为 5G 应用设计天线阵列和 MIMO 系统

在本文中，我们将介绍有限阵列仿真技术的最新进展——3D 组件阵列域分解方法 (3DCA-DDM)。这项新技术使工程师能够对包含非相同单元的有限（半）周期结构进行建模。同时，与模拟 FADDM 或显式阵列相比，它有助于加快模拟时间并减少内存使用量。

天线阵列和未来

大规模MIMO是5G通信系统的关键技术，其概念是增加基站阵列中的天线数量（64、128或更多），以实现更大的信道容量。在相控阵雷达应用中，阵列中的天线数量可以达到数百甚至数千个。

如今，5G 无线系统变得越来越小巧紧凑，这意味着许多天线阵列元件将装入小型设备中。例如，基站设计为具有多个频段，天线阵列设计则归因于高频和低频元件。

问题：有没有方法可以模拟具有非相同单元格的天线阵列结构？

答案：是的，ANSYS HFSS 中的 3D 组件阵列域分解方法！它与模拟显式模型一样准确，但时间和内存更少！

三维元件阵列区域分解方法

3DCA-DDM 是 ANSYS HFSS 2019R3 中引入的一项突破性新功能，用于对包含非相同单元格的有限（半）周期结构进行建模。

1.什么是3d组件？

3D 组件是一个独立的 ANSYS HFSS 模型，可以创建并集成到更大的组件中。3D 组件模型包含所有相关信息：几何形状、材料、边界条件、设计参数和端口（必要时），可纳入完全耦合的 3D 电磁仿真中。

此外，专利加密技术允许组件提供商隐藏和保护关键知识产权 (IP)，同时完整描述其部件以供下游模拟。

2. 3D 元件阵列

整个工作流程从创建代表模型中不同单元的 3D 组件开始，然后可以将这些 3D 组件放入阵列结构中以创建模型。使用 3D 组件的好处是可以独立调整组件网格，并减少整体模型渲染和网格划分尺寸。使用单个 3D 组件网格划分，我们可以复制它并将其用于阵列中的所有其他重复结构。

要利用具有非相同单元格的全新 3D 组件有限阵列工作流程，单元格必须满足以下要求：

• 单元格被定义为 3D 组件。

• 单元格边界框的尺寸相同。

• 在晶胞表面定义适当的晶格对

现在，我们来看看下面的例子

例子

此示例展示了使用 3D 组件有限阵列工作流程实现的 77 GHz 2x2 相控阵天线和天线罩集成。

模拟时间： 3 分 16 秒，RAM：8.53GB 以下（4 核、64 GB RAM 机器和自动 HPC 设置）。

我们首先创建 3D 组件来表示模型中的不同单元；然后将组件插入 HFSS 设计，并创建类似于从单元创建有限阵列的阵列。参见下图，

然后我们将使用以下矩阵来排列单元格来创建阵列

创建 3D 组件阵列模型后，我们就可以开始仿真了。在 3DCA-DDM 仿真中，HFSS 在每个 3D 组件单元之间创建了非共形网格接口，从而减少了内存占用并提高了仿真性能。下图显示了 E 场的复杂幅度和模型的网格划分，

3DCA-DDM 在不同扫描角度 Theta（0°、15°、30° 和 45°）下的峰值实现增益矩形图。峰值实现增益 3D 极坐标图和辐射图的叠加表示，phi=0° 处扫描角度 Theta 为 30°，请注意光束已转向 30°，还请注意 3DCA-DDM 与显式阵列结果之间的比较。

在 phi=0° 切割和 phi=90° 切割时，分别针对不同的扫描角度 Theta（0°、15°、30° 和 45°）实现了峰值增益辐射模式。

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参考

1. M. Commens 和 K. Zhao，“使用单元格域分解法进行有限天线阵列分析”，2012 年第 42 届欧洲微波会议，荷兰阿姆斯特丹，2012 年，第 313-316 页，doi：10.23919/EuMC.2012.6459417。

2. “如何为 5G 无线网络设计基站（或微蜂窝）天线阵列”，ANSYS lnc

3. “基于 3D 组件有限阵列工作流程的 77 GHz 2x2 相控阵天线和天线罩”，ANSYS lnc