Ansys白皮书：如何设计5G无线网络的用户设备天线系统

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。

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

来源：安世亚太科技股份有限公司