智能互聯產品的快速增長促使通信帶寬需求日益提高，然而無線電頻譜的增長速度卻明顯跟不上需求的步伐。第五代蜂窩無線技術（即5G）可以解決上述問題，方式之一是利用波束成形天線 將不同信號發送到蜂窩網絡的不同區域，從而以相同頻率進行多路同時傳輸。Pivotal Commware正在設計面向蜂窩基站等應用的新一代波束成形天線，所需成本僅為現有方法的幾分之一。該公司的工程師利用ANSYS HFSS，只需一次或兩次運行即可創建滿足設計要求的天線設計，這樣能顯著縮短新型天線的研發時間，從而在競爭激烈的行業中贏得先機。
Floquet分析能夠從單個天線單元生成無限陣列
之前的3G和4G LTE蜂窩技術將頻帶分成更窄的頻率片段，並將時間分成更小的脈衝，以增加網絡中可容納的移動手機用戶的數量，而且逐步完善這個過程。Pivotal Commware利用Pivotal全息波束成形（HBF）天線技術，解決5G技術的新問題，即分割空間。HBF採用的是變容二極管，這種電子組件比現有波束成形天線中使用的複雜電子設備——例如相位陣列或多輸入多輸出（MIMO）——要簡單得多，而且成本也更低。
成本、尺寸、重量和功耗（C-SWaP）是通信系統設計中的關鍵挑戰。採用傳統的原型構建方法需要一個月的時間來確定設計缺陷，創造新的設計等等，這樣就無法按計劃發佈產品。相反地，通過ANSYS初創公司計劃獲得的ANSYS HFSS產品可幫助Pivotal工程師設計5G天線的所有關鍵組件——轉換、饋送網絡、耦合器、RF/DC模塊、傳輸線路和輻射單元。ANSYS仿真工具可幫助Pivotal的全息波束成形技術解決C-SWaP挑戰。憑藉仿真，工程師可以在早期研發階段獲得可靠設計，避免傳統設計方法所需的多次原型迭代設計。
導數調諧功能無需額外的仿真即可實現精細調整
波束成形是5G性能的關鍵
在4G LTE中，蜂窩技術已經達到了時分複用和頻分複用的理論極限，因此工程師考慮使用軟件驅動的高定向性天線切分物理空間。這樣使蜂窩網絡中不同位置的移動手機用戶能夠同時共享相同的頻率。該領域中的領先技術MIMO採用眾多發射器和接收器來激勵每個天線中的各種單元，以便發送數據流，儘管這些數據流以不同路徑傳輸，但最終可以合併在一起。然而，MIMO需要複雜且高成本的基帶單元（BBU），用於協調系統和每個天線單元的無線電裝置，因而造成高成本和高功耗。
全息波束成形技術則是在每個天線單元上只使用一個變容二極管（電容隨直流偏置而變化的可變電容器），從而將無線容量導向至蜂窩單元中任何有需求的位置，無需多個無線電裝置或複雜的BBU。該技術之所以被稱為全息技術，是因為天線控制射頻波中的變容二極管偏置狀態模式與全息圖控制光波產生3D圖像的方式相同。更改變容二極管的直流偏置將改變每個天線單元的參考波的阻抗，從而改變陣列的輻射圖，並將波束導向至蜂窩網絡中的一組移動手機用戶甚至單個移動手機用戶。用於構建全息波束成形天線的所有組件都是大批量低成本的現成組件，因而其成本比MIMO或相位陣列低得多。、
參數研究發現衰減與距離天線中心線的角度成函數關係
輻射器的設計挑戰
Pivotal Commware的工程師使用ANSYS HFSS模擬HBF天線的所有微波組件。其中尤為重要的是天線單元輻射器，它負責輻射圖的無源天線器件。輻射器具有特殊的設計挑戰，因為其必須在寬頻率範圍內、在很緊湊的封裝（小於波長的五分之一）內實現高效率。
例如，單元輻射器具有雙極化二階響應，在建模時應採用側壁上的主/從邊界、通過理想地平面（z=0）的兩個同軸饋送以及頂部邊界上的一個Floquet端口。單元輻射器包含一個交叉極化貼片、一個感應網格以及一個頂部寄生貼片。每個天線陣列由數千個相同的單元組成；如果建模每個單元，將非常繁瑣，而且需要很長的求解時間。因此，Pivotal的工程師使用HFSS Floquet端口（+z壁上有兩個模式）模擬無限的平面週期結構，在側壁將單元鏈接在一起。天線的傳播特性由單元的頻率、相位和幾何結構確定。該方法能實現快速設計迭代，允許工程師通過調整一個單元來改變整個模型，然後求解新迭代設計的S參數，所需時間僅為傳統模型求解時間的幾分之一。
工程師將模型中的所有關鍵設計變量進行參數化。使用HFSS的ANSYS Optimetrics插件 的分析導數功能，工程師可在調諧刻度盤上改變任意設計參數，並立即更新結果圖，無需再次求解模型。例如，工程師移動分析導數刻度盤，將單元厚度改變1mm。輻射效率圖中即出現新的虛線曲線，方便與初始圖形進行比較，從而顯示變更的影響。除了輻射效率，分析導數仿真還能在單次仿真中為每個設計變量提供其他S參數、遠場和一階分析導數。偏導數的大小可用來表示在仿真所覆蓋的頻率範圍內S參數對每個設計變量變化的靈敏度。
利用參數掃描研究衰減
此外，工程師利用參數掃描研究波束方向遠離天線寬邊時所產生的天線性能衰減。通常，他們繪製出輻射效率與波束成形方向改變（以10度為步長）頻率的關係圖，從圖中顯示，距中心線0度至20度通常呈現近乎完美的輻射效率，隨著天線方向逐漸遠離中心線，衰減增加。當與中心線呈90度時，全息波束成形天線仍可實現合理的性能。
前幾代天線設計工程師通過手動計算建立初始的高度近似設計，再通過構建和測試一系列物理原型來逐漸改善設計。ANSYS HFSS使Pivotal Commware的工程師能夠利用Floquet端口構建週期模型，再使用分析導數工具輸入所需的性能值以快速求解模型，從而加快設計速度。然後，他們可以運行參數化分析以精細調節並驗證優化設計。該方法將設計迭代時間從一個月縮短到幾分鐘，有望在緊迫的時限內滿足其他市場中蜂窩通信提供商和移動手機用戶的高性能目標和嚴苛要求。
用於蜂窩基站的28GHz天線
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