“在家不能没网络，出门必须带手机”，已经成为现代人生活的共识。人们在享受通信技术带来的极大便利的同时，也对移动互联网提出了更高的要求，希望其更高速、更强大、更便捷。于是在过去的二十年里，从只能使用2G网络与朋友QQ聊天到4G直播，我们见证了移动通信从1G到4G LTE的发展。这个过程中，通信的关键技术在持续改变，处理的信息量也成倍增长。而天线，是实现这一跨越式提升不可或缺的组件。
一、5G时代需要阵列天线
通俗地说，天线就是一个“转换器”，把传输线上传播的导行波，变换成在自由空间中传播的电磁波，或者进行相反的变换。无论是基站还是移动终端，天线都充当发射信号和接收信号的中间件角色。
随着5G时代的来临，各大运营商也正在积极地部署5G设备。5G能够提供比4G快10倍的传输速度，而实现高速率的关键是毫米波以及波束成形技术，这对天线系统也提出了新的要求。
图1 天线的作用
我们知道，在移动通信中，更高的频率→更大的带宽→更快的速度，目前主流的4G LTE，属于超高频和特高频，对应波段为分米波和厘米波，毫米波波长则更短。而电磁波波长越短，绕射能力就越差，且传播过程中的衰减也越大。为解决这个问题，覆盖同一区域，5G需要的基站数量将大大超过4G。
图2 4G、5G需要的基站数量对比图
在高频率的前提下，为减轻覆盖方面的成本压力，5G需要使用微基站。微基站，即帮助发送毫米波的一系列微型信号塔，以便躲避正常情况下会阻挡毫米波的物体，时刻保持网络的正常连接。
根据天线特性，天线长度应与波长成正比。频率越高，波长越短，天线也就跟着变短。毫米波，天线也变成毫米级。这就意味着，天线完全可以塞进手机里面，甚至可以塞很多根，基站则更多。5G时代，天线将不是按根来计算，而是按“阵”——阵列天线。
由于微基站要求配备比现有数量多10倍的天线，为限制干扰，就需要用到波束成形技术。在基站上布设阵列天线，通过对射频信号相位的控制，使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄，并指向它所提供服务的手机，而且能跟据手机的移动而转变方向。这种空间复用技术，由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务，波束之间不会干扰，在相同的空间中提供更多的通信链路，极大地提高基站的服务容量。
二、阵列天线的两大趋势
1.从无源阵列天线到有源阵列天线系统
按照天线阵元是否有发射机，将相控阵列分成两种形式：无源相控阵列（整个天线共用一个发射机）和有源阵控阵列（每个或每组天线阵元共用一个发射机和接收机）。由于设备小型化、集成化、灵活性是系统发展的永恒主题，相较于无源阵列天线，有源阵列天线将是5G通信的必然选择。
这也意味着阵列天线可能会实现智能化、小型化（共设计）、定制化。因为未来的网络会变得越来越细，我们需要根据周围的场景来进行定制化的设计，例如在城市区域内布站会更加精细，而不是简单的覆盖。5G通信将会应用高频段，障碍物会对通信产生很大的影响，定制化的阵列天线可以提供更好的网络质量。
2.阵列天线设计的系统化和复杂化
5G通信中，对阵列天线提出了诸多挑战：高度集成化大规模天线系统的体系架构；小型化天线单元及射频集成化的研制；信号同步；各种预编码和方向图成形的精确算法；高度集成后系统的稳定性和可维护性等。
例如波束阵列(实现空分复用)、多波束以及多/高频段。这些都对阵列天线提出了很高的要求，它会涉及到整个系统以及互相兼容的问题，在这种情况下阵列天线技术已经超越了元器件的概念，逐渐进入了系统的设计。本文以波导缝隙阵列天线为例，带大家了解阵列天线的仿真技术。
三、波导缝隙阵列天线的仿真技术
波导缝隙阵天线具有口面场分布容易控制、阵列天线口径效率高、性能稳定、结构简单紧凑、重量轻、体积小、功率容量高、强度高、安装方便、便于实现高增益等优点，且容易实现窄波束、低副瓣乃至超低副瓣，所以波导缝隙阵列天线己经成为新型雷达中阵列天线的优选形式，被广泛应用于气象、导航、机载、舰载、弹载雷达和通讯领域。
波导缝隙阵列天线的设计方法和生产工艺都达到了相对成熟的解读，这其中各种电磁仿真软件功不可没。本文利用LEO电磁仿真分析软件，针对波导缝隙阵列天线进行了设计仿真，仿真结果很好地满足了设计要求。
1.仿真模型
图3 仿真模型
2.计算方法
采用高阶矩量法精确算法；计算频率：10GHz。
3.仿真结果
3.1 仿真3D结果
图4 仿真3D
3.2 与HFSS仿真2D结果对比
图5 XOY面方向图
（HFSS_0.01表示精度为0.01时的计算结果）
本案例采用独特的电磁算法，对波导缝隙阵列天线进行仿真分析，并与HFSS仿真结果进行对比分析，表明在保持计算效率的同时也可以保持良好的计算精度。
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本文标题：阵列天线新趋势和仿真案例分析
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