新型建模算法简化天线设计

2016-04-27 14:42:00
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        要设计一款可用于现有4G并符合未来5G需求的智能手机天线,变得越来越困难了,因为它必须能在所有的频率范围进行传送与接收。但其解决之道就是目前在先进设计中所用的“多输入多输出”(MIMO)天线,或称为多端口天线,它能以低廉但高效的方式分析频段。

        遗憾的是,当今有经验的天线设计人员经常用“黑魔法”(他们的个人经验和领悟)来臆测优化天线配置应该是什么样的,然后针对所有的相关因素进行模拟,有时 这得花上一整个星期的计算机作业时间。而如果成效不佳,他们就得再重新再做一次,直到取得理想的设计——但永远不知道其设计离优化配置还差多少。

        如今,美国北卡罗莱纳州立大学(NCSU)的研究人员据称已为此找到了更好的办法。他们并未透过最有经验的“黑魔法”RF专家来执行详细的模拟,而只是藉由消除所有最重要的参数来简化问题至其基本原理,从而解决了优化的天线配置问题。这些算法能在几分钟内执行,而不必花费数周的时间,让RF专家能重复调整配置,直到实现优化。接着,就可以在进行制造以前,利用传统仿真器为设计进行更详细的验证。

        3端口微带平面天线的典型电路图

        Source:NCSU

        “我们的动机一开始是为了研究多端口天线,以及了解它如何在基本面作业,”北卡罗莱纳大学教授Jacob Adams解释,“我们的研究工作对于5G来说将会十分重要,因为我们并非采用传统的全波仿真来实现每端口配置,而是在各种模式下建模天线为谐振器,然后插入虚拟埠,并评估其所在位置。”

        这种方法的关键在于首先建模不带输入的天线——一般的技术通常不会做这么做——其结果是一种表现天线能响应各种方式的特殊基本共振模式。

        槽状贴片天线的典型几何形状

        Source:NCSU

        “我们正在开发一种无信号源的天线建模途径,这让我们能为其导入信号源,并迅速观察其反应,”Adams表示:“获得激励的最终模式取决于接收到激励类型与位置。”

        研究人员使用这种方法,找到了最佳的天线配置,也避免了忽略所用材料等因素。根据Adams表示,传统途径缺少可发现绝对优化的分析方法,“但我们能定义优化配置应该是什么,提出一种可用途径,并且快速地测试它与优化的理论值有多么接近。”

        北卡罗莱纳州立大学的第一谐振频率(856.5-MHz)分贝(dB)地图,其中,优化的天线安装位置以P表示,最糟的位置则以W表示

        Source:NCSU

        一旦近似算法找到最佳配置时,RF工程师即可执行传统算法,将材料特性、进料的双几何形状以及NCSU近似算法忽略的其他因素都加进去考虑。相较于仅执行传统算法——大约需要116小时,这种方式只需15分钟,更大幅节省了时间,因为所有的反复试验(trial-and-error)都已经由 NCSU的模式完成了。

        NCSU的第二谐振频率分贝地图

        Source:NCSU

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updated: 2020-09-24 17:17:12