电磁仿真优化用于 6G的 GRIN镜头天线

了解如何通过 GRIN 镜头设计流程使用电磁仿真来优化镜头设计并满足要求。

导语：为什么 6G 需要镜头天线？

电信行业目前正在开发下一代移动通信技术。继 5G 之后，6G 预计将于 2030 年代初推出，带来更快、更可靠的蜂窝数据传输。6G 面临的最大挑战之一是平衡覆盖与能耗。随着频率的增加，波穿过障碍物传播的能力会降低，在密集的城市环境中需要高功率水平和大量“纳米单元”。提高网络效率至关重要，一种方法是使用透镜天线。

透镜天线在辐射元件前面放置一种材料，该材料将辐射波聚焦成光束。该光束将能量集中在预期方向，同时最大限度地减少浪费和散射辐射。与天线阵列等其他波束成形技术相比，透镜是无源的、低成本和低功耗的。它们不需要像有源供电解决方案那样进行热管理，并且可以与天线阵列配对，以提高阵列的效率和视野。

GRIN Lens 天线是如何工作的？

梯度折射率 （GRIN） 镜片利用增材制造等先进制造技术来构建具有不同折射率的复杂结构。与基于光学原理的传统镜头不同，GRIN 镜头可以具有任意形状，并且可以更精确地控制其特性。动画 1 显示了入射到传统镜头和平面 GRIN 镜头上的平面波。GRIN 镜片的折射波与传统镜片类似。

GRIN 镜头具有超材料结构，较小的元件重复构建完整的设备。元素几何图形的细节在更大的尺度上创造了无法在自然块状材料中复制的效果。这为为各种应用创新新型透镜天线提供了可能性。

一个有前途的变体是用于致密化应用的 Luneburg 透镜。Luneburg 透镜是一种球面 GRIN 透镜，其折射率从中心到边缘递减，它将入射平面波聚焦到球体对面的单个点。这在基站中具有应用潜力，其中由多个天线馈送的单个 Luneburg 透镜可以将网络小区划分为径向子小区。这是一种有效的解决方案，可在包含大量人员的场所（如公共广场和节日）中从单个基站提供密集覆盖。

使用仿真进行 GRIN 天线设计

在设计基于超材料的 GRIN 天线时，设计过程中有两个主要步骤——设计单个元件或晶胞，以及将天线作为一个整体进行设计。电磁仿真在设计过程的两个阶段都很重要。

为了说明这一过程，我们使用了合作伙伴 Fortify 的 3D 打印 6G Luneburg 镜片设计。

图 1：3D 打印的 Luneburg 透镜。图片由 Fortify 提供。

GRIN 镜头单元设计

超材料实际上具有周期性晶体的结构，我们可以借鉴光子学领域的技术来有效地优化设计。

我们采用结构的单个晶胞，对其进行参数化以允许我们改变填充因子，它决定了有多少晶胞被电介质填充。最终，我们想找到填充因子和有效介电常数或 Dk 之间的关系，从中我们可以确定基本单元的折射率，这将使我们能够设计完整的透镜。

为此，我们在 CST Studio Suite 中设置了一个色散模拟，从不同方向激励晶胞。SIMULIA 的CST Studio 套件包括一个自动模板，用于使用适当的属性设置模拟，以便自动生成色散图。有关更多信息，请参阅此知识库文章.

图 2：不同填充因子的提取 Dk。

除了计算 Dk，我们还可以计算镜头的截止频率。我们可以使用色散图来做到这一点，该图绘制了入射光线不同相位的结构中不同模式的频率。在非均质材料中，这些模式对于所有入射角都不相同，从而导致同一相位的相同模式具有两个不同的频率。这将导致反射并产生镜头的“软截止频率”（图 2）。高于这些频率时，镜头的效率开始降低。通过研究所有填充因子的孔径效率，工程师可以确保他们的镜头在 6G 频段内保持高效率。

图 3：均质介质（左）和 GRIN 超材料（右）的色散图。在超材料中，在归一化频率约为 0.5-0.6 的模式下频率之间的差距被突出显示。

图 4：GRIN 镜头的透射效率。在 0.5-0.6 左右的归一化频率下，效率下降是由图 4 所示的模式失配引起的。

全 GRIN 镜头设计

设计出晶胞单元后，必须分析整个透镜，以确保它在构建和安装在天线系统中时按预期运行。有几种方法可以对完整镜头进行建模。最直接的是构建镜头的完整 3D 模型，包括超材料的所有细节。但是，这将非常耗费计算成本，因为详细的几何体将需要非常精细的网格。

另一种选择是构建电介质马赛克或介电壳模型。透镜被分解成多个块，每个块都被分配了超材料的平均介电特性。这计算效率更高，尽管它需要用户进行更多的前期建模工作。

第三种选择是使用空间贴图。这会产生一种块状材料，该材料具有与超材料相同的空间变化介电特性，可以很容易地建模和有效地进行网格划分。CST Studio Suite 包括一个 Python 接口，可用于自动生成空间映射并将空间映射链接到自动优化例程。

图 5 对这些方法进行了比较。

图 5：不同模型创建方法的比较 – Spacemap（顶部）、Mosaic（中）和全 3D（底部）。这三种方法都给出了几乎相同的结果。

设计的最后一步是“聚焦”镜头，使用优化来微调其属性，就像真实的天线系统一样。镜头的焦点和相位中心可以使用自动优化进行对准，为此，空间映射方法的模拟速度和灵活性具有明显的优势。

优化的最终结果如图 6 所示。该镜头按规定工作，可在 120° 视场内提供可接受的覆盖范围，天线的所有 7 个扇区都形成彼此隔离的强波束。

图 6：系统和镜头的天线方向图（左）和信干涉加噪声 （SNIR） 比（右）。

结论

GRIN 镜头是一项很有前途的技术，可实现高性能 6G 基站，具有更好的覆盖范围和可靠性、更多的并发用户和更低的功耗。可以通过 GRIN 镜头设计过程使用电磁仿真，以优化镜头设计并满足要求。仿真有助于开发单个超材料元件和整个天线系统。使用仿真可以加速 GRIN Lens 并降低将这项创新技术推向市场所涉及的风险。

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