5G仿真解决方案 | 非规则阵列天线仿真新突破
笔者在9月通过ANSYS中国官方**发布了5G仿真解决方案之相控阵仿真技术详解 ，主要介绍了相控阵的仿真方法及各种方法的特点，其中就提到了有限大阵仿真方法 (Finite Array Domain Decomposition Method)。本文将介绍HFSS最新发布2019R3版本中新一代的有限大阵方法—基于3D 组件的有限大阵。
阵列天线的应用趋势
阵列规模越来越大
5G通信中的关键技术之一Massive MIMO技术，就是通过增加基站天线集成的单元数目（64个、128个或者更多），从而实现增加信道容量。
军事上应用广泛的相控阵雷达，根据不同的应用场景，有的型号其单元数量可能会达到成千上万个单元。
阵列构成越来越复杂
5G天线系统在朝着小型化和集成化的方向发展，这意味着越来越多的天线单元会集成到越来越小的体积内。比如基站天线，多个频段辐射单元的集成，形成了高中低频单元嵌套的阵面结构，使得阵面的构成越来越复杂。
另外，同频单元也会由于各种原因导致结构略有差异，比如部分单元需要增加引向器，部分单元需要增加寄生隔离部件等等，而这些部件的增加都会使得阵列失去周期性。
在5G毫米波频段的天线设计中，天线可能会以AIP/AoB的形式出现，这种类型的天线设计使得天线模组变得非常紧凑和小巧，但是带来的问题是天线阵列馈电网络的布线变得非常复杂，并且由于空间受限，网络间的互耦必须提前考虑。这种情况下在天线设计阶段就需要考虑部分的馈电网络，尽可能的通过电磁场仿真手段优化和减少互耦带来的影响。馈电网络由于走线的考虑，使得不同位置的单元馈电网络会略有不同，这也使得天线阵列失去了严格的周期性。
阵列天线仿真的困境
阵列构成复杂且规模巨大，建模和网格剖分困难
规模庞大阵列建模，会导致建模过程复杂，软件渲染困难，影响仿真效率。仿真结果的精度直接由网格质量决定，如果需要得到高精度的仿真结果，势必需要对模型进行精确的网格剖分和细化加密，而规模巨大的阵列天线模型将会导致网格剖分十分困难，并且十分耗时。
海量计算导致求解困难
当完成了网格剖分后，由于具有海量的网格数量，会导致同样海量的未知量，使得求解过程也变得异常缓慢，需要耗费巨大的计算资源。
目前的解决方法
HFSS中阵列天线的仿真方法，以上笔者也提到已在《5G仿真解决方案|相控阵仿真技术详解》一文中有过详细的探讨，此处不再赘述。
从之前的讨论中我们不难发现，对于完全周期性的阵列天线，HFSS的有限大阵（FADDM）能够高效精确的处理和求解。一旦阵列不能严格满足周期特性，有限大阵方法便无能为力了。
然而，在阵列天线的设计中，不完全符合周期特性的情况非常普遍。比如为了获得更好的辐射特性，阵列设计常采用多种类型的单元混合组阵；比如由于不同加载部件或调试等原因导致阵列单元略有差别；比如板状天线，辐射单元的排布满足周期特性，但反射板的形状又破坏了周期特性，等等。对于此类不能严格满足周期特性的阵列天线，我们往往只能采用传统的仿真方法，对复杂模型进行完整建模和网格剖分，对海量网格进行计算。
那么有没有一种能够实现非周期性阵列天线高精度快速计算的方法呢？
答案就是基于3D组件的有限大阵技术！
基于3D组件的有限大阵技术
基于3D组件的有限大阵列仿真方法是ANSYS HFSS 2019 R3中引入的一种新的、有效的基于迭代域分解的阵列仿真技术，可用于对具有不相同单元的有限周期结构进行建模。
什么是3D组件(3D Component)？
3D组件是独立的HFSS模型。它们可能包含以下任何或所有的属性：几何，材料属性，激励，边界条件，网格操作，相对坐标系和变量。3D组件的文件格式为.a3dcomp。将3D组件放入设计时，它们将显示在“历史记录树”的顶部。每个组件都有自己的实体，表格，坐标系和平面列表。当多次使用相同的组件时，实例组合在一起。
通过3D 组件可以方便的实现HFSS模型的加密。应用密码保护的功能加密3D组件文件可以隐藏3D组件中各种几何形状，编辑和修改3D组件也需要输入密码才被允许，因此可以通过这种方法自由地共享模型而不会泄露任何信息。
3D组件的模型装配功能对于管理复杂模型有很大的好处，它提供了一种新的途径，使得工程师在与其他人协作时不需要创建每个组件就可以很好地预测系统的性能。例如，在HFSS中设计一个反射面天线时，可以通过导入喇叭天线组件和反射器组件，进行装配实现建模。这样就可以使得工程师的注意力更多的放在设计上。另外，通过3D组件装配而成的模型，在求解过程中可以实现网格装配的功能，即每一个3D组件本身的网格是独立剖分，并且在组件之间的相对位置发生变化时，不需要重新剖分网格，只需要重新求解场即可。这种网格装配的功能在接下的基于3D组件的有限大阵中也有应用。
基于3D组件的有限大阵
基于3D组件的有限大阵列仿真方法能够实现对非周期的阵列天线进行快速建模仿真。将阵列中不同的单元分别打包成3D组件，然后再根据阵列排布进行阵列创建，实现非规则阵列的有限大阵快速求解。
其主要原理大致如下：
在建模时，首先将阵列中不同结构的周期性单元分别创建为3D组件，然后利用这些组件去进行阵列的构建。此过程和利用3D组件做模型装配类似，只是由于不同结构的单元在阵列中存在一定的周期性，可以利用阵列蒙版进行阵列的构建，所以创建的模型实际是复用了已有的3D组件，从而就减轻了软件模型渲染的压力。
在网格剖分时，是仅针对阵列模型中数个结构不同的3D组件进行网格剖分，然后再复用到其他相同的单元，从而极大的缩减了大规模阵列网格剖分的时间。
在求解时，阵列模型会自动把各个单元看作是一个个独立的子域，进行并行计算，提高求解效率。
所以整体上基于3D组件的有限大阵方法是3D组件的网格装配技术和传统有限大阵方法的结合，既有3D组件网格装配的网格复用功能，又有传统有限大阵的并行求解速度。从而实现了对具有不相同单元的有限周期结构进行建模，这种新的仿真技术可以缩短内存使用量，缩短仿真时间，并且可以利用共享内存来利用分布式计算资源。
当然，进行基于3D组件的有限大阵仿真，对于单元也有一些要求：
单元格被定义为3D组件
单元格边界框的尺寸是相同的
主单元和从属边界定义在单元的表面上
在求解过程中，HFSS在单位单元之间创建非共形网格接口，从而减少了内存占用并提高了仿真性能。
下图是一个包含两个不同极化子阵的天线阵列，另外每个子阵外围还有部分空白基板区域。其中水平极化子阵单元和垂直极化子阵单元的馈电位置不同。
要对这样的模型进行基于3D组件的有限大阵建模，首先需要将整个模型分成三种周期性单元，分别是空白基板部分，水平极化子阵的贴片单元和垂直极化子阵的贴片单元。
接下来就可以按照原来阵列的布局进行阵列建模，整个建模过程完全基于有限大阵的蒙版。
完成建模后，便可以进行仿真。整个仿真过程也采用了网格复用技术和区域分解技术，加速了整个求解过程。
完成求解后，与全阵建模一样，也可以任意编辑单元的幅度相位进行后处理。
水平极化和垂直极化切面方向图的仿真结果
其中一个极化工作时的天线场分布情况
随着ANSYS 2019 R3版本的正式发布，基于3D组件的有限大阵技术的详细流程以及操作手册也陆续整理完毕，大家可通过以下链接进行下载。也请大家持续关注继本期“非规则阵列天线仿真新突破”之后即将推出的一系列5G仿真解决方案的深度技术专题！
