哪些關鍵技術能層層突破5G產品設計困難？（後篇）

◆  關鍵技術3：場路協同模擬

終端5G毫米波天線採用了AiP技術進行天線設計，整個天線內部需要將天線、射頻前端模組以及相控陣結構整合封裝，封裝中天線與射頻模組的結合需要精確模擬分析阻抗匹配。在5G毫米波的研究過程中後端電路與天線匹配以及堆疊影響是毫米波天線開發的關鍵技術。

所以對於AiP天線的設計來講，我們可以使用Ansys HFSS + Circuit Design來進行有源天線模擬。在Circuit Design中對射頻電路進行原理圖搭建與模擬。其中，軟體中內置有全面的RF器件並且支持對HFSS中求解的3D模型的動態鏈接，從而能建立準確、完善的RF電路。在Circuit Design中求解的RF電路結果可以採用激勵推送方式推送到陣列天線端口，通過HFSS後處理計算，就可以得到實時調節的天線方向圖。

Circuit Design為器件和電路及系統的設計提供了一個全整合化的設計環境，實現了系統模擬、電路設計和最佳化、版圖生成和平面及三維電磁場模擬完全無縫整合，以Circuit Design為設計平台，可以動態連接HFSS，實現與任意三維結構電磁場工具及複雜的大規模整合電路的協同模擬和最佳化設計，方便地建立和各種無源結構的模型、計算複雜三維結構電參數、實現虛擬原型，為一次設計成功提供了可能。

▲場路協同模擬方法

 

◆  關鍵技術4：ECAD + MCAD全模型網格裝配

5G入網標準中規定5G手機支持4×4 MIMO為強制標準，這樣的話終端內置的天線已從之前的十幾根增至幾十根天線，尤其加入毫米波天線模組後，對於整機無線性能提出更高的要求。所以需要工程師在產品前期堆疊時利用模擬軟體對整體天線佈局、天線形式、天線性能進行精確評估。

在傳統整機模擬中，電路板影響通常等效為一塊金屬板，不曾考慮PCB板上的過孔的寄生電感、「地」的空腔效應，多數用來定性分析。但隨著手機ID設計的極致化，劉海屏、全面屏、瀑布屏擠占手機淨空，內置天線數量增多，傳統的評估調試耗費工程師大量時間與精力，並且5G毫米波天線對周邊器件影響，毫米波天線在整機布放考慮，高頻電磁波對整機的射頻干擾等問題，採用傳統方法來定性判斷是遠遠不夠的。為了保證5G移動產品的無線性能指標，工程師提前對整機精細化模擬的結果可以用作無線性能評估依據。

Ansys的3D layout可以導入PCB文檔，在3D layout中生成三維電路板模型，並且3D layout中可以將MCAD與ECAD進行全模型裝配，3D layout實現PCB三維建模，可以將MCAD模型以組件形式安裝到三維PCB上，在3D Layout設計中，現在可以通過整個裝配體識別和選擇物理連接的網路。3D layout能夠完成自適應網格劃分，計算完整網路的S參數，並且計算過孔影響、「地」的空腔效應、走線耦合影響等。整機裝配模型也可以直接生成HFSS模型，在HFSS中進行整機模擬，但在HFSS中需要消耗的計算資源相對較多。

▲3D Layout ECAD + MCAD全模型網格裝配

 

◆  關鍵技術5：電—熱耦合

在整機設計過程通過實體原型往往難以對一些物理效應（如溫度變化影響、結構變形和化學反應）進行評估和施加，然而模擬卻能勝任。例如當手機的電熱模擬中包含了溫度相關的材料屬性，結果中會預測到嚴重的衰減。熱效應可能會讓設備失諧。過熱具有風險性，因為過熱會給手機的各個組件以及射頻/天線性能造成負面影響。此外，PCB組件的溫升也會影響射頻/天線的性能。手機長時間使用不僅會耗盡電池電量，手機本身也會變熱，導致連接中斷。對這些系統開展詳細的多物理場分析，可以發現潛在問題，並協助工程師開發可靠的高性能設備。

手機天線的電磁損耗與射頻放大器電路可以進行動態鏈接分析，以預測綜合模型的回波損耗並確定失諧程度。損耗可以映射到電子桌面強大的散熱解決方案—Ansys Icepak的統一設計中。例如，PCB上的元器件、天線和射頻放大器中不同的電磁損耗源可映射到Ansys Icepak的手機模型中，用於開展電熱分析。模擬可預測單個PCB組件、RF放大器和天線的安全工作溫度。

藉由模擬分析，工程師可以全面掌握手機的熱分佈。透過這些解決方案，能夠模擬熱效應對天線性能以及溫度相關的放大器的影響，在設計中考慮了材料的溫度相關屬性後發生失諧的程度。針對功率電子產品的設計，包括大電流供電，高負荷工作模式，多負載結果的電路設計，通常由於傳輸路徑上電流密度過大而超過導體所能承受的大小，從而引起溫度急劇上升，導致器件燒毀、脫焊以及載體電路板發生形變等現象。而溫度的上升與分佈情況同樣會影響電流分佈情況。包括晶片器件正常工作的電源電壓也會受到一定損耗。使用Ansys多物理耦合來評估驗證產品虛擬設計的可靠性問題，提出及時而有效的解決方案。

▲電—熱耦合分析

 

◆  關鍵技術6：Design-By-Desense

5G、W-Fi、藍牙等技術的推陳出新，頻率拓展速度越來越快，頻段利用率越來越高，無線信號干擾的問題卻是日漸嚴重。無線信號干擾源不勝枚舉，而在終端設備中，最容易遇到的無線干擾有三種：

1.  同頻干擾 (Co-Channel Interference)

2.  臨頻干擾 (Adjacent Channel Interference)

3.  射頻干擾 (RF Interference)

5G手機整合多個頻帶的無線系統（Cellular、WiFi、GPS）到設備中。在有限空間內並存有多個射頻器件同時工作時，接收機輸入端出現干擾時會出現接收靈敏度TIS下降“de-sense”問題。如果在接收器輸入端出現帶外信號或雜波時，會導致其靈敏度下降。當多個射頻器件並存於一個充滿數字信號的緊湊空間內，問題變得更加複雜，這些數字信號本身會產生射頻輻射，造成接收器減敏。

▲RFI干擾示意圖

 

面對系統內不同通訊模組彼此產生的射頻干擾，預防、定位、解決常常採用大量實驗來進行，通常進行階段在產品定型節點，而Ansys獨有的多物理場模擬可以在產品定型前期就可以對射頻干擾問題進行定性分析，不必等到拿到產品整機，所以採用模擬來定位、定性分析“de-sense”問題可以縮短產品定型週期、提升產品競爭力。

Ansys提供的多物理域多學科模擬能降低成本，尤其是在儘早使用並貫穿研發週期的情況下。綜合使用Ansys HFSS、Ansys RF Option和EMIT可以分析並緩解5G智能手機的無線電靈敏度劣化和干擾問題。採用“Design-By-Desense”模擬工作流程，有助於有效利用這些工具，在統一的模擬模式下綜合開展SI、電磁、射頻和電路/系統分析。使用Ansys工具實施該工作流程，可提高易發生EMI和RFI問題的無線設備的可靠性與性能。

▲Design-By-Desense 模擬工作流程

 

◆  總結

隨著5G移動通信技術的發展，MIMO技術及毫米波天線在終端產品中的應用，終端產品中的天線數量相比於4G終端中成倍增加，如何利用越來越緊湊的空間進行天線設計是天線工程師面臨的難題，如何利用模擬軟體進行精確的天線設計與天線布放從而評估無線性能，也越來越受到產品設計的重視。Ansys提供的終端天線模擬整體方案便可以提供貫穿整個產品週期的解決方案，從元件設計到系統設計實現系統性能，而從單一物理域到多物理域的模擬方法突破了設計過程中的單一領域考慮，提供了跨領域設計的解決方案。

未來5G技術將會在終端、網路、無線接入等方面進行融合及創新，5G網路能夠為我們提供高速率、高可靠性、低時延的服務，提供極佳的交互體驗，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴；「零」時延的使用體驗、千億設備的連接能力、超高流量密度、超高連接數密度和超高移動性等多場景的一致服務、用戶感知的智能優化，同時將為網路帶來超百倍的效能提升和超百倍的比特成本降低，最終實現「信息隨心至，萬物觸手及」的總體願景。

 

（資料來源：Ansys）