智慧型互聯產品的急遽增加需要快速提升通訊頻寬，但可用的射頻頻譜(Radio Frequency Spectrum)成長速度遠落後其需求。第五代蜂巢式無線技術或稱5G可因應這個問題，運用波束成型天線，將不同訊號傳送到蜂巢式網路的不同區域，容許在同時間用相同頻率發送多個相同訊號。Pivotal Commware正在設計新世代波束成形(Beamforming)天線或蜂巢式基地台和其他應用，所需成本較目前低上許多。
過往的3G和4G LTE蜂巢式技術已將頻段和時間分割為越來越小的單元，讓網路支援更多手機用戶，完善至幾近完美。5G的新關注焦點是細分(Subdividing)空間，Pivotal Commware的做法是導入全像式波束成形(Holographic Beamforming, HBF)天線技術。HBF運用變容二極體(Varactor)，這種電子元件遠比目前相位陣列或多輸入多輸出(Multiple-input Multiple-output, MIMO)等波束成形天線要簡單且成本更低(圖1)。
圖1 Floquet分析可由單一天線元件產生無限大陣列。
成本、尺寸、重量與耗電(C-SWaP)是通訊系統設計中的關鍵挑戰。採用傳統方法花費一個月製作原型，決定任何設計缺陷、創造新設計等等，將無法滿足產品上市時程需求。相反的工程師可透過3D電磁(EM)模擬軟體，設計5G天線的所有重要元件，包括轉換器(Transition)、饋送網路(Feed Network)、耦合器(Coupler)、RF/DC區塊、傳輸線和輻射元件。工程師透過模擬，在早期開發流程中獲得可靠設計，並避免傳統設計方法所需的多次原型疊代(圖2)。
圖2 導數調整不須額外的模擬即可容許微調。
波束成形為5G效能關鍵
4G LTE將蜂巢式技術推到時間和頻率多工的理論極限，因此工程師開始試圖用軟體帶動的高度指向性天線來切割物理空間。這讓位於蜂巢式網路內不同位置的手機用戶可以同時共用相同的頻率。MIMO是該領域的領導技術，它用多個發射器和接收器來刺激天線的不同元件，傳送的數據流雖然行經路徑不同，但最終可以合併。但MIMO需要複雜且昂貴的基頻單元(Baseband Unit, BBU)來協調系統和無線電元件背後的運作，造成高成本及高功耗。
相形之下，全像式波束成形的每個天線元件只要運用一個變容二極體(電容量視直流偏壓而定的可變電容)，就能將無線容量指向蜂巢中需要的地方，不需多個無線電或複雜的BBU。這種技術之所以被稱為全像式波束成形，是因為天線中控制射頻波形的變容二極體偏壓型態與全像控制光波以產生3D影像的方法相同。改變變容二極體的直流偏壓會改變各元件參考波形看到的阻抗，進而改變陣列的輻射型態，將波束指向蜂巢式網路中的一群甚至單一手機用戶。用來建構全像式波束成形天線的所有元件都是大批量產、低成本的現成元件，因此成本較MIMO或相位陣列低得多(圖3)。
圖3 參數化研究發現衰減與距離天線中線的角度的函數關係。
輻射器成為設計挑戰
工程師運用3D電磁模擬軟體製作HBF天線的所有微波元件模型。重點是輻射器元件，也就是負責輻射型態的天線被動元件。輻射器之所以成為重大設計挑戰，是因為它們必須在寬頻範圍內於很緊湊的封裝(小於波長的五分之一)進行高效運作。
以雙極化二階響應的輻射器為例，它的模型包括側壁的主/從邊界、通過z=0理想接地平面雙同軸饋線以及頂部邊界的一個Floquet埠。輻射器元件包括跨極化梯貼片、感應網格以及頂部寄生貼片。每個天線陣列都包括數千個相同的元件；替每個元件製作模型既枯燥又要花費很長的解析時間。所以工程師運用在+z壁上有兩種模式的3D電磁模擬軟體Floquet埠，製作無限平面週期結構的模型，在側壁將元件相接。天線傳播特性則根據頻率、相位與元件幾何設定。這種做法讓工程師只要調整單一元件，然後解析新疊代的S參數，以支援快速設計疊代，而所需要的時間比傳統模型還要少上許多。
工程師將模型的所有關鍵設計變數予以參數化。這樣就能運用3D電磁模擬軟體外掛Optimetrics的分析導數(Derivatives)功能，用調諧刻度盤(Tuning Dial)修改任何設計參數，並立刻更新結果圖，無須再度解析模型。例如工程師用調諧刻度盤將元件厚度改動1毫米，輻射效率圖上就會出現新的虛線曲線，可方便與原始圖比較，顯示變更的影響。除了輻射效率外，分析導數模擬只要跑一次模擬，就能提供其他S參數、遠場和各設計參數的一階分析導數，部分導數的大小顯示S參數對各設計變數在模擬頻率範圍內改變的靈敏度。
運用參數化掃描研究衰減
工程師也運用參數化掃描，研究天線效能衰減和偏離側向方位的函數關係。他們通常會以10度為間隔，畫出天線效率和波束成形方向頻率的函數圖。這些圖形通常會顯示距離中線0到20度幾近完美的輻射效率，然後隨著天線逐漸遠離中線，效率就會下降。全像式波束成形天線在與中線呈90度時，仍能達到合理的效能。
前幾代的天線設計工程師運用人工計算，做出高度近似值的初代設計，再透過製作和測試一系列原型逐步改進。3D電磁模擬軟體讓工程師建構含一個Floquet埠的週期性模型，可運用分析導數工具獲得所需的效能以快速解析模型，從而加快設計速度。然後工程師可進行參數化分析，微調並確認最佳化設計。這種作法已將疊代平均時間(Time-per-design)從一個月縮短至數分鐘，在交貨時程緊湊時滿足其他市場中蜂巢式電信運營商和手機用戶的嚴格效能目標和嚴苛需求。
(本文由Ansys提供，作者為Pivotal Commware技術長)