5g毫米波阵列天线仿真——cdf计算【cst仿真案例】-凯发网站

累计分布函数（cdf）在统计学上是一个由0增长到1的曲线。5g中cdf被3gpp标准推荐使用，5g 天线阵的有效全向辐射功率eirp的cdf函数被用来评价设备的质量和性能。由于eirp是在某一个方向角theta, phi上的辐射功率，幅值由天线增益与激励功率乘积决定，所以eirp在球形全方向上有最大值和最小值，且区间内连续。所以，我们可定义一个概率函数，表示eirp在一定值内的概率，该概率函数自然就有累计分布函数cdf。

 

cdf在eirp最小值以下为零，eirp最大值以上为1。所以cdf是以eirp为横坐标变量的增长函数，该函数展示了eirp在球形全方向的分布。

 

虽然cdf=0时的eirp才是能达到球形辐射状态的最小的eirp值，考虑实际环境限制和损耗，3gpp标准实际则要求cdf=0.5时的eirp，比如要达到至少11.5dbm。

 

cdf=1 时，对应的eirp就是该天线阵能达到的eirp峰值，3gpp标准也要求这个eirp峰值要高过一个最小值。比如智能手机毫米波段这个最小值在20-22dbm左右，其他类别毫米波段设备的最小值可以是29dbm,43dbm等；当然eirp峰值也有要低于一个最大值，比如智能手机毫米波段最大值为43dbm。

 

当然对于不同设备，标准还可以定义cdf=0.2，0.6 或0.8时的eirp值，都有一定的范围要求。在设备后期仿真过程中，加上人体模型或外界环境的仿真，天线辐射区域有所遮挡，eirp下降，cdf是会整体左移的。如果设计不当，比如cdf=0.5时的eirp本身不够高，虽然可以加大激励信号功率，使cdf曲线整体右移，但是要冒着总辐射功率（trp）超标的风险。

 

这里我们以一个简化的毫米波封装天线aip为例，演示如何获取cdf。

step1 仿真得到全s参数
天线s参数显示工作频段为n257的26.5ghz-29.5ghz毫米波。

 

 

 

单端口的远场显示均匀主瓣向上。

 

 

step2 定义激励参数：每个端口的振幅和相位，控制振幅或相位的theta和phi

后处理“2dand 3d field results -> - combine results using am-ph parameters”, 点击ok, 参数列表处会自动生成振幅和相位参数，默认振幅“am”为1，相位“ph“为0，这步只需要运行一次，如果用cst的array task, 则参数定义都自动化。

 

 

 

此外，这个后处理还生成一个新的远场结果，后缀为[comb-am-ph]，这个远场只有一个eirp波束，我们需要多个eirp波束的扫描结果来算总体的cdf。

 

 

 

这里我们可以看到一个定向的远场波束。

 

 

 

在扫描之前，可以根据天线数字信号的激励信息修改这些参数。这里我们用180*sind(theta)和不同系数来控制端口2，3，4的相位。如果有激励列表，我们也可以支持导入。

 

 

 

step3 定义后处理total scan pattern (tsp)

扫描之前，还需要定义后处理扫描全图。这里选择realized gain。

 

 

 

后处理参数扫描theta或phi 得到tsp。下面进行参数扫描，注意这里用的是后处理扫描，不重新进行三维激励运算。这里扫描是要记录下哪个方向上的远场信息，我们用简单五个theta角度。

 

 

 

如果用户有自己的扫描点，可以通过这里的import导入。扫描之后得到总扫描波束，如下图所示：

 

 

关于如何生成total scan方向图，也可以参考下面两篇过去的文章如何仿真total scan方向图的和如何仿真total scan方向图(2)。

 

step4 定义和运行后处理cdf

最后定义一个远场后处理，选择tsp，realizedgain，还有cdf。

 

 

 

evaluate单独运行这个cdf后处理即可。

 

 

 

cdf结果在tables里面，如下图所示：

 

 

 

 

调整一下坐标。这里我们横坐标用的是realizedgain，单位是db,转化成eirp还需加上激励功率，用后处理将x轴加上输入功率，比如10dbm。

 

 

 

横坐标调整后，我们便得到了cdf。这时结果还在tables里面，横坐标名称还没有改。用户可将这个结果重新拷贝到1dresult 新建文件夹，然后右键曲线属性修改名称，比如eirp等。

 

 

本案例只在三维界面中用增益获取cdf。当然还有其他方法获得cdf，比如在schematic里通过后处理，或者通过powerflow功率密度推导，都可以反复验证cdf的准确性。

 

参考文献：

ts38.101-2  v15.0.0user  equipment  (ue) radio transmission  and reception;part 2: range 2 standalone (release 15), jun. 2018

 

（内容、图片来源：cst仿真专家之路公众号，侵删）

 

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