“在家不能沒網(wǎng)絡(luò)，出門必須帶手機(jī)”，已經(jīng)成為現(xiàn)代人生活的共識。人們在享受通信技術(shù)帶來的極大便利的同時，也對移動互聯(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，我們見證了移動通信從1G到4G LTE的發(fā)展。這個過程中，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。而天線，是實現(xiàn)這一跨越式提升不可或缺的組件。

一、5G時代需要陣列天線

    通俗地說，天線就是一個“轉(zhuǎn)換器”，把傳輸線上傳播的導(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。無論是基站還是移動終端，天線都充當(dāng)發(fā)射信號和接收信號的中間件角色。

    隨著5G時代的來臨，各大運(yùn)營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，而實現(xiàn)高速率的關(guān)鍵是毫米波以及波束成形技術(shù)，這對天線系統(tǒng)也提出了新的要求。

圖1 天線的作用

    我們知道，在移動通信中，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，對應(yīng)波段為分米波和厘米波，毫米波波長則更短。而電磁波波長越短，繞射能力就越差，且傳播過程中的衰減也越大。為解決這個問題，覆蓋同一區(qū)域，5G需要的基站數(shù)量將大大超過4G。

圖2 4G、5G需要的基站數(shù)量對比圖

    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塔，以便躲避正常情況下會阻擋毫米波的物體，時刻保持網(wǎng)絡(luò)的正常連接。

    根據(jù)天線特性，天線長度應(yīng)與波長成正比。頻率越高，波長越短，天線也就跟著變短。毫米波，天線也變成毫米級。這就意味著，天線完全可以塞進(jìn)手機(jī)里面，甚至可以塞很多根，基站則更多。5G時代，天線將不是按根來計算，而是按“陣”——陣列天線。

    由于微基站要求配備比現(xiàn)有數(shù)量多10倍的天線，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，通過對射頻信號相位的控制，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)的移動而轉(zhuǎn)變方向。這種空間復(fù)用技術(shù)，由全向的信號覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(wù)，波束之間不會干擾，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、陣列天線的兩大趨勢

    1.從無源陣列天線到有源陣列天線系統(tǒng)

    按照天線陣元是否有發(fā)射機(jī)，將相控陣列分成兩種形式：無源相控陣列（整個天線共用一個發(fā)射機(jī)）和有源陣控陣列（每個或每組天線陣元共用一個發(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，相較于無源陣列天線，有源陣列天線將是5G通信的必然選擇。

    這也意味著陣列天線可能會實現(xiàn)智能化、小型化（共設(shè)計）、定制化。因為未來的網(wǎng)絡(luò)會變得越來越細(xì)，我們需要根據(jù)周圍的場景來進(jìn)行定制化的設(shè)計，例如在城市區(qū)域內(nèi)布站會更加精細(xì)，而不是簡單的覆蓋。5G通信將會應(yīng)用高頻段，障礙物會對通信產(chǎn)生很大的影響，定制化的陣列天線可以提供更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

    2.陣列天線設(shè)計的系統(tǒng)化和復(fù)雜化

    5G通信中，對陣列天線提出了諸多挑戰(zhàn)：高度集成化大規(guī)模天線系統(tǒng)的體系架構(gòu)；小型化天線單元及射頻集成化的研制；信號同步；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(實現(xiàn)空分復(fù)用)、多波束以及多/高頻段。這些都對陣列天線提出了很高的要求，它會涉及到整個系統(tǒng)以及互相兼容的問題，在這種情況下陣列天線技術(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。本文以波導(dǎo)縫隙陣列天線為例，帶大家了解陣列天線的仿真技術(shù)。

三、波導(dǎo)縫隙陣列天線的仿真技術(shù)

    波導(dǎo)縫隙陣天線具有口面場分布容易控制、陣列天線口徑效率高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、重量輕、體積小、功率容量高、強(qiáng)度高、安裝方便、便于實現(xiàn)高增益等優(yōu)點，且容易實現(xiàn)窄波束、低副瓣乃至超低副瓣，所以波導(dǎo)縫隙陣列天線己經(jīng)成為新型雷達(dá)中陣列天線的優(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)縫隙陣列天線的設(shè)計方法和生產(chǎn)工藝都達(dá)到了相對成熟的解讀，這其中各種電磁仿真軟件功不可沒。本文利用LEO電磁仿真分析軟件，針對波導(dǎo)縫隙陣列天線進(jìn)行了設(shè)計仿真，仿真結(jié)果很好地滿足了設(shè)計要求。

    1.仿真模型

圖3 仿真模型

    2.計算方法

    采用高階矩量法精確算法；計算頻率：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)果對比

圖5 XOY面方向圖

（HFSS_0.01表示精度為0.01時的計算結(jié)果）

    本案例采用獨特的電磁算法，對波導(dǎo)縫隙陣列天線進(jìn)行仿真分析，并與HFSS仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，表明在保持計算效率的同時也可以保持良好的計算精度。

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本文標(biāo)題：陣列天線新趨勢和仿真案例分析

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