300GHZ天线阵列设计文献综述

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工学院、职业技术教育学院

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应用电子技术教育

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300GHZ天线阵列设计

文献综述：

摘要

本次设计是基于ADS仿真软件的300GHZ天线阵列设计。本文首先对本次的设计内容天线阵列做了详细介绍，接着讲述了关于天线阵列的研究大规模天线阵列系统（MassiveMIMO）做了简略介绍，并讲述了此系统的国内外研究发展现状、发展趋势等，；最后介绍了仿真软件ADS，并一一列举了仿真方法。

天线阵列介绍

1、定义

由许多相同的单个天线（如对称天线）按一定规律排列组成的天线系统，也称天线阵。天线在通信、广播、电视、雷达和导航等无线电系 统中被广泛的应用，起到了传播无线电波的作用，是有效地辐射和接受无线电波必不可少的装置。

2、概述

天线在通信、广播、电视、雷达和导航等无线电系统中被广泛的应用，起到了传播无线电波的作用，是有效地辐射和接受无线电波必不可少的装置。

　  阵列天线的定义：阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。

就目前天线通信知识和技术的迅速发展，以及国际上对天线的诸多研究方向的提出，都促使了新型天线的诞生。阵列天线就是研究的一种方向,所谓阵列天线不是将简单的将天线排成我们所熟悉的阵列的样子,而是它的构成是阵列形式的.就发射天线来说,简单的辐射源比如点源,对称振子源是常见的构成阵列天线的辐射源.它们按照直线或者更复杂的形式,根据天线馈电电流,间距,电长度等不同参数来构成阵列,以获取最好的辐射方向性.这就是阵列天线的魅力所在,它可以根据需要来调节辐射的方向性能.由此产生出了诸如现代移动通信中使用的智能天线等.我相信,在不久的将来,这些高技术含量的天线将会带给我们同样高质量的通信环境。

3、分类

按单元排列可分为线阵和面阵。最常用的线阵是各单元的中心依次等距排列在一直线上的直线阵。

线阵的各单元也有不等距排列的，各单元中心也可以不排列在一直线上，例如排列在圆周上。多个直线阵在某一平面上按一定间隔排列就构成平面阵，若各单元的中心排列在球面上就构成球面阵。

　　按辐射图形的指向可分为侧射天线阵、端射天线阵和既非侧射又非端射的天线阵。侧射天线阵是最大辐射方向指向阵轴或阵面垂直方向的天线阵。端射天线阵是最大辐射方向指向阵轴方向的天线阵。最大辐射方向指向其他方向的天线阵为既非侧射又非端射的天线阵。

　　按照功能可分为同相水平天线、频率扫描天线、相控阵天线、多波束天线、信号处理天线、自适应天线等。

4、工作原理

阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和（矢量和）。

由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。

　  天线阵的单元数越多，天线阵的增益就可能越高，当然天线阵的尺寸也就越大。

5、国内外发展现状

随着无线通信技术的发展，无线网络的丰富应用带动了无线数据业务的迅速增长。据权威机构预测， 到2020年时，数据业务将增长500～1000倍 ，给无线接入网络带来了巨大的挑战，需要未来通信系统设计能够更加高效地利用带宽资源， 大幅提升频谱效率。大规模天线阵列系统（MassiveMIMO）被认为是未来5G最具潜力的传输技术。在大规模天线阵列系统中，基站侧配置大规模的天线阵列，利用空分多址（SDMA）技术，可在同一时频资源上服务多个用户，利用大规模天线阵列带来的巨大阵列增益和干扰抑制增益，使得小区总频谱效率和边缘用户的频谱效率得到了大幅提升。

中国政府对该技术领域的发展也非常重视。我国的5G研究与标准化组织—IMT－2020推进组于2013年底专门成立了大规模天线技术专题组，集中了国内研究院所、运营商、设备商以及高等院校中相关技术领域的核心单位，启动了对面向5G的大规模天线技术 的研究与标准化工作。此外， 2012年国家重大专项启动了针对64天线的3D－MIMO技术的研究项目立项 工作， 2014年863计划启动了针对128～256天线的MassiveMIMO技术（1期）的立项工作，并将在后续的2期及3期阶段中持续推动该技术的研究、验证与标准化工作。国内对于大规模天线研究主要进行的是信道建模、信道估计、传输技术的研究，如华为、清华、北邮等。一些设备商和运营商也展开了大规模天线样机的研究。

大唐电信开展了2013国家科技重大专项3D－MIMO技术研究与验证，采用64通道的二维平面天线阵。在国家863计划项目高效能5G无线传输关键技术研发中，拟开发8套每套支持16个天线单元的分布式天线和1套支持128天线单元的集中式大规模天线。该项目于2014年1月～2016年12月实施。

中兴正在进行256天线MassiveMIMO原型机的开发验证，采用基带数字波束成形和射频波束成形两种波束赋形技术，预计原型机推出时间为2015年。

中国移动对MassiveMIMO的关键技术展开了研究，包括多场景中的新型信道建模研究、支持大规模天线的创新传输方案研究、高效能、低成本、实用化、可扩展的灵活部署方案和系统性能仿真评估，具体到天线层面，涉及的关键技术包括：波束成形、预编码、空时码/信号处理等方案、 大规模天线协作与干扰消除算法、天线校准与分布式处理算法、基于手机射频芯片的 基站射频系统设计、新型射频功放研究、有源天线硬件设计与工艺、 天线部署方案研究、不规则天线阵列的优化算法研究等。并与部分设备上、天线厂商合作开展3D－MIMO的样机研制和大规模天线演示验证系统。

中国电子科技集团公司第54研究所也对MassiveMIMO的关键技术展开了研究，包括大规模新型天线系统架构、宽带小型化天线辐射单元，小型化一体化射频收发单元、基于强电磁耦合不规则布阵情况下的方向图成形算法、大规模天线协作系统分步式数字信号后处理及评估测试等关键技术，预计2015年底推出原理样机。

2014年9月，华为联合中国移动演示了全新预商用AAU（有源天线射频单元）平台，是业界第一款支持 MassiveMIMO特性的基站产品，也是业界最大规格的 MassiveMIMO多天线系统，不仅可支持中国移动主流频段，而且可以兼容现有的终端，应用后系统容量可提升数倍。   

2014年11月，中兴通讯联合中国移动在深圳完成了TD－LTE3D/MassiveMIMO基站的预商用测试，采用中兴最新研制的64端口128天线3D/MassiveMIMO的基带射频一体化室外型基站，测试结果基本符合预商用要求。

6、发展趋势

设备小型化、集成化、灵活性是系统发展的永恒主题，随着天线数目的增多，有源集成化天线将是5G大规模天线系统的必然选择。大规模有源天线系统在增加系统容量、提高通信质量和针对复杂环境下设备的通用性方面都有很好的作用。其顺应了当前射频部件 更贴近天线的发展趋势， 降低维护成本和能源成本，同时可进一步提高网络性能和部署灵活性。

大规模有源集成化天线在第五代移动通信系统中 提出了以下挑战：

（1）高度集成化大规模天线系统的体系架构。

（2）小型化天线单元及射频集成化的研制。

（3）信号同步技术。

（4）各种预编码和方向图成形精确算法。

（5）高度集成化后系统的稳定性和可维护性。

7、存在的问题

这一设计主要涉及到两方面的内容：ADS软件的使用和天线阵的设计。而这两方面对于我来说皆是难点，由于我以前并没有使用过ADS软件，而这软件又是全英文的，在使用上有一定的困难；关于天线阵的设计，也是一个难题，通信方面我并不熟知，又要实现300GHZ如此高的中心频率，这是最大的一个难题。

ADS仿真软件

1、关于ADS的介绍

先进设计系统(AdvancedDesignSystem)，简称ADS，是安捷伦科技有限公司(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。

软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到了广大IC设计工作者的支持。 ADS是高频设计的工业领袖。它支持系统和射频设计师开发所有类型的射频设计，从简单到最复杂，从射频∕微波模块到用于通信和航空航天∕国防的MMIC。

通过从频域和时域 电路仿真到电磁场仿真的全套 仿真技术，ADS让设计师全面表征和优化设计。单一的集成设计环境提供系统和电路仿真器，以及电路图捕获、布局和验证能力 —— 因此不需要在设计中停下来更换设计工具。

先进设计系统是强大的电子设计自动化 软件系统。它为蜂窝和便携电话、寻呼机、 无线网络，以及雷达和卫星通信系统这类产品的设计师提供完全的设计集成。

ADS电子设计自动化功能十分强大，包含时域 电路仿真 (SPICE-like Simulation)、频域电路仿真 (Harmonic Balance、Linear Analysis)、三维电磁仿真 (EM Simulation)、通信系统仿真(Communication System Simulation)、 数字信号处理仿真设计（DSP）；ADS支持射频和 系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统 仿真软件软件。

此外 Agilent公司和多家半导体厂商合作建立ADS Design Kit 及 Model File 供设计人员使用。使用者可以利用Design Kit 及软件仿真功能进行通信系统的设计、规划与评估，及MMIC/ RFIC、模拟与数字电路设计。除上述仿真设计功能外，ADS软件也提供辅助设计功能，如Design Guide是以范例及指令方式示范电路或系统的设计流程，而Simulation Wizard是以步骤式界面进行电路设计与分析。ADS还能提供与其他EDA软件，如SPICE、Mentor Graphics的ModelSim、Cadence的NC-Verilog、Mathworks的Matlab等做协仿真（Co-Simulation），加上丰富的元件应用模型Library及测量/验证仪器间的连接功能，将能增加电路与系统设计的方便性、速度与精确性。

2、ADS软件的仿真分析法

（1）高频SPICE分析和卷积分析（Convolution）

高频SPICE分析方法提供如SPICE 仿真器般的瞬态分析，可分析线性与非线性电路的瞬态效应。在SPICE 仿真器中，无法直接使用的频域分析模型，如微带线带状线等，可于高频SPICE仿真器中直接使用，因为在仿真时可于高频SPICE仿真器会将频域分析模型进行拉式变换后进行瞬态分析，而不需要使用者将该模型转化为等效RLC电路。因此高频SPICE除了可以做低频电路的瞬态分析，也可以分析高频电路的瞬态响应。此外高频SPICE也提供瞬态噪声分析的功能，可以用来仿真电路的瞬态噪声，如振荡器或锁相环的jitter。

卷积分析方法为架构在SPICE高频 仿真器上的高级时域分析方法，藉由卷积分析可以更加准确的用时域的方法分析于频率相关的元件，如以S参数定义的元件、传输线、微带线等。

（2）线性分析

线性分析为频域的 电路仿真分析方法，可以将线性或非线性的射频与微波电路做线性分析。当进行线性分析时，软件会先针对电路中每个元件计算所需的线性参数，如S、Z、Y和H参数、电路阻抗、噪声、反射系数、稳定系数、增益或损耗等（若为非线性元件则计算其工作点之线性参数），在进行整个电路的分析、仿真。

（3）谐波平衡分析( Harmonic Balance)

谐波平衡分析提供频域、稳态、大信号的电路分析仿真方法，可以用来分析具有多频输入信号的非线性电路，得到非线性的电路响应，如噪声、功率压缩点、谐波失真等。与时域的SPICE仿真分析相比较，谐波平衡对于非线性的电路分析，可以提供一个比较快速有效的分析方法。

谐波平衡分析方法的出现填补了SPICE的瞬态响应分析与线性S参数分析对具有多频输入信号的非线性电路仿真上的不足。尤其在现今的高频通信系统中，大多包含了混频电路结构，使得谐波平衡分析方法的使用更加频繁，也越趋重要。

另外针对高度非线性电路，如锁相环中的分频器，ADS也提供了瞬态辅助谐波平衡(Transient Assistant HB)的仿真方法，在电路分析时先执行瞬态分析，并将此瞬态分析的结果作为谐波平衡分析时的初始条件进行 电路仿真，藉由此种方法可以有效地解决在高度非线性的电路分析时会发生的不收敛情况。

（4）电路包络分析（Circuit Envelope）

电路包络分析包含了时域与频域的分析方法，可以使用于包含调频信号的电路或通信系统中。电路包络分析借鉴了SPICE与谐波平衡两种仿真方法的优点，将较低频的调频信号用时域SPICE仿真方法来分析，而较高频的载波信号则以频域的谐波平衡仿真方法进行分析

（5）射频系统分析

射频系统分析方法提供使用者模拟评估系统特性，其中系统的电路模型除可以使用行为级模型外，也可以使用元件电路模型进行习用响应验证。射频系统仿真分析包含了上述的线性分析、谐波平衡分析和电路包络分析，分别用来验证射频系统的无源元件与线性化系统模型特性、非线性系统模型特性、具有数字调频信号的系统特性。

（6）拖勒密分析（Ptolemy）

拖勒密分析方法具有可以仿真同时具有数字信号与模拟、高频信号的混合模式系统能力。ADS中分别提供了数字元件模型（如FIR滤波器、IIR滤波器，AND逻辑门、OR逻辑门等）、通信系统元件模型（如QAM调频解调器、Raised Cosine滤波器等）及模拟高频元件模型（如IQ编码器、切比雪夫滤波器、混频器等）可供使用。

（7）电磁仿真分析(Momentum)

ADS软件提供了一个2.5D的平面电磁仿真分析功能——Momentum（ADS2005A版本Momentum已经升级为3D电磁 仿真器），可以用来仿真微带线、带状线、共面波导等的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。所分析的S参数结果可直接使用于谐波平衡和电路包络等电路分析中，进行电路设计与验证。在Momentum电磁分析中提供两种分析模式：Momentum微波模式即Momentum和Momentum射频模式即Momentum RF；使用者可以根据电路的工作频段和尺寸判断、选择使用。

参考文献

[1]黄玉兰,电磁场与微波技术,人民邮电出版社

[2]电动力学,郭硕鸿,高等教育出版社

[3]天线,约翰.克劳斯,电子工业出版社

[4]天线理论与设计,(美)WarrenL.Stutzman,人民邮电出版社

[5]天线理论与技术,卢万铮,西安电子科技大学出版社

[6]天线原理,王朴中、石昌盛,清华大学出版社

[7]微波天线，张齐德，国防工业出版社

[8]5G大规模天线系统研究现状及发展趋势，刘宁、袁宏伟，中国电子科技集团公司第54研究所北京研发中心，北京100070