介绍为什么6G需要透镜天线电信行业目前正在开发下一代移动通信技术。在5G之后预计6G将在2030年代初期推出带来更快、更可靠的蜂窝数据传输。6G最大的挑战之一是平衡覆盖范围与能源消耗。随着频率的增加波通过障碍物的能力降低需要在密集的城市环境中使用高功率水平和众多的“纳米小区”。提高网络效率将是至关重要的一种方法是使用透镜天线。透镜天线在辐射元件前放置了一种材料该材料将辐射波聚焦成一束。这束波将能量集中在预期方向同时尽量减少浪费和散射辐射。与其它波束成形技术如天线阵列相比透镜是被动的、低成本和低功耗的。它们不像有源解决方案那样需要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透镜天线是如何工作的梯度折射率GRIN透镜利用先进的制造技术如增材制造来构建具有变化折射率的复杂结构。与基于光学原理的传统透镜不同GRIN透镜可以具有任意形状并且其特性可以更精确地控制。动画1显示了一束平面波分别照射在传统透镜和平面GRIN透镜上。平面波在传统透镜和平面GRIN透镜中都被折射得类似。GRIN透镜具有超材料结构通过较小的单元重复来构建整个设备。单元的几何结构细节在较大尺度上产生效应这是自然块状材料无法复制的。这为各种应用创新新型透镜天线的可能性打开了大门。一个有前景的变体是用于增强应用的Luneburg透镜。Luneburg透镜是一种球形的渐变折射率透镜其折射率从中心到边缘逐渐减小能够将入射平面波聚焦到球体相对的一侧的单一点上。这在蜂窝应用中具有应用潜力单个Luneburg透镜可以由多个天线馈送将网络小区分割成径向子小区。这是一个在包含大量人群的场所如公共广场和节日活动中由单个基站提供密集覆盖的有效解决方案。GRIN透镜具有超材料结构通过较小的单元重复来构建整个设备。单元的几何结构细节在较大尺度上产生效应这是自然块状材料无法复制的。这为各种应用创新新型透镜天线的可能性打开了大门。一个有前景的变体是用于增强应用的Luneburg透镜。Luneburg透镜是一种球形的渐变折射率透镜其折射率从中心到边缘逐渐减小能够将入射平面波聚焦到球体相对的一侧的单一点上。这在蜂窝应用中具有应用潜力单个Luneburg透镜可以由多个天线馈送将网络小区分割成径向子小区。这是一个在包含大量人群的场所如公共广场和节日活动中由单个基站提供密集覆盖的有效解决方案。图1一个3D打印的Luneburg透镜GRIN透镜单元细胞设计一种超材料有效地具有周期晶体的结构我们可以从光子学领域借用来优化设计。我们取结构的一个单元格参数化以允许我们更改填充因子填充因子决定了单元格中有多少部分被电介质填充。最终我们希望找到填充因子与有效介电常数或Dk之间的关系从而我们可以确定单元格的折射率这将使我们能够设计完整的透镜。为了做到这一点我们在CST Studio Suite中设置了一个色散模拟从不同方向激发单元格。SIMULIA的CST Studio Suite包括一个自动模板用于设置具有适当属性的模拟以便自动生成色散图。图2不同填充因子提取的Dk。除了计算Dk我们还可以计算透镜的截止频率。我们可以使用色散图来做到这一点该图绘制了结构中不同模式的频率与入射光线不同相位的关系。在非均匀材料中这些模式对于所有入射角度来说并不相同导致相同模式在相同相位下有两个不同的频率。这将引起反射并使透镜产生“软截止频率”如图2所示。在这些频率之上透镜的效率开始下降。通过研究在整个填充因子范围内的孔径效率工程师可以确保他们的透镜在6G频率带内保持高效。图3均匀介质左和渐变折射率GRIN超材料右的色散图。在超材料中归一化频率约为0.5-0.6时模态频率之间的间隙被突出显示。图4GRIN透镜传输效率。在归一化频率约为0.5-0.6附近效率下降是由图4中所示的模态不匹配引起的。全GRIN透镜设计一旦单元格被设计好整个透镜必须进行分析以确保其在天线系统中构建和安装时能够按预期运行。有几种方法可以对整个透镜进行建模。最直接的方法是构建透镜的完整3D模型包括所有超材料的细节。然而这将非常计算昂贵因为详细的几何形状将需要非常精细的网格。另一个选项是建立介电马赛克或介电壳模型。将透镜分解成块然后将每块分配为超材料的平均介电特性。这在计算上更高效尽管它需要用户进行更多的前期建模工作。第三个选项是使用空间映射。这会创建一个具有与超材料相同空间变化介电常数的块状材料该材料可以轻松建模并高效网格化。CST Studio Suite 包含一个 Python 接口可以用于自动化空间映射的生成并将空间映射链接到自动优化算法。这些方法在图5中进行比较。图5不同模型创建方法的比较 – Spacemap顶部Mosaic中间和完整3D底部。三种方法的结果几乎相同。设计的最后一步是“聚焦”透镜通过优化来微调其由实际天线系统提供的属性。透镜的焦点和相位中心可以通过自动优化对齐为此spacemap方法的模拟速度和灵活性具有明显优势。优化的最终结果如图6所示。该透镜按规格工作提供了在120°视场范围内可接受的覆盖范围天线的7个扇区形成强波束并彼此很好地隔离。图6系统和透镜的天线模式左和信干加噪声比SNIR右。结论GRIN透镜是一项有前景的技术能够实现高性能的6G基站提供更好的覆盖和可靠性支持更多同时用户并减少功耗。电磁模拟可以在GRIN透镜设计过程中使用以优化透镜设计并满足要求。模拟有助于开发单个超材料单元和整个天线系统。使用模拟可以加速GRIN透镜的开发并降低将这一创新新技术推向市场所涉及的风险。【相关内容】CST电磁仿真中什么是原场什么是透射CST不同天线辐射方向图对信道影响的仿真CST案例利用电流钳current probe测试实现电源模块的CE仿真