或角落处，部署天线的位置影响可使用ANSYS HFSS和ANSYS HFSS SBR+对相关布局进行探索。
图11. 相控阵列天线的安装后性能
图12. 平台影响 + V2X与V2V
图13. 成功的V2X和V2V通信可提升自动驾驶汽车的安全性
此外，在设计相控阵列天线时，还应考虑现实环境的安装挑战。图12和图13所示的是阵列安装在靠近繁忙交叉路口的建筑物上时的无线性能。可通过仿真来评估实时车物(V2X)通信与车间(V2V)通信5G无线环境在繁忙交叉路口的性能。这些解决方案对确保V2X和V2V系统的成功部署从而提高自动驾驶汽车安全性非常重要。
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城市/市区环境中的场景级仿真
图15. 大型城市环境的仿真
图14. 相控阵列天线的远场辐射模式与电场图
5G天线解决方案
图15展示了在28GHz时大型城市环境中的信号传播仿真实例，在这种大型电磁仿真中，ANSYS HFSS SBR+采用射线追踪法为覆盖数万个波长区域中的天线相互作用进行建模。为了对这种大型问题进行求解，可将天线阵列精确分析的HFSS FEM求解器与SBR+中的高频近似方法结合在一起。
这些安装位置仿真可提供下列深度信息：• 天线阵列性能、波束成型、波束扫描及在UE处接收到的信号强度。• 基站间干扰、无意的干扰、其他移动用户、无线产品或其它射频 辐射源引起的外界电磁干扰。
在完成对天线系统安装性能的评估之后，工程师可通过ANSYS的电磁分析求解器对物理环境影响进行评估。由于载波频率高，5G天线阵列系统使用小尺寸的物理天线单元。由大量有源单元构成的多天线阵列可安装在安装基础设施上。
ANSYS电磁分析工具能为基站与移动UE天线之间的物理(PHY)通道的真实相互作用进行建模。这种物理通道既可以是城市地理拓扑，也可以是市区的地理拓扑，其中包括动态和静态单元。
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图16. 在城市环境中基站与多个UE的相互作用。
图17. 自动驾驶汽车的不同位置
5G天线解决方案
ANSYS电磁工具能对28GHz自适应相控阵列天线系统与汽车和多个移动用户设备通信的波束成型性能进行仿真。仿真场景中用户设备与自动驾驶汽车的位置距基站200米到500米不等；每辆车在其大部分行程中都不在阵列的直接视线范围内。仿真过程中将最大比发射(MRT)波束成型算法应用于天线各单元的幅相激励，以保持波束聚焦在移动中的UE上，从而充分利用仿真环境创建的可用仿真路径。在某些情况下，波束可能会指向不直接对准UE的方向；在这些情况下，理想的波束成型是利用其它机会反射路径来最大限度增加UE接收到的信号强度。
图16所示的是仿真城市环境中基站与移动UE相互作用的耦合系数。ANSYS HFSS SBR+仿真可考虑基站与UE间的物理通道中形成的耦合，为通道级预编码计算最优波束控制权重提供所需 的 重 要 特 征 。 通 过 对 物 理 通 道 开 展 H F S S
SBR+分析，站点规划人员能为仿真环境中涉及多通道阵列、多个UE和多个不良射频辐射源的情境评估最优波束控制算法。
应用：城市中的5G仿真和自动驾驶汽车 将5G通信中两种复杂应用与自动驾驶汽车相结合，可在多个层面为通信建模系统增加弹性。
在本应用案例中，我们将重点介绍城市系统环境中ANSYS的5G解决方案功能。
在多径环境中保持与基站间的持续连接，对自动驾驶汽车能否为安全驾驶进行感知、预测并做出相应判断至关重要。
图17显示了电大尺寸的城市场景，其中错综复杂的多径传输效应由ANSYS HFSS SBR+仿真得到。当汽车沿着市内指定的路线行驶时，HFSS SBR+求解器对自动驾驶汽车的天线间的耦
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结论
图18. 天线间耦合
5G天线解决方案
正如本白皮书所探讨的，即将迈入5G时代虽然很激动人心，但是考虑到系统中各处的复杂程度，想要实现这一人类工程可不轻松。本文所描述的解决方案以一系列可靠的ANSYS产品与功能（即ANSYS HFSS与HFSS SBR+）为基础，对天线系统、天线间耦合、信号传输受到的环境影响、以及传统汽车和自动驾驶汽车的V2V和V2X通信进行设计与仿真。
合进行仿真计算。HFSS SBR+采用先进的射线追踪技术仿真构建城市环境中的信号传播模型。
图17顶部图片中射线的不同颜色表示每个射线轨迹区段的跳跃次数的。图18所示的是基站与安装在汽车顶部的移动天线之间的耦合曲线。由于信号传输会发生视线(LOS)阻隔、EM
绕射与多径效应等问题，信号强度因车辆行驶至不同的高楼群而有所差异。
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