Ansys白皮书：如何设计5G无线网络的用户设备天线系统

上海安世亚太公司

本文提供了在Ansys工具上设计5G天线、微蜂窝阵列以及终端设备（UE）的普适仿真技术和工作流程。工作流程包括人机交互，以分析手持UE的有效性并确保UE设计不超出法规要求。

新一代蜂窝无线通信将带来许多创新的、尖端的技术和产品。毫米波（mm-wave）和微波频段的结合，伴随着诸如大规模多输入多输出（MIMO）等先进的空间复用技术，将形成一种称为5G的新蜂窝技术的主干。

向5G的演进将为移动通信网络提供低延迟、高数据速率和更大的信道容量。要实现这一承诺，就需要改造现有网络、建设新的基础设施和开发客户端设备。这些都是重大的变革，而实施这些变革会是困难，昂贵且耗时的。为此，虚拟样机通过仿真可以帮助解决工程难题，实现创新，降低成本。尽管仿真非常重要，但没有太多的工作或文献描述用于创建5G无线设计和系统以及描述端到端无线网络特性的综合建模工作流程。

图1:5G将使一个快速和全新的互联世界成为可能

5G的潜力与挑战

5G将给移动通信带来革命性的变化，其信道容量将提升100倍，峰值数据速率将达到20 Gbps，延迟降低10倍至几毫秒。5G将推动创新，创造令人兴奋的产品和服务，对许多行业产生深远影响。其低延迟和高度可靠的网络对于确保自动驾驶车辆在上路时的安全运行至关重要。除了增强车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）通信的性能外，5G还将推动物联网（IoT）的许多方面发展。其庞大的互联互通和高容量网络可以扩大物联网的范围，以实现智慧城市。

图2:Ansys HFSS:用于无线和电子系统的多功能3D电磁设计和仿真工具

5G将利用毫米波频段，同时通过载波聚合（CA）利用sub-6 GHz的频率。毫米波频段(mm-wave)有其优缺点：它提供大带宽、低延迟、高数据速率和更大的信道容量。然而，在同一无线设备中同时存在多频带射频和数字信号可能会导致射频干扰问题。这些问题可能是由于并置射频系统产生的不必要的带外发射，以及耦合到无线系统的被干扰设备（victim receiver）的数字信号所产生的宽带噪声和谐波造成的。随着越来越多的集成电路IC、片上系统（SoCs）、封装和无线系统集成到单个5G设备上，这些问题可能会变得越来越突出。

利用毫米波的5G网络的设计考虑不仅仅局限于天线、用户设备、微基站和传播信道的性能。他们还应考虑毫米波与人体的相互作用，因为这可能会引起用户设备的潜在生物相容性问题。

由于毫米波频率具有比当前4G频带更短的波长，因此可以增加5G微基站阵列中天线单元的数量，以在相同空间内容纳更多单元。具有更多单元的阵列允许通过空间波束成形能力进行选择性功率传递。毫米波频率还允许使用先进的大规模多输入多输出（MIMO）波束成形技术。也就是说，设计一个大型毫米波阵列从天线，组阵，建模其与天线罩的相互作用以及波束形成的权重矩阵计算等方面都面临着严峻的挑战。

UE和微基站的设计和优化无法单独实现。两者都与通信信道相连，该通信信道定义为UE天线与微基站之间的传播媒介。电磁波在此信道中传播，并在UE和微基站之间传送信号。目前，现有的信道估计技术channel estimation techniques 被用来对微基站和UE之间的信道状态信息（CSI）进行建模和提取。这些估计技术基于理论工作，并使用经验数据进行了检验和验证，这些经验数据已可用于sub-6 GHz的无线通信。对于毫米波信道的特征，当前的估计技术不能不加修改就使用。为了解释毫米波在信号传播通道中由于吸收、阻塞和反射而产生的严重的路径损耗，必须对其进行修正。采用射线追踪技术的仿真工具适用于毫米波在复杂环境中的多次反射、反弹、相位延迟和损耗。射线追踪技术以及统计模型和技术都可以用于计算毫米波的CSI。

终端设备(UE)设计

终端设备涵盖了广泛的无线消费电子设备。典型的UE示例是智能手机，平板电脑，医疗设备和智能手表或任何物联网设备。本文讨论的UE是一款智能手机。除了上一代无线技术(4G LTE和更早的技术）外，5G手机还需要在新的毫米波和sub-6 GHz 的5G频段运行。智能手机必须容纳多个天线，以便能够提供GPS，GSM和LTE服务。

图3:典型智能手机的虚拟样机的内部细节

为了增强覆盖范围并提供可靠的无线通信，智能手机通常采用空间分集方案 spatial diversity scheme，在手机的不同边缘/角落放置多个天线。为了利用空间分集方案，5G智能手机通常有一组在物理上彼此分离的天线。图3展示了一个典型智能手机的虚拟样机的内部细节。

Sub-6 GHz集成天线设计

Ansys HFSS为LTE，4G，GSM和GPS服务提供sub-6 GHz集成天线的系统工作流程。三种类型的天线被设计为在GSM900，Wi-Fi，LTE2100，2300，GPS，GSM1800和LTE2500频段上运作。

图4:最终天线设计的回波损耗曲线

根据经验法则，我们为每个天线建立了一个初始的3D模型。选择了三种天线类型:平面倒F天线(PIFA)、T形单极子天线和3D叶片单极子天线。每个天线都在HFSS中独立分析、调谐并集成到手机中。然后仿真模拟整个装配。正如预期的那样，将天线集成到手机模型中会影响它们的性能。

为了获得所需的天线增益和输入阻抗，对三种天线同时采用实验设计(DoE)方法。根据结果，从对期望输出影响最大的变量创建一个狭窄的搜索区间。调用优化算法在区间中搜索并找到变量的最佳组合。图4显示了最终天线设计的回波损耗曲线。计算得到的反射系数和实现的增益在相应的曲线图中显示出来。图4和图5（下）显示了不同频率下实现的峰值增益值和辐射模式。

用于UE的集成毫米波阵列  

采用类似的工作流程（如sub-6 Ghz天线所述）来设计集成毫米波阵列。该阵列的目标频段为26-28.5GHz。这些频率属于考虑用于5G的ka波段毫米波子波段（波段n257，n258，n260和n261)。毫米波阵列的每个元件是一个微带贴片，带有两个探针馈电probe feeds。基板（衬底）厚度为1.376 mm，基底材料为Roger RT/Duroid 5870（介电常数=2.33，介电损耗正切=0.0012）。为了提高工作带宽，增加了无源寄生叠加贴片。该模型的设计工作频段为26.5ghz-28.8ghz。

 

每个微带贴片元件有两个馈电，支持垂直（V）和水平（H）极化。每个天线都可经过优化后在定义的频段上工作，且具有小于-10dB（S11<-10dB）合理的回波损耗。在沿直线连续放置各个天线时，生成阵列。然后将阵列集成到手机中。在设计的各个阶段，从最初的单元到阵列，最后集成到手机上，正确调谐天线是很重要的。调谐天线和阵列可以提高效率，并确保设备及其外壳内的电子设备不会降低阵列的性能。

图5:带有辐射模式的手机

为了使整个仿真自动化，将使用Python脚本的GUI(或ACT)扩展集成到Ansys Electronics Desktop中。该扩展在电子桌面Electronics Desktop中添加了5G向导工具包，用以加载HFSS设计，并通过纯文本文件（*.CSV）导入所有馈电数据。该工具包是便捷的，因为它使所有的激励自动分配给天线元件。它还可以方便地计算每个波束ID阵列的辐射图。此外，它有助于在HFSS中自动计算设计的累积分布函数（CDF）和功率密度值。

图6:显示了最终设计的一部分

图7:显示了阵列在垂直极化激励下的反射系数

波束码本

为了补偿毫米波的路径损耗的严重性，重要的是在预期方向上最大化波束成形，以便在UE和微小区之间建立和维持稳定的通信链路。较小的波长可使毫米波阵列被显著缩小以适合UE内部。用不同的幅值和相位激励阵列的元件以产生不同的波束方向。通过在元件之间创建线性渐进相移，主光束从宽边（元件之间为零相移）向端射扫描（元件之间为180度相移）。这种波束成形能力增加了阵列的增益，并使波束能聚焦在所需的方向上，以克服传播损耗。该阵列的波束导引能力可进行更大范围被扫描，从而改善传输和/或信号接收。

 

由一组波束ID或码字组成的标准波束码本可用于给定的天线配置。一个码字可以是一组以其幅度和相位表示的激励的复值。表1是4x1阵列设计的一个简单的码本示例。可以将不同格式的码本导入HFSS。基于波束ID, HFSS中的编辑源对话框中的参数被更新，以反映阵列元素的激励。然后计算每个波束的全波辐射模式。这样就可以检查验证码本的性能和准确性，而不需要对每个波束位置重复进行电磁仿真。

图8

功率密度

 

任何无线消费电子设备都必须遵守各种准则，满足FCC或欧盟监管标准和规则，以确保用户安全。例如，FCC要求在sub-6 GHz频段工作的器件，其电磁波吸收比值(SAR)要低于规定值，以限制对用户的射频RF暴露。在毫米波波段，波能主要集中在表面（由于趋肤效应 skin effect），这些器件的功率密度是更合适、常用的指标，且符合FCC法规的。使用Electronics Desktop中的Ansys 5G向导，根据以下公式计算选定表面的每个波束ID对应的功率密度(PD):

累积分布函数

 

3GPP作为5G标准化机构，规定了手持UE的最小峰值等效各向同性功率(EIRP)要求。

定量地说，EIRP用实现的阵列增益表示如下：

EIRP = P^inc .G_realized(_w_Cf e_/(p)

其中P inc是提供给阵列元件的总入射功率。由表达式可知，对实现增益的优化与对EIRP的优化相同。这里，为了简单起见，入射功率是标准化的。

 

在给定的θ和∅方向上，Grealized是数组在码字集Wc上的最大增益值。换句话说，Grealized是表示所有波束的峰值增益的聚合增益模式。这是阵列将在任何给定方向上提供的最大增益，与驱动部署在现场的天线阵列的电子设备将选择的码字相对应。

3GPP标准规定了5G UE（功率等级3）在UE周围的整个3D球体上CDF的百分位（例如，50%或a＝0.5）的球形覆盖要求。CDF的定量定义如下：

其中，l l (.)是标识函数，如果参数的逻辑为真，则返回输出处的参数，否则返回0。换言之，如果Grealized小于或等于a，则函数l l (.) 返回。否则，函数l l (.) 返回0。

图9:功率密度图(W/m2) @距离设备的5mm偏移量

图10:为嵌入手机机身的毫米波阵列所设计的辐射增益图(线性尺度)。两个不同的波束ID或码字，在28 GHz (a)宽侧8 dB实现增益，(b)宽侧20度6.5 dB实现增益。

图11

分析人工交互

UE设计的最后一部分围绕着人机交互以及对天线性能和效率的影响进行分析。

图12:与典型5G UE毫米波阵列的人机交互，(a)远场，(b)近场（在Ansys HFSS中仿真）

Ansys HFSS有一个用于手持设备的分析的人体模型库。手形模型也可以从其他CAD工具（如Ansys SpaceClaim或3D图形工具集）导入到HFSS中。HFSS拥有丰富的材料属性库，非常适合模拟人体及其组成。例如，在HFSS中，使用诸如皮肤，脂肪，骨骼等材料，对人体进行显试建模。

为了了解人机交互的影响，对手持智能手机的设计进行了仿真。分析提供了手的位置，放置及其附近对毫米波阵列近场和辐射远场的影响的见解。图12显示了将手机保持在两个不同位置时的分析结果。当手部靠近阵列时，辐射方向图会受到影响。结果描述了在UE设计中使用分集阵列以提高性能的重要性。用户设备设计的最后一部分围绕着分析人与设备的交互作用以及对天线性能的影响。

总结

本文描述了5G的潜力及其挑战，强调5G终端用户设备的精确设计与仿真至关重要。本文描述了工程师设计5G终端用户设备、改善其电磁性能以及评估人机交互的工作流程。仿真结果表明，在Ansys HFSS上进行设计，提高了系统的性能和效率。正如文中明确指出的那样，UE和微基站(或宏基站)的设计和优化不能在孤立的情况下实现。它们依赖于UE与微基站之间的通信信道。