优化使用应用程序的5G和物联网的分阶段阵列天线设计

5G移动网络和物联网（IoT）是RF和微波行业的两个热门话题。这些无线应用程序中的新开发项目要求更高的数据速率，主动电子扫描阵列（AESA），分阶段阵列天线和多输入 - 元素输出（MIMO）技术。在原型制造和制造这些应用程序过程中降低时间和成本很重要。使用仿真和应用程序，我们可以简化无线通信设计的开发周期。

5G分阶段阵列天线设计的高级计算资源

正如我们在以前的博客文章，对于5G移动网络有许多必需的进步和设计注意事项。RF工程师需要努力的改进之一是增加天线增益，以服务于5G运行的更高频率。

用于较旧网络的各向同性低增生天线与用于5G的指令高增益天线。

5G移动网络的另一个要求是我们改善了相位进程技术。这形成了辐射模式，并引导天线阵列的光束以控制输入信号并解决角度覆盖问题。

单极阶段的天线阵列可以将光束转向所需的方向。

可以将一种设备，一个插槽耦合的微带贴片天线阵列，可以合并到设计中，以解决这些覆盖范围问题。但是，必须考虑许多复杂的设计参数才能构建针对5G无线通信进行优化的设备。

模拟可以通过提供评估和实施物理效应的能力来有助于在设计实验室或通过原型制作（例如极端温度变化，结构变形和化学反应）进行测试的能力。不幸的是，并非每位从事设计工作的工程师都可能是模拟专家，只要天线阵列设计或仿真环境有新的更改，团队的仿真专家都可以参与设计过程的每个步骤。

应用程序构建器通过进一步增强模拟功能来解决这些困难。现在，对于专家和最终用户而言，RF设计的原本复杂且乏味的数值模型可以变成一种交互式和用户友好的工具。今天，让我们探索插槽耦合的微带贴片天线阵列合成器仿真应用程序及其如何帮助我们优化5G和IoT的分阶段阵列天线设计。

使用插槽耦合的微带贴片天线阵列合成器应用

主动电子扫描阵列（AESA），也称为分阶段天线阵列，通常在军事中用于雷达和卫星应用。由于通信设备中较高的数据速率的需求不断增长，这些阵列也用于新应用程序（商业目的）。这个简单组件的大小很容易超过数十万个波长，从而导致模拟设计非常密集。结果，即使仅需要近似值来评估概念验证模型，计算也需要很长时间。更快的原型制作将有助于分析性能并快速确定设计参数。

插槽耦合的微带贴片天线阵列合成器基于建立在低温辅助陶瓷（LTCC）层上的单个微带贴片天线的完整有限元方法（FEM）模型。该设备最初以30 GHz运行，并且使用COMSOL多物理学的非常强大的后处理功能集成了整个数组结构的辐射模式和方向性分析。应用程序构建器是一种快捷方式，可以提供多种设计和构建用户友好的图形用户界面（GUI），将普通数学模型转换为直觉模拟工具的方法。

插槽耦合片状片状贴片天线的顶视图。

应用程序构建器提供了两个用于创建我们的应用程序的基本工具：表单编辑器和方法编辑器。表单编辑器使我们能够通过将表单对象添加到自定义接口中，从而使用简单功能设计GUI。方法编辑器有助于对形式对象实现更高级和自定义的功能。精确模拟单个微带贴片天线后，我们发现了二维天线阵列因子

这对应于用户输入，例如数组大小；算术相进展；和角分辨率，该分辨率施加在单个天线辐射模式数据上（emw.normefar）。

方法编辑器超越了一个简单的模拟，在该模拟中，可视化仅限于预定义的后处理变量，并允许进一步自定义。

主要形式显示形式对象的预览。

使用方法编辑器为形式对象创建自定义操作。

在此应用中，我们可以为微带贴片天线阵列设计测试许多设计参数，包括：

• 天线性质
  • 补丁大小
  • 基材大小
  • 插槽大小
  • 进料线宽度
  • 延长的进料线长度
  • 斑块底物厚度和相对介电常数
  • 进给底物厚度和相对介电常数
• 数组属性
  • 数组大小
  • 相进展
  • 间距
• 仿真属性
  • 频率
  • 波长
  • 3D图分辨率
  • 极地图分辨率

阵列尺寸，相位进程和间距以及每个元素之间的距离主要表征了阵列天线辐射模式的形状和方向。角分辨率还可以对3D和2D辐射模式可视化增加微妙的触摸。请注意，当天线方向性更高时，使用较精细的分辨率将更准确地描述旁观。

插槽耦合的微带贴片天线阵列合成器应用程序的GUI。

分析后，应用程序报告单个天线设计参数是否使用计算的S-参数（S11）值与应用程序用户在运行仿真之前指定的PASS/FAIL目标标准相比，使用计算的S-参数（S11）值是最佳的。该应用程序描述了每个介电和金属层上的电场分布，还可以看到阵列的整个视图，从而使应用程序用户更好地对设计的性能有了更好的感觉。您还可以选择包含完整的仿真结果报告和文档，该报告简洁地说明了应用程序的工作原理。

仿真应用程序提供了无限的方法来展示数值模型

有无限的方法可以使用应用程序构建器将模型转换为自定义工具，但是下一步是什么？您可以使用Core comsolMultiphysics®软件启动和使用仿真应用程序。只要您具有Internet连接，您就可以使用常见的Web浏览器运行您的应用程序，甚至可以通过Comsol Server™产品将其部署到同事和客户。

在应用程序库中，您可以下载和探索更多的应用程序，涵盖电气，机械，流体，化学等物理领域。这些演示应用程序可以作为您自己构建有用的应用程序的指南。

频率选择性表面模拟器演示应用程序（左）和等离子线光栅模拟器演示应用程序（右）。

无论您是构建一个应用程序来增强5G网络的RF设计，还是在其他应用程序领域工作，都可以开始构建模拟应用程序并优化您的设计工作流程和今天的产品性能。

进一步阅读

• 自己尝试：下载插槽耦合的微带贴片天线阵列合成器
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