利用Ansys HFSS优化5G天线设计，解决大型通信挑战

波士顿的一名外科医生与班加罗尔的一名外科医生联系，实时指导他进行挽救生命的手术。一辆自动驾驶汽车突然刹车，因为司机预料到下一个拐角处就会有什么东西。这只是众多可能性中的两种5克带入我们相互联系的生活。

天线技术的演变

天线技术已经实现了从4G到5G的巨大飞跃，以适应更高频率的应用，提供更大的带宽。在4G网络中，传统的天线从各个方向接收能量，而且没有特别的辨别能力。例如，现有4G手机上的很多天线都是全向天线。4G天线的工作频率较低(6 GHz)，可以绕射或弯曲物体，并且非常容易被接收。

通过使用波束形成方法(将两个或多个这样的天线放在一起形成一个阵列，并调整信号以使它们一致)，可以将入射能量引导到特定的方向。除了波束形成，5G还使用一种称为多进多出(MIMO)的专门信号处理方法，利用天线阵列最大限度地提高带宽和特定附近的用户数量。波束形成和MIMO技术都用于最大化蜂窝网络的规模和性能。

5G的运行频率为4G，但也高于4G。它使用毫米波(mmWave)频段的频谱，支持更快的数据速率，但更容易被障碍物阻挡。因此，5G使用相控阵天线波束形成来指导基站和手机之间的通信。使用相控阵天线为激发作为阵列一部分的单个天线元件创造了新的机会和挑战。

构建5G天线阵列的基本挑战之一是它们的更高频率。频率越高，波长越短，波长越短，单个天线或天线元件越小。组成5G相控阵天线的天线元件非常小，但它们在整个阵列设计中占了很大一部分。

在手持设备中，比如手机，也存在着热和机械方面的挑战。由于5G手机在使用过程中会变暖，功率和热量会影响无线电电路。任何尺寸的变化，无论是由设计引起的还是由特定设备发出的热量引起的，都可能改变这些元件的谐振频率，从而导致性能降低。

利用HFSS优化5G天线设计

使用Ansys基于，工程师可以为端到端信道建模设计相控阵天线，优化天线特性，以及各个单元之间的通信和耦合。例如，HFSS 3D Comp阵列技术通过复杂的求解器技术帮助工程师解决5G毫米波天线设计的复杂性。它是一款多用途、全波3D电磁(EM)仿真软件，用于设计和模拟高频电子产品——从天线和天线阵列到射频(RF)或微波组件、高速互连、滤波器、连接器、集成电路(IC)封装和印刷电路板。

复杂的5G系统需要协作

手机的设计是基于多位工程师的输入。使用HFSS支持在这些设备上下文中处理天线阵列功能所需的更具协作性的工作流程。考虑一下5G手机与基站通信的情况。通过持续的信号处理，它反复调整自己，向那个塔发送能量。要考虑能量，还有信号处理。由于5G也应用MIMO，因此需要对大量信号路径进行更多控制。传统上，不同的团队被分配来解决天线设计、信号处理和工业设计中的这些问题。这种情况通常会导致孤立的团队努力满足最后期限，并跟踪和维护认证文档。HFSS有助于在工程团队之间跟踪和共享准确的组件设计数据，从而在工作流之间实现更高效的协作。

手机中嵌入了多根天线，它们只有一角硬币大小，集成在微小的模块中，包括一个无线电和一个相控阵天线，以及一些模拟信号处理硬件。所有这些集成在一起形成一个集成电路包来管理这些电路路径。一台设备上有这么多天线，确定天线的位置变得非常重要。通常情况下，你的设备不仅提供5G，还提供不同频段和不同天线的4G，以及Wi-Fi和蓝牙，所有这些都相互耦合。为了解决这些复杂性，需要在团队之间共享模型和设计协作，以成功地模拟和设计高频网络中的单个组件。