“在家不能沒(méi)網(wǎng)絡(luò)，出門(mén)必須帶手機(jī)”，已經(jīng)成為現(xiàn)代人生活的共識(shí)。人們?cè)谙硎芡ㄐ偶夹g(shù)帶來(lái)的極大便利的同時(shí)，也對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)提出了更高的要求，希望其更高速、更強(qiáng)大、更便捷。于是在過(guò)去的二十年里，從只能使用2G網(wǎng)絡(luò)與朋友QQ聊天到4G直播，我們見(jiàn)證了移動(dòng)通信從1G到4G LTE的發(fā)展。這個(gè)過(guò)程中，通信的關(guān)鍵技術(shù)在持續(xù)改變，處理的信息量也成倍增長(zhǎng)。而天線(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)這一跨越式提升不可或缺的組件。
一、5G時(shí)代需要陣列天線(xiàn)
通俗地說(shuō)，天線(xiàn)就是一個(gè)“轉(zhuǎn)換器”，把傳輸線(xiàn)上傳播的導(dǎo)行波，變換成在自由空間中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。無(wú)論是基站還是移動(dòng)終端，天線(xiàn)都充當(dāng)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的中間件角色。
隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，各大運(yùn)營(yíng)商也正在積極地部署5G設(shè)備。5G能夠提供比4G快10倍的傳輸速度，而實(shí)現(xiàn)高速率的關(guān)鍵是毫米波以及波束成形技術(shù)，這對(duì)天線(xiàn)系統(tǒng)也提出了新的要求。
圖1 天線(xiàn)的作用
我們知道，在移動(dòng)通信中，更高的頻率→更大的帶寬→更快的速度，目前主流的4G LTE，屬于超高頻和特高頻，對(duì)應(yīng)波段為分米波和厘米波，毫米波波長(zhǎng)則更短。而電磁波波長(zhǎng)越短，繞射能力就越差，且傳播過(guò)程中的衰減也越大。為解決這個(gè)問(wèn)題，覆蓋同一區(qū)域，5G需要的基站數(shù)量將大大超過(guò)4G。
圖2 4G、5G需要的基站數(shù)量對(duì)比圖
在高頻率的前提下，為減輕覆蓋方面的成本壓力，5G需要使用微基站。微基站，即幫助發(fā)送毫米波的一系列微型信號(hào)塔，以便躲避正常情況下會(huì)阻擋毫米波的物體，時(shí)刻保持網(wǎng)絡(luò)的正常連接。
根據(jù)天線(xiàn)特性，天線(xiàn)長(zhǎng)度應(yīng)與波長(zhǎng)成正比。頻率越高，波長(zhǎng)越短，天線(xiàn)也就跟著變短。毫米波，天線(xiàn)也變成毫米級(jí)。這就意味著，天線(xiàn)完全可以塞進(jìn)手機(jī)里面，甚至可以塞很多根，基站則更多。5G時(shí)代，天線(xiàn)將不是按根來(lái)計(jì)算，而是按“陣”——陣列天線(xiàn)。
由于微基站要求配備比現(xiàn)有數(shù)量多10倍的天線(xiàn)，為限制干擾，就需要用到波束成形技術(shù)。在基站上布設(shè)陣列天線(xiàn)，通過(guò)對(duì)射頻信號(hào)相位的控制，使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄，并指向它所提供服務(wù)的手機(jī)，而且能跟據(jù)手機(jī)的移動(dòng)而轉(zhuǎn)變方向。這種空間復(fù)用技術(shù)，由全向的信號(hào)覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(wù)，波束之間不會(huì)干擾，在相同的空間中提供更多的通信鏈路，極大地提高基站的服務(wù)容量。
二、陣列天線(xiàn)的兩大趨勢(shì)
1.從無(wú)源陣列天線(xiàn)到有源陣列天線(xiàn)系統(tǒng)
按照天線(xiàn)陣元是否有發(fā)射機(jī)，將相控陣列分成兩種形式：無(wú)源相控陣列（整個(gè)天線(xiàn)共用一個(gè)發(fā)射機(jī)）和有源陣控陣列（每個(gè)或每組天線(xiàn)陣元共用一個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）。由于設(shè)備小型化、集成化、靈活性是系統(tǒng)發(fā)展的永恒主題，相較于無(wú)源陣列天線(xiàn)，有源陣列天線(xiàn)將是5G通信的必然選擇。
這也意味著陣列天線(xiàn)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)智能化、小型化（共設(shè)計(jì)）、定制化。因?yàn)槲磥?lái)的網(wǎng)絡(luò)會(huì)變得越來(lái)越細(xì)，我們需要根據(jù)周?chē)膱?chǎng)景來(lái)進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì)，例如在城市區(qū)域內(nèi)布站會(huì)更加精細(xì)，而不是簡(jiǎn)單的覆蓋。5G通信將會(huì)應(yīng)用高頻段，障礙物會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生很大的影響，定制化的陣列天線(xiàn)可以提供更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。
2.陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化和復(fù)雜化
5G通信中，對(duì)陣列天線(xiàn)提出了諸多挑戰(zhàn)：高度集成化大規(guī)模天線(xiàn)系統(tǒng)的體系架構(gòu)；小型化天線(xiàn)單元及射頻集成化的研制；信號(hào)同步；各種預(yù)編碼和方向圖成形的精確算法；高度集成后系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性等。
例如波束陣列(實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用)、多波束以及多/高頻段。這些都對(duì)陣列天線(xiàn)提出了很高的要求，它會(huì)涉及到整個(gè)系統(tǒng)以及互相兼容的問(wèn)題，在這種情況下陣列天線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)超越了元器件的概念，逐漸進(jìn)入了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文以波導(dǎo)縫隙陣列天線(xiàn)為例，帶大家了解陣列天線(xiàn)的仿真技術(shù)。
三、波導(dǎo)縫隙陣列天線(xiàn)的仿真技術(shù)
波導(dǎo)縫隙陣天線(xiàn)具有口面場(chǎng)分布容易控制、陣列天線(xiàn)口徑效率高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、重量輕、體積小、功率容量高、強(qiáng)度高、安裝方便、便于實(shí)現(xiàn)高增益等優(yōu)點(diǎn)，且容易實(shí)現(xiàn)窄波束、低副瓣乃至超低副瓣，所以波導(dǎo)縫隙陣列天線(xiàn)己經(jīng)成為新型雷達(dá)中陣列天線(xiàn)的優(yōu)選形式，被廣泛應(yīng)用于氣象、導(dǎo)航、機(jī)載、艦載、彈載雷達(dá)和通訊領(lǐng)域。
波導(dǎo)縫隙陣列天線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)工藝都達(dá)到了相對(duì)成熟的解讀，這其中各種電磁仿真軟件功不可沒(méi)。本文利用LEO電磁仿真分析軟件，針對(duì)波導(dǎo)縫隙陣列天線(xiàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真，仿真結(jié)果很好地滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。
1.仿真模型
圖3 仿真模型
2.計(jì)算方法
采用高階矩量法精確算法；計(jì)算頻率：10GHz。
3.仿真結(jié)果
3.1 仿真3D結(jié)果
圖4 仿真3D
3.2 與HFSS仿真2D結(jié)果對(duì)比
圖5 XOY面方向圖
（HFSS_0.01表示精度為0.01時(shí)的計(jì)算結(jié)果）
本案例采用獨(dú)特的電磁算法，對(duì)波導(dǎo)縫隙陣列天線(xiàn)進(jìn)行仿真分析，并與HFSS仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，表明在保持計(jì)算效率的同時(shí)也可以保持良好的計(jì)算精度。
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本文標(biāo)題：陣列天線(xiàn)新趨勢(shì)和仿真案例分析
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