5G的MIMO和相控阵天线

不断发展的通信系统正在推动射频/微波行业的发展。5G的大保护伞侧重于支持三种主要技术:增强型移动宽带，这是长期演进(LTE)的自然发展，大规模机器类型通信，也被称为工业物联网(IIoT)，以及为交通、公共安全、医疗等服务提供关键任务基础设施的超可靠、低延迟通信。

5G正在推动当今产品的许多要求，实现5G的积极目标正在几个领域得到解决。其中一个目标是通过扩展多进多出(MIMO)和波束转向天线技术来提高空中(OTA)效率。另一个目标是转向更高的频率，特别是6 GHz以上，并进入厘米和毫米波(mmWave)范围。

随着5G进入这些更高频率，将需要波束转向天线将基站天线阵列的辐射能量定向给最终用户，同时克服在这些频率上发生的较高路径损耗。幸运的是，更短的波长转化为更小的天线，这反过来又推动了更多基于集成电路(IC)的天线阵列解决方案。

通过电路/天线原位仿真解决5G和MIMO设计
电磁仿真软件通常用于模拟多馈源天线，包括相控阵天线、不同极化的堆叠散热器、单孔径多馈源天线等。这些类型的天线在使用MIMO和极化分集天线配置的通信系统中很受欢迎。随着未来几年5G无线系统的推出，它们的使用可能会出现爆炸式增长。

多馈天线的波束是通过改变进入不同馈源的信号的相位和振幅来控制的。对这种系统的精确模拟必须考虑到天线元件和驱动馈电网络之间的相互作用。仿真软件面临的问题是天线和驱动馈电网络相互影响。通过在天线的各个端口上设置输入功率和相对相位来改变天线的模式。同时，端口处的输入阻抗随天线模式的变化而变化。由于输入阻抗会影响非线性驱动电路的性能，天线模式的变化会影响整个系统的性能。

到目前为止，工程师们一直被迫使用迭代过程手动模拟耦合电路/天线效应。例如，首先用在输入端口处具有已知相位的理想信号源驱动天线。然后使用端口的阻抗作为驱动电路的负载阻抗。然后迭代该过程，直到达到收敛。这个过程既笨拙又耗时。幸运的是，有一种更快、更准确的方法来获得最终结果。

NI AWR软件，特别是Microwave Office电路设计软件中的原位测量功能，可以实现电路与天线之间的通信，从而在一个易于使用的框架中自动考虑电路与天线之间的耦合。设计人员确定了天线数据源、驱动天线的电路原理图以及所考虑的测量;例如，扫描角度辐射的功率。以下两个相控阵例子说明了这一概念，其中天线分别在AXIEM 3D平面和Analyst 3D有限元方法(FEM) EM模拟器中进行模拟。

利用微波办公室优化4×4贴片微带阵列
在本例中，模拟了一个由公司馈电网络驱动的4X4贴片阵列，每个元件上都有移相器和衰减器。微波单片集成电路(MMIC)功率放大器(PA)放置在每个元件对应的移相器之前。该阵列在电磁模拟器中只模拟一次。得到的s参数然后被电路模拟器使用，它还包括馈电网络和放大器。当移相器调谐到它们的值时，天线的波束就会被操纵。同时，每个放大器都能看到它所连接的天线输入端的阻抗变化，从而影响放大器的性能。PAs是非线性的，设计为在其1db压缩点(P1dB)工作以获得最大效率。因此，它们对阵列所呈现的负载阻抗变化非常敏感。

结合电路和电磁仿真是必要的，原因有很多。首先，电磁仿真是必要的，因为天线元件之间的相互作用会显著降低天线的性能。一个极端的例子是扫描盲，其中元素之间的相互作用导致在特定的扫描角度没有辐射发生。元件之间的耦合也会导致馈电网络中的共振。为了优化馈电网络以弥补天线的不足，必须对整个阵列和整个电路进行优化。这是至关重要的模拟馈电网络本身，因为谐振可以建立由于在天线端口的负载。

另一个重要的，但经常被忽视的是，驱动天线的PA需要一个非线性电路模拟。因此，重要的是天线的s参数包括直流模拟点和谐波平衡模拟中使用的各种谐波的值。否则，由于谐波频率的差匹配或不准确指定的直流偏置，系统性能可能会出现不可预知的退化。

图1为4X4贴片天线阵列。

图1:4X4贴片阵列(左)，其中每个贴片都由底部接地平面上的引脚馈电。右图显示了一个元素的网格，以及到地平面的驱动销。

每个小块都由一根插在地下的大头针单独喂食。端口位于引脚的底部。AXIEM，用于平面电磁模拟，有能力接地一个端口与金属带，这是用作引脚。这种类型的模拟器是理想的平面贴片阵列，根据结构细节可能需要3D EM模拟器，因为贴片不是在一个包中，因此辐射效果自动包括在内。应该注意的是，这里描述的模拟技术不依赖于特定的EM模拟器，因为第三方模拟或测量的s参数数据可用于表示天线响应。企业提要网络如图2所示。

图2:补丁阵列的企业馈电网络。每个元件由MMIC放大器驱动，并由移相器和衰减器控制。

电源从右侧输入。威尔金森分频器用于分割信号并馈送16个补丁。图3显示了一个典型补丁的提要。

图3:左图显示了一个威尔金森分压器和传输模块，其中包含移相器，衰减器和MMIC放大器。

图3右侧为发射模块和威尔金森分频器的详细图，左侧为发射模块的内部图。每个传输模块都有移相器、衰减器和MMIC放大芯片。光束通过设置进入MMIC放大器的相位和衰减来控制，然后将产生的信号发送到贴片。相位和衰减由软件中的变量控制，可以根据需要进行调整和优化。以这种方式，光束可以被扫描。图4显示了MMIC放大器的3D视图。这是一个两级，8场效应晶体管放大器设计工作在x波段。

图4:设计的MMIC放大器的三维布局视图。

在本例中，馈电网络完全在电路模拟器中模拟。一个更现实的例子是在EM模拟器中模拟馈电网络的布局，以确保模型是准确的，并且网络各部分之间没有意外的耦合。

典型电路仿真结果如图5所示。

图5:Smith图显示了对一个隔离元件的输入阻抗和对整个阵列模拟时的元件的输入阻抗。还显示了功率到达负载时的负载拉力曲线。

该系统设计工作频率为10 GHz。紫色曲线显示了在50欧姆的标准化史密斯图上，从6到14 GHz的隔离补丁的输入阻抗。标记显示在10 GHz的归一化阻抗。四个叉形图显示了在10ghz下四个典型元件的输入阻抗。请注意，阵列中元素之间的相互作用使每个元素的输入阻抗从一个孤立的补丁中偏移。绿色轮廓是MMIC放大器的负载拉拔模拟，显示了传递到负载的功率。天线馈电阻抗的变化导致元件功率下降0.5 dB。(图5功率等高线增量为0.5 dB)

天线图样示例如图6所示。通过控制各个发射模块的相对相位和衰减来控制波束。实际上，谐波平衡需要大量的时间来运行16个功率放大器。因此，光束是在放大器关闭的情况下操纵的。然后，设计师为特定的兴趣点打开功率放大器。注意:图6中的极右图像显示了当主瓣处于近掠角时产生的第二个瓣。

图6:通过典型的theta和phi值扫描阵列的光束。

利用微波办公室优化8×8贴片微带阵列
第二个示例是8×8补丁数组。任何可以在Microwave Office软件中进行调优的东西都可以进行优化。例如，在图7中，天线模式是针对某个扫描角度进行优化的。由于时间的关系，放大器不在优化之列。最后，打开放大器查看降解量。这个图是光束的总功率，在方向上扫描，在0度处。蓝色条显示了测量的优化器目标。紫色图案是原来的舷侧图案。优化器改变相位和衰减在馈电补丁。所得到的蓝色曲线在可接受的副瓣水平下满足20度扫描的优化目标。

图7:天线模式被优化到蓝色条的下方。

结论
为通信或雷达系统设计具有多个馈电点的天线，需要模拟电路(通常是高度非线性的功率放大器)、馈电网络和天线之间的相互作用。波束由电路控制，当波束改变时，天线的输入阻抗或输入特性也会改变，从而影响电路。电路和天线是相连的，因此两者都必须包含在仿真中。

采用多馈源模拟天线的传统方法是手动模拟耦合天线/电路效应，使用耗时且令人沮丧的迭代过程。微波办公电路和天线仿真耦合在一起，使阵列易于从放大器和馈电网络激发。将阵列的负载阻抗纳入电路仿真。这使得流程自动化，节省了设计时间，并更快地将产品推向市场。