CST电磁仿真如何将GRIN透镜天线用于6G

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4：GRIN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。

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