5G | 设计、测试和部署低成本且高性能的天线

本文原刊登于Ansys Blog：《Design, Test, and Deployment of 5G Networks With Cost and Performance Targets》

作者：Laila Salman博士 | Ansys首席应用工程师

编辑整理：肖运辉 | Ansys高级技术经理

大多数关于5G的讨论都集中在技术标准的非凡能力以及对用户的潜在优势上，比如新技术的带宽和范围将如何提供强大的功能和内容等。然而，这类报道避之不谈的是，设计团队在试图实现该标准所暗含的承诺目标时，必须先探索无数的工程难题。

服务提供商必须提供满足客户对服务质量和功能的期望所需的性能水平。与此同时，他们还需要提供对用户极具吸引力的定价，以保持竞争力。多重市场压力产生了总体拥有成本（TCO）这一概念，服务提供商必须能够满足该标准才能生存。TCO可通过两大类别的多个关键绩效指标（KPI）来衡量：技术能力，即覆盖范围、容量、MIMO性能，和产品使用寿命，即长期可靠性、功耗以及整体重量。

这些KPI已成为开发5G网络设备下游系统企业的必备要求，涉及的设备包括：基站和更小的蜂窝基站（Metrocell、Microcell、Femtocell和Picocell）及其相关的天线阵列。反过来，这些系统企业针对他们开发的通信节点将KPI分解为详细的规范，这些节点实际是指天线、印刷电路板（PCB）上的支持电路以及包含PCB和天线的盒子或外壳。

毋庸置疑，关键组件是天线。系统设计中的其他所有部分都需要符合其要求并依赖于它。让我们详细了解一下5G系统设计团队在开发最佳天线时所面临的挑战。

使用Ansys HFSS对5G波束控制装置（BSU）天线进行电磁仿真

从事5G天线设计的工程师最关心的问题可分为三大类：设计、验证和测试以及部署。然而，这些类别的工作并不是独立存在的，而是相互依赖的。

5G将推动多用户多输入多输出（MU-MIMO）阵列提高到新的功能水平。然而，设计这种能够满足网络要求的天线的过程中，充满了“危险”。辐射单元必须在其给定的物理孔径下达到最佳性能，覆盖其指定的广播范围和用户负载，精确支持多种带宽，正确形成波束，并支持固定卫星服务（FSS）、自适应调制和编码（AMC，有时被称为链路自适应）等带宽效率功能。与此同时，设计人员必须解决由天线工作引起的任何耦合效应，以及识别和补偿随机效应或其他信号损耗来源，如阻抗不匹配、射频干扰（RFI）等。创建这种复杂的组件需要设计人员具备一定的灵活性、适应性和实验技巧。

使用Ansys HFSS的5G MIMO辐射单元

在系统的预期使用寿命内，多种因素使天线完整功能的验证变得复杂。该验证的一部分涉及系统本身的基本运作；这不仅包括天线，还包括其支持电路组件和电路板。然而，更紧迫的挑战因素是工作环境对天线和整个系统的影响，包括风、雨、雪、冰、静电积聚、酷暑和严寒、灰尘、冰雹、沙尘暴、雷击等。

更糟糕的是，这些影响还会相互叠加。信号传导或天气因素产生的热量会使组件膨胀，从而产生机械应力并反馈到传导性。风则会使天线形状发生变形，从而影响信号环境。随着时间的推移，系统的重量也会影响其可行性。

设计人员可采用多种方法来解决这些问题来源。重量是天线和系统的一大设计限制，而风载荷估计值将成为进一步的约束条件。电源管理方案可以推迟芯片、电路板和系统级的故障发生时间（TTF）。从可靠性角度，可以估计出大量变量，例如组件和电路板可靠性、功耗、备用电源周期、工作频率、传播效应、对数据覆盖和干扰的热/电热效应以及电气性能漂移——即使有环境、电源和性能“情况”作为约束，也是如此进行估计。

遗憾的是，上述方法也不利于及时完成设计和部署。它们最终会成为通过实验进行设计优化的障碍，因为每次迭代都必须重复（至少部分重复）测试和验证工作。

当完成部署后，整个网络预计将能够可靠地工作并按需执行规范——包括支持各种用户平台，高效且最大限度地使用带宽和信道、高信号强度、最高的数据速率以及最小的信号延迟。然而，太多因素阻碍了这些目标的实现。

用户负载具有广泛的可变性和动态性；基站、低层级蜂窝基站和用户平台之间存在天线交互的风险；传播环境本身也存在许多潜在问题，因为它是有源的。此外，城市环境中存在的物理障碍可能会吸收或偏转传输信号，造成死区、信号中断和传播延迟。甚至现有的基础设施，也会给有效的蜂窝基站部署带来问题。

而服务提供商希望系统企业开发出能够解决上述所有问题的蜂窝基站和天线。无论环境如何，他们都希望5G硬件能够为其客户提供低成本、高质量的通信和数据服务。

Ansys HFSS与城市5G网络

Ansys在多物理场计算领域有50多年的发展历史，可提供广泛而深入的丰富仿真技术。Ansys HFSS可提供多种求解器和数值方法，支持从离散组件和封装芯片到整个飞机和城市无线网络（从微观到宏观）等电磁现象的建模和仿真。其包括有限元法、矩量法和SBR求解器；3D组件库和布局功能；自适应网格划分；以及域分解。

HFSS的重要亮点是其独特的网格融合功能，它能够以数学精度捕获几何结构（无论大小），同时不会相应产生估计误差或折衷误差。利用网格融合功能，可以将庞大而复杂的对象包含在统一的模型中，从而获得业界认可的黄金标准精度进行仿真。

HFSS可与许多其他Ansys仿真工具结合使用。这些仿真器结合在一起时，能够在每个物理维度（机械、热、结构和电磁）对5G网络及其所有组件进行建模和仿真，从而为高复杂性、高功能产品和系统的虚拟原型开发提供真正的多物理场计算支持。

上述所有功能可共同支持开发和部署5G无线网络的严格要求。在天线设计层面，仿真工具和工作流程可指导设计人员在频率、天线配置和材料方面找到最佳解决方案。可以跨多个参数（如数据速率、容量、吞吐量、延迟、连接和覆盖范围）进行设计优化和动态精细调节，同时保持创新和快速迭代实验的能力。这使得Ansys能够提供独特的仿真能力，以支持大规模MU-MIMO天线阵列的设计。

此类仿真还可以考虑这些系统的结构、热和电气完整性的所有环境影响。您甚至可以跳过风洞试验——可实现对天线变形和故障以及结构载荷的机械应力的详细仿真。

网络节点的理想布局和操作完全可以根据仿真结果进行规划。可控波束能够与可调宽度和功率等级一起建模。此外，您还可以对信号进行3D分析，以缓解来自城市地区复杂射频（RF）环境的潜在问题，以及多路径传播、反射、吸收、阴影、堵塞区域和死区等危害。蜂窝基站/节点布局可进行规划，以便理想地适应或利用现有基础设施。系统的尺寸、重量、功耗与成本（SWAP-C）对网络部署的影响可针对所有因素进行优化，同时考虑在各种潜在环境压力下的性能和耐用性。

得益于通过工作流程自动化实现的快速运行时间，仿真可以根据几何结构和区域的变化进行扩展。此外，Ansys仿真器还为分布式计算提供广泛的支持，从而能够并行计算并高效地使用系统内存资源。

将多物理场仿真作为5G系统设计、可靠性评估和节点部署方法的重要组成部分具有诸多优势，这源自于Ansys工具能够对开发的各个方面进行虚拟原型设计。如果构建物理原型来测试功能、可靠性和无线（OTA）操作，这不仅耗时，而且成本高昂。通过虚拟化的方式开展关于设计选择和功能增强的实验基本上没有风险，同时还可以减少开发时间和成本，最终帮助设计团队比竞争对手更快地发布出色产品。