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新型建模演算法簡化天線設計

上網時間: 2016年04月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:建模  演算法  5G  MIMO  天線 

要設計一款可用於現有4G並符合未來5G需求的智慧型手機天線,變得越來越困難了,因為它必須能在所有的頻率範圍進行傳送與接收。但其解決之道就是目前在先進設計中所用的「多輸入多輸出」(MIMO)天線,或稱為多埠天線,它能以低廉但高效的方式分析頻段。

遺憾的是,當今有經驗的天線設計人員經常用「黑魔法」(他們的個人經驗和領悟)來臆測最佳化天線配置應該是什麼樣的,然後針對所有的相關因素進行模擬,有時這得花上一整個星期的電腦作業時間。而如果成效不佳,他們就得再重新再做一次,直到取得理想的設計——但永遠不知道其設計離最佳化配置還差多少。

如今,美國北卡羅萊納州立大學(NCSU)的研究人員據稱已為此找到了更好的辦法。他們並未透過最有經驗的「黑魔法」RF專家來執行詳細的模擬,而只是藉由消除所有最重要的參數來簡化問題至其基本原理,從而解決了最佳化的天線配置問題。這些演算法能在幾分鐘內執行,而不必花費數週的時間,讓RF專家能重覆調整配置,直到實現最佳化。接著,就可以在進行製造以前,利用傳統模擬器為設計進行更詳細的驗證。


3埠微帶平面天線的典型電路圖
(來源:NCSU)

「我們的動機一開始是為了研究多埠天線,以及瞭解它如何在基本面作業,」北卡羅萊納大學教授Jacob Adams解釋,「我們的研究工作對於5G來說將會十分重要,因為我們並非採用傳統的全波模擬來實現每埠配置,而是在各種模式下建模天線為諧振器,然後插入虛擬埠,並評估其所在位置。」

這種方法的關鍵在於首先建模不帶輸入的天線——一般的技術通常不會做這麼做——其結果是一種表現天線能響應各種方式的特殊基本共振模式。


槽狀貼片天線的典型幾何形狀
(來源:NCSU)

「我們正在開發一種無訊號源的天線建模途徑,這讓我們能為其導入訊號源,並迅速觀察其反應,」Adams表示:「獲得激勵的最終模式取決於接收到激勵類型與位置。」

研究人員使用這種方法,找到了最佳的天線配置,也避免了忽略所用材料等因素。根據Adams表示,傳統途徑缺少可發現絕對最佳化的分析方法,「但我們能定義最佳化配置應該是什麼,提出一種可用途徑,並且快速地測試它與最佳化的理論值有多麼接近。」


北卡羅萊納州立大學的第一諧振頻率(856.5-MHz)分貝(dB)地圖,其中,最佳化的天線安裝位置以P表示,最糟的位置則以W表示
(來源:NCSU)

一旦近似演算法找到最佳配置時,RF工程師即可執行傳統演算法,將材料特性、進料的雙幾何形狀以及NCSU近似演算法忽略的其他因素都加進去考慮。相較於僅執行傳統演算法——大約需要116小時,這種方式只需15分鐘,更大幅節省了時間,因為所有的反覆試驗(trial-and-error)都已經由NCSU的模式完成了。


NCSU的第二諧振頻率分貝地圖
(來源:NCSU)

編譯:Susan Hong

(參考原文:Cutting Antenna Design Time,by R. Colin Johnson)





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