行業新聞 2025-06-23
電信行業正在積極開發下一代移動通信技術。繼5G之后，6G預計將在2030年初推出，為用戶帶來更快速、更可靠的蜂窩數據傳輸體驗。6G面臨的最大挑戰之一是如何在覆蓋范圍與能源消耗之間取得平衡。隨著頻率的升高，電磁波穿透障礙物的能力會降低，這需要在密集的城市環境中使用高功率設備及大量的“納米蜂窩”。提高網絡效率至關重要，而使用透鏡天線便是一種可行的解決方案。
透鏡天線通過在輻射單元前方放置一種材料，將輻射波聚焦成波束。該波束將能量集中在預期方向，同時最大限度地減少了能量損耗和散射輻射。與天線陣列等其他波束賦形技術相比，透鏡具有無源、低成本和低功耗的特點。它們不像有源供電解決方案那樣需要進行熱管理措施，并且可以與天線陣列結合使用，以提高陣列的輻射效率和視場角。
梯度折射率（GRIN）透鏡利用增材制造等先進制造技術來構建具有可變折射率的復雜結構。與基于光學原理的傳統透鏡不同，GRIN透鏡可以具有任意形狀，并且其特性可以得到更精確的控制。動畫1顯示了平面波入射到傳統透鏡和平坦GRIN透鏡上的情況。GRIN透鏡對波的折射方式與傳統透鏡類似。
GRIN透鏡采用超材料結構，通過周期性排列的亞波長單元構建成完整的器件。單元幾何形狀的細節在宏觀尺度上產生了在天然塊狀材料中無法實現的電磁特性。從而為各種應用場景開發創新型透鏡天線開啟了可能性。
其中一種有前景的透鏡變體是用于密集化應用的龍勃透鏡。龍勃透鏡是一種球形GRIN透鏡，其折射率從中心到邊緣逐漸減小，可將入射平面波聚焦到球體另一側的單個點上。這一特性在基站領域具有應用潛力，單個龍勃透鏡由多個天線饋電，可以將網絡蜂窩劃分為徑向子蜂窩。這是一種高效的解決方案，適用于在公共廣場和節慶活動等人員密集場所，通過單個基站即可提供高密集覆蓋網絡。
在設計基于超材料的GRIN天線時，設計過程主要包括兩個關鍵階段——超材料單元結構設計與整體天線系統設計。電磁仿真在這兩個設計階段均至關重要。
為說明該設計過程，我們采用了來自我們合作伙伴Fortify的3D打印6G龍勃透鏡設計案例。
#1 GRIN透鏡晶胞設計
超材料本質上呈現出類晶體周期性晶體結構，我們可以借鑒光子學領域的技術來高效優化設計。
我們選取單個的單元結構，對其進行參數化，以便能夠改變填充因子，填充因子決定了單元中介質的填充比例。最終，我們希望找到填充因子與等效介電常數（Dk）之間的關系，從而確定單元的等效折射率，進而實現完整透鏡的設計。
為此，我們可在CST Studio Suite中建立色散特性仿真，從不同方向激勵單元結構。SIMULIA的CST Studio Suite包含一個自動模板，利用軟件內置的自動化模板配置仿真參數，以自動生成色散圖。更多信息，請參閱此知識庫文章（https://support.3ds.com/knowledge-base/?q=docid:QA00000328091）。
除了計算Dk值，我們還可以計算透鏡的截止頻率。我們可以使用色散圖來實現這一點，該圖繪制了結構中不同模式在不同入射光線相位下的頻率。在非勻質材料中，這些模式對所有入射角的響應并非一致，從而導致在相同相位下的相同模式具有兩個不同頻率的情況。這將引起反射并形成透鏡的“軟截止頻率”（圖2）。當頻率高于該值時，透鏡的效率將開始下降。通過研究整個填充因子范圍內的孔徑效率，工程師可以確保其開發的透鏡在6G頻段內保持高效率。
圖3：均勻介質（左）和GRIN超材料（右）的色散圖。在超材料中，突出顯示了歸一化頻率在0.5-0.6附近模式頻率之間的間隙。
圖4：GRIN透鏡的傳輸效率。歸一化頻率在0.5-0.6附近的效率下降是由圖中所示的模式失配引起的。
#2 完整GRIN透鏡設計
一旦單元設計完成，就必須對整個透鏡進行分析，以確保其在構建并安裝到天線系統中時能夠按預期工作。目前有幾種方法可以對完整透鏡進行建模。最直接的方法是構建透鏡的完整3D模型，包括超材料的所有細節。然而，由于詳細的幾何結構需要非常精細的網格，這將導致非常繁重的計算量。
另一種選擇是構建電介質馬賽克或電介質殼模型。將透鏡分解成若干模塊，并為每個模塊分配超材料的平均電介質特性。這種方法的計算效率更高，但需要用戶進行更多的前期建模工作。
第三種選擇是使用空間映射（spacemap）。這種方法創建出一個與超材料具有相同空間變化介電特性的塊狀材料，實現便捷建模與高效網格劃分。CST Studio Suite包含一個Python接口，可用于自動化空間映射的生成，并將空間映射與自動優化程序相關聯。
圖5比較了上述的不同建模方法。
設計的最后一步是“聚焦”透鏡，利用優化來微調其在實際天線系統饋電工況下的特性。透鏡的焦點和相位中心可以通過自動優化進行對準。因此，空間映射方法的仿真速度和靈活性具有顯著優勢。
優化的最終結果如圖6所示。該透鏡按設計要求工作，可在120°視場內提供可接受的覆蓋范圍，天線的所有7個扇區均形成了強波束，且相互之間隔離良好。
圖6：系統和透鏡的天線方向圖（左）以及信干噪比（SNIR）（右）
GRIN透鏡是一項前景可觀的技術，能夠助力高性能 6G 基站實現更優覆蓋與可靠性、支持更多并發用戶并降低功耗。在 GRIN 透鏡設計過程中，可借助電磁仿真優化透鏡設計并滿足性能要求。仿真有助于設計單個超材料單元及整個天線系統。通過仿真可以加速GRIN透鏡的研發，同時降低將這種創新技術推向市場所涉及的風險。
通格創智是達索授權代理商，如需采購CST Studio Suite電磁場仿真軟件，可來電聯系我們：400-112-8028
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