随着通信标准向毫米波等更高频段转变，在通信系统中集成天线阵列已成为必然趋势。这些更复杂的阵列能够实现更高的增益和更窄的波束宽度，从而克服这些频段固有的高路径损耗，并有助于实现新标准所承诺的更高吞吐量。即使是仅由几个单元组成的小型阵列，要全面了解不同功率和相位组合所能实现的覆盖范围也并非易事。 当天线阵列规模扩大至包含数十甚至数百个单元时，必须借助先进的工具才能全面描述设计的工作原理和有效性。XFdtd® 电磁仿真软件包含分析工具，可快速表征用于波束成形和波束转向应用的天线阵列性能。叠加功能通过在线性空间中快速叠加电磁仿真获得的基本数据，能够快速合成复杂问题。
例如，考虑问题空间中的多天线系统。对于每个目标天线，在电磁仿真中只需计算一次所需数据，如S参数、效率和远场特性。通过复数缩放，这些数据可快速组合，从而为任意所需的天线功率和相位组合生成辐射图以及相应的有源S参数和效率。 对于已知特定端口功率和相位选项的情况，所得的远场辐射图可在后处理阶段立即计算出来。
图1 采用XFdtd的叠加功能模拟的1×8线性阵列（a）和两个1×4线性阵列（b）的贴片元件分布图。
第二种情况是，已知具体的波束方向，且需要调整各端口功率和相位，以在这些方向上最大化有效各向同性辐射功率（EIRP）。通过统计分析，可以计算EIRP的累积分布函数来确定天线阵列在所有可能方向上的覆盖范围，该函数显示了在给定输入功率下，球面远场区域中具有正增益的体积所占的百分比。
我们还可以研究一个由28 GHz贴片天线单元组成的1×8阵列，其中利用叠加功能将单元间的相位以30度为步长从-90度扫至90度。 如图1a所示，这将形成七个独特的波束，在-30度至30度之间聚焦成扇形波束。如果该阵列采用两个相邻的1×4子阵列配置，则也可利用叠加功能为每个子阵列生成独立的辐射图，如图1b所示。
此外，对于已知所需波束方向且需要调整端口设置的情况，可使用阵列优化功能。大型二维阵列（例如 28 GHz 下的 8×8 贴片阵列）将产生窄波束，这些波束可在阵列上方的广阔方向范围内进行扫描。 图2展示了使用阵列优化工具生成的最大保持（Max Hold）辐射图，该案例要求在方位角方向每15度形成一个波束，且仰角比垂直方向低30度。计算完成后，即可获得形成每个波束所需的单元端口功率和相位要求。
大型天线阵列也可作为一组独立运行的小型子阵列来工作。如图3所示，同一组8×8阵列被划分为四组4×4子阵列，每组子阵列均采用独特的功率和相位配置，用于与不同的接收机通信。借助阵列分析工具，可以定义这些子阵列并探索其工作特性。
图2：由8×8补丁单元阵列构成的图案，使用XFdtd中的阵列优化工具进行模拟。
图3：由四个4×4独立子阵列组成的8×8补丁单元阵列的图案，使用XFdtd中的阵列分析工具进行模拟。
在单一设备上部署多个天线阵列可实现空间分集，从而提供比单一天线阵列更广的覆盖角度范围。一个可能的应用场景是5G手机，其边缘周围布置有多个天线阵列。 如图4所示，手机外壳的侧面、顶部和底部各配置一个天线阵列，每个阵列均为四单元贴片天线阵列，可产生覆盖阵列垂直方向大范围区域的可控波束。这些阵列协同工作时，可提供多方向的覆盖，这一点通过等效全向辐射功率（EIRP）的累积分布函数（CDF）计算得以最佳体现。该一维函数描述了在给定输入功率下，阵列覆盖远场球体所占的百分比。 图5展示了手机边缘不同天线组合的等效全向辐射功率（EIRP）累积分布函数（CDF）曲线，可以看出，对于典型的23 dBmW输入功率，单个天线在约66%（根据CDF曲线计算为1 – 0.34）的方向上能提供正增益。 当组合使用两个位于一个角上的阵列时，覆盖率提高到约 90%；而当手机相对两侧的阵列组合使用时，则可实现全覆盖。
图4：手机内分布着四个1×4天线阵列，以实现宽广的空间覆盖。
图5：手机中分区天线阵列的等效全向辐射功率（EIRP）累积分布函数（CDF）。
随着5G高频系统需求日益增长，设备性能被推向新的高度，对复杂天线系统进行更全面分析工具的需求也在持续增加。XFdtd 通过提供高效的方法来验证阵列覆盖范围，从而简化了理解设备性能的过程。
