行业新闻 2025-06-23
电信行业正在积极开发下一代移动通信技术。继5G之后，6G预计将在2030年初推出，为用户带来更快速、更可靠的蜂窝数据传输体验。6G面临的最大挑战之一是如何在覆盖范围与能源消耗之间取得平衡。随着频率的升高，电磁波穿透障碍物的能力会降低，这需要在密集的城市环境中使用高功率设备及大量的“纳米蜂窝”。提高网络效率至关重要，而使用透镜天线便是一种可行的解决方案。
透镜天线通过在辐射单元前方放置一种材料，将辐射波聚焦成波束。该波束将能量集中在预期方向，同时最大限度地减少了能量损耗和散射辐射。与天线阵列等其他波束赋形技术相比，透镜具有无源、低成本和低功耗的特点。它们不像有源供电解决方案那样需要进行热管理措施，并且可以与天线阵列结合使用，以提高阵列的辐射效率和视场角。
梯度折射率（GRIN）透镜利用增材制造等先进制造技术来构建具有可变折射率的复杂结构。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，并且其特性可以得到更精确的控制。动画1显示了平面波入射到传统透镜和平坦GRIN透镜上的情况。GRIN透镜对波的折射方式与传统透镜类似。
GRIN透镜采用超材料结构，通过周期性排列的亚波长单元构建成完整的器件。单元几何形状的细节在宏观尺度上产生了在天然块状材料中无法实现的电磁特性。从而为各种应用场景开发创新型透镜天线开启了可能性。
其中一种有前景的透镜变体是用于密集化应用的龙勃透镜。龙勃透镜是一种球形GRIN透镜，其折射率从中心到边缘逐渐减小，可将入射平面波聚焦到球体另一侧的单个点上。这一特性在基站领域具有应用潜力，单个龙勃透镜由多个天线馈电，可以将网络蜂窝划分为径向子蜂窝。这是一种高效的解决方案，适用于在公共广场和节庆活动等人员密集场所，通过单个基站即可提供高密集覆盖网络。
在设计基于超材料的GRIN天线时，设计过程主要包括两个关键阶段——超材料单元结构设计与整体天线系统设计。电磁仿真在这两个设计阶段均至关重要。
为说明该设计过程，我们采用了来自我们合作伙伴Fortify的3D打印6G龙勃透镜设计案例。
#1 GRIN透镜晶胞设计
超材料本质上呈现出类晶体周期性晶体结构，我们可以借鉴光子学领域的技术来高效优化设计。
我们选取单个的单元结构，对其进行参数化，以便能够改变填充因子，填充因子决定了单元中介质的填充比例。最终，我们希望找到填充因子与等效介电常数（Dk）之间的关系，从而确定单元的等效折射率，进而实现完整透镜的设计。
为此，我们可在CST Studio Suite中建立色散特性仿真，从不同方向激励单元结构。SIMULIA的CST Studio Suite包含一个自动模板，利用软件内置的自动化模板配置仿真参数，以自动生成色散图。更多信息，请参阅此知识库文章（https://support.3ds.com/knowledge-base/?q=docid:QA00000328091）。
除了计算Dk值，我们还可以计算透镜的截止频率。我们可以使用色散图来实现这一点，该图绘制了结构中不同模式在不同入射光线相位下的频率。在非匀质材料中，这些模式对所有入射角的响应并非一致，从而导致在相同相位下的相同模式具有两个不同频率的情况。这将引起反射并形成透镜的“软截止频率”（图2）。当频率高于该值时，透镜的效率将开始下降。通过研究整个填充因子范围内的孔径效率，工程师可以确保其开发的透镜在6G频段内保持高效率。
图3：均匀介质（左）和GRIN超材料（右）的色散图。在超材料中，突出显示了归一化频率在0.5-0.6附近模式频率之间的间隙。
图4：GRIN透镜的传输效率。归一化频率在0.5-0.6附近的效率下降是由图中所示的模式失配引起的。
#2 完整GRIN透镜设计
一旦单元设计完成，就必须对整个透镜进行分析，以确保其在构建并安装到天线系统中时能够按预期工作。目前有几种方法可以对完整透镜进行建模。最直接的方法是构建透镜的完整3D模型，包括超材料的所有细节。然而，由于详细的几何结构需要非常精细的网格，这将导致非常繁重的计算量。
另一种选择是构建电介质马赛克或电介质壳模型。将透镜分解成若干模块，并为每个模块分配超材料的平均电介质特性。这种方法的计算效率更高，但需要用户进行更多的前期建模工作。
第三种选择是使用空间映射（spacemap）。这种方法创建出一个与超材料具有相同空间变化介电特性的块状材料，实现便捷建模与高效网格划分。CST Studio Suite包含一个Python接口，可用于自动化空间映射的生成，并将空间映射与自动优化程序相关联。
图5比较了上述的不同建模方法。
设计的最后一步是“聚焦”透镜，利用优化来微调其在实际天线系统馈电工况下的特性。透镜的焦点和相位中心可以通过自动优化进行对准。因此，空间映射方法的仿真速度和灵活性具有显著优势。
优化的最终结果如图6所示。该透镜按设计要求工作，可在120°视场内提供可接受的覆盖范围，天线的所有7个扇区均形成了强波束，且相互之间隔离良好。
图6：系统和透镜的天线方向图（左）以及信干噪比（SNIR）（右）
GRIN透镜是一项前景可观的技术，能够助力高性能 6G 基站实现更优覆盖与可靠性、支持更多并发用户并降低功耗。在 GRIN 透镜设计过程中，可借助电磁仿真优化透镜设计并满足性能要求。仿真有助于设计单个超材料单元及整个天线系统。通过仿真可以加速GRIN透镜的研发，同时降低将这种创新技术推向市场所涉及的风险。
通格创智是达索授权代理商，如需采购CST Studio Suite电磁场仿真软件，可来电联系我们：400-112-8028
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