5G/毫米波技術帶來全新挑戰 模擬工具鏈出手解難題



圖1、達梭系統 SIMULIA 電磁模擬解決方案顧問趙桐認為,在5G的天線設計上,工程團隊對高頻模擬分析工具和多物理協同設計工具的倚賴程度將比過去更高。

5G跟車用雷達的興起,在射頻技術領域掀起革命。由於這兩種應用所使用的頻段都比以往來得高,因此其波長均已達到毫米波(mmWave)水準,與以往的射頻訊號在物理特性上有著極大差異。硬體開發者為了克服毫米波所帶來的挑戰,紛紛導入新的設計架構與材料,例如將天線整合到晶片封裝,或是在PCB板上使用導波材料,但這也使得硬體設計變得更加複雜,設計開發時將面臨更多不確定性。

達梭系統(Dassault Systèmes SE)SIMULIA電磁模擬解決方案顧問趙桐(圖1)表示,該公司的CST Studio Suite?(以下簡稱CST)是業界領先的三維電磁場模擬分析軟體,為使用者提供完整的系統級和部件級的數值模擬最佳化。軟體覆蓋整個電磁頻段,提供完備的時域和頻域全波電磁演算法和高頻演算法。CST 可協助通信電子、醫療、汽車、國防、航空航太等領域的工程師對電磁現象建模,並對他們的設計進行評估與最佳化。典型應用包含電磁相容EMC/EMI、天線設計與安裝、濾波器設計、高速互連EDA設計、信號與電源完整性分析SI/PI、核磁共振MRI、電纜和帶電粒子設備、高功率微波,以及電磁場與電路或溫度等協同模擬。

在過去的十多年的發展中,CST不斷的提高軟體性能,大量的適應新應用、新技術,每年都有一個大幅提升的新版本和至少5-6次的更新,這讓我們在精確度、模擬速度、功能以及易用性的諸多維度上的最佳化平衡處於產業領先位置,CST具有業界公認的簡潔易用的軟體介面,即使是初學者,也能迅速上手,輕鬆模擬複雜的電磁環境。

CST自2016年加入達梭系統公司,與Abaqus、Isight、fe-safe、Tosca、Simpack、XFlow等諸多先進的工程分析軟體同屬SIMULIA品牌,這使得多物理場模擬分析變得更加協同、開放與整合。在現代產品設計過程中,客戶必須應對多物理的問題,如何高效的利用不同專業學科的軟體工具,增強不同背景技能人才的相互溝通合作,這是很多企業所面臨的挑戰,在達梭系統的3DEXPEREICE平台上,從設計與工程、製造與生產、模擬、管理與生命週期、專業人員 3D 設計體驗到其他更廣泛的服務,不同的角色交流和合作會更加高效,SIMULIA的多物理場模擬分析僅僅是該平台的一部分功能。

高頻段帶來新挑戰


談到5G天線的設計挑戰, 無論是手機還是任何5G電子設備,在更高頻率條件下的電尺寸相對於4G時代產品更大。所以在毫米波28GHz頻段,天線實際尺寸和手機尺寸差別更大,這種尺寸上的差異,對軟體在天線安裝後的整合性能分析增加相當大的難度。除此之外,在這兩個頻段上的天線設計要求更寬的頻寬,因為寬頻帶才能得到更高速率。

單就這電尺寸和頻寬兩方面的難題來講,5G天線對電磁類比的演算法選擇就提出了挑戰。傳統的有限元頻域演算法在寬頻類比和電大尺寸的計算上會顯得更吃力,時域演算法更適合寬頻類比。所以三維模擬工具是否能夠結合時域頻域演算法、場源激勵法、高頻近似演算法、硬體加速以及支援多種天線結構的設計流程,是5G新天線設計和產品設計的關鍵。

因為5G本身就有兩個頻段的天線,智慧終端機除了5G,還要支持Wi-Fi、GPS、藍牙、3G、4G 等功能,所以伴隨著多天線共存而來的干擾,以及硬體設計要如何佈局等長久以來智慧終端機研發避免不了的問題,在5G時代會變得更有挑戰性,因為智慧終端機增加了更多的天線。

我們這裡重點談一下5G天線的特點,也就是相控陣天線。相控陣天線眾多單元需要合作來形成聚焦波束,5G終端,比如智慧手機,利用這種可控的陣天線,是具備快速自選基站能力的,可以根據基站誤碼率挑選誤碼率低的基站和通道通訊。我們知道終端在使用時是難免會被人手和人體,甚至周圍的障礙物遮擋,5G手機的一大特點便是其信號會不停地四處尋找最優誤碼率頻段。因此,設計終端時候,安裝天線位置一開始就要合適,使其適合搜索尋優。

目前手機終端中,最適合5G天線位置是兩端,尤其是上端部(聽筒位置附近,如圖2),所以以前的天線,比如上一代的4G天線就要給其讓路,同時手機終端也要包括4G天線、3G 天線、Wi-Fi天線等等,可以說5G的天線本身的參數設計是挑戰一方面,更多的挑戰在於這個5G天線加上終端產品,再加上其他天線後,整體設計的難度。這個需要天線設計工程師開發時與CAD設計師、EMC工程師、機械工程師、產品工程師等等共同合作與協調模擬。

圖2、天線在某款5G手機中的電磁場輻射分佈。

5G毫米波陣列天線還有個問題是多波束掃描,有大量的掃描角度,這也是為什麼5G終端的計算效率要求很高,功耗也很高。在設計這種具有大量掃描角度的複雜天線陣的時候,如果軟體能夠幫助設計人員輕鬆建立這些天線單元模型,輕鬆的設定激勵信號的振幅(amplitude)和相位(phase),並輕鬆掃描大量的激勵排列組合,那麼5G天線的設計將會事半功倍,效率很高。SIMULIA 的CST中天線矩陣設計的功能(array wizard),從天線的單元設計,到相控陣的生成,再到激勵信號的自動參數化掃描,array wizard可以輕鬆勝任。

SIMULIA 的CST在電磁電容(EMC)模擬方面也做的十分出眾,我們利用漸進八面體(octree mesh)網格剖分與獨特的時域求解器能夠高效地處理寬頻問題,加上縫隙壓縮模型,二維材料壓縮模型(thin panel),無論是系統級常見的風口、接縫、插槽,還是多層非均勻複合材料,CST都能處理的十分高效,在準確度和速度的綜合考量上非常出色。在未來的電子設備中,EMC類比會更加必要,SIMULIA CST 已經在EMC領域不斷取得令人矚目的成績,並獲得大量用戶的青睞,對未來的電磁相容問題的處理十分有信心。

毫米波設計考量眾多


目前大多的毫米波天線是整合在晶片中,亦即AiP(Antenna-in-package),這種三維封裝的設計要求IC設計公司與在5G晶片基礎上,設計出性能穩定、寬頻的天線,並且和晶片一起封裝。無論封裝技術如何創新,其電磁的寄生效應是永遠需要考慮和管理的,尤其是類比信號的封裝和引線框架部分,所以在半導體設計過程中,二維或近似三維的電磁模擬是遠遠不夠的,那麼這就是需要真正三維全波電磁模擬的地方,而SIMULIA CST能夠完整模擬分析矽晶片到封裝到天線的全部信號通道。當然,毫米波天線並不是百分百需要與晶片共同封裝,比如最近有智慧手機的製造商推出AiA設計方案(mm-Wave antennas in non-mm-Wave antennas),就是在4G天線上,或者說是在4G天線中,構造出5G毫米波天線,這種創新設計便是透過CST 軟體完成的。

從產品整合角度講,毫米波最主要的關卡便是所需的散熱和功耗,這和5G的工作模式有關,所以設計人員需要從電磁、散熱、外觀、材料等等這些方面共同努力突破關卡。這個涉及到天線的設計工作流程,5G毫米波天線對周邊金屬很敏感,由於毫米波波長很短,來自金屬的干擾是非常厲害的,如果毫米波天線能夠突破手機金屬外殼限制,突破內部PCB和模組封裝的空間限制,同時提高散熱和減少功耗,那麼在通信的實體層關卡基本上就突破了。

尤其是針對於最近新推出的具有形變功能的5G智慧手機,內部的電磁環境將變得更加複雜,天線的性能將受到變化的結構的影響,所以天線的整合最佳化要考慮折疊效應;另外,從機械角度講,這種設計要求考量折疊處螢幕和內部線路在機械運動和壓力,還有材料疲勞性能上的要求。當然還有熱傳導,5G的通信設備在需要在一定得溫度變化範圍內調整相控陣天線的所以相比傳統智慧手機對熱分析的要求更重。

這種新設計需要多物理協同類比,協同設計,這剛好就是達梭系統的SIMULIA軟體產品的強項,除了用SOLIDWORKS或CATIA做手機外觀CAD設計,用戶可以從SIMULIA的Antenna Magus 的幾百種天線資料庫中挑選5G天線,然後利用SIMULIA的 CST做天線安裝、最佳化和系統級的電磁三維模擬,甚至可以做熱模擬(thermal design)和人體輻射模擬(SAR);另外SIMULIA的虛擬積層製造(additive manufacturing)模擬功能可以為積層製造進行模擬,節省實際樣品製造測試的過程。然後加上SIMULIA 的Abaqus做機械分析、SIMULIA 的fe-safe做材料耐久力分析,還有SIMULIA的Tosca對材料的最佳化、SIMULIA的Isight對模擬過程的自動化和最佳化,這些所有的軟體組合使得SIMULIA在5G天線的創新、設計、整合、最佳化和製作流程提供完整的解決方案。




可以說長久以來,各產業的多物理協同類比需求促使的SIMULIA軟體產品鏈的誕生,而隨著近些年SIMULIA系列軟體產品的收購整合,新模擬技術的高投入研發和協同類比流程的成熟也提高了類似折疊手機這種新型電子產品的設計效率,加快其研發和投入市場的速度。

毫米波雷達設計 模擬同樣關鍵


除5G手機與網通產品外,毫米波技術也在車載雷達應用上大放異彩。毫米波在車載雷達上的應用近些年也是非常熱的話題,因為產業內對人工智慧和無人駕駛的大量投入。那麼相比智慧手機,車載毫米波雷達要求分析人員對於電磁軟體的數位演算法的理解更加深刻,因為在5G頻率汽車的電尺寸更大了,汽車的三維模型也尺寸更大,我們需要高頻近似演算法來分析電磁信號。

還有就是對雷達探測的準確性要求非常高,因為這是和生命財產相關的應用。如今CST是達梭系統旗下SIMULIA品牌之產品,眾所皆知,達梭系統是在汽車交通領域的領軍企業,尤其是CATIA在汽車公司的應用非常廣泛。CST已經開始與達梭系統的其他汽車設計解決方案合作、整合,不斷的推出車載系統的完整解決方案。SIMULIA 在近兩年已經推出了一些應用文章、類比實例、網路研討會等等,展示了我們在車載雷達方面的模擬成果。簡單來講,CST的完整電磁求解技術在車載雷達的應用上已經相當成熟。

簡單介紹一下車載雷達的基本電磁設計分析流程,首先利用Antenna Magus天線庫篩選出潛在可用的雷達天線,然後用CST的時域或頻域求解器進行天線初步設計,加上天線罩(Radome)進行進一步最佳化設計並得到近場源(Near Field Source),然後導入至汽車CAD模型(圖3),用漸進求解器(Asymptotic solver)得到汽車內外的衍射反射線分佈,以及天線圖、相位分佈、電磁場分佈、反射熱點分佈等(圖4)。這種演算法組合式的工作流程,會使得每一步設計過程都準確、高效。

圖3、車載毫米波雷達+天線罩+車模型的組合求解。

圖4、毫米波雷達彈射信號的分佈分析。

總結來說,SIMULIA CST 為使用者提供全面的演算法功能,目前在5G和車載雷達的應用設計上對為客戶提供的解決方案信心十足。關於汽車電磁模擬方面,達梭系統官網提供很多其他的話題和資料,比如用CST Cable Studio對車載線纜束的建模和類比,車載乙太網絡線的電磁相容分析,汽車天線射頻干擾的矩陣分析(interference task)。車載多媒體電子設計分析,感測器的設計和髒汙分析(sensor soiling)等等。

圖5、士盟科技總經理張士為(左)指出,該公司的工程師團隊有足夠的能量,可為台灣的客戶提供完善的pk10最牛稳赚模式跟技術支援服務。右為士盟科技協理蔡旭程。

在地代理團隊讓模擬應用更普及


目前達梭系統的SIMULIA系列產品在台灣是由士盟科技負責軟體銷售,並提供技術支援、pk10最牛稳赚模式及顧問諮詢等多元服務。士盟科技總經理張士為(圖5左)表示,因士盟擁有大量的專業工程師,可以為客戶提供快速的技術服務;尤其工程軟體的導入相對複雜,士盟需要對客戶端的使用者進行各種輔導與技轉。技術支援的工作,需要在地化的團隊來執行,才能快速幫客戶解決問題。

士盟科技協理蔡旭程(圖5右)則補充說明,士盟與客戶長期合作下,對其產業有相當程度的熟悉後,即可在達梭系統的產品平台上進行二次開發,運用撰寫設計自動化流程程式的技術,讓客戶可以完成更複雜、更快速地模擬分析的作業。

總而言之,達梭系統擁有涵蓋多重物理模擬的強大工具平台,但因是跨國性的大企業,配置於台灣的原廠人力資源有限,即時提供客戶在地化的銷售跟技術支援,必須依靠士盟科技專業CAE技術團隊,才能把服務做到更好。而雙方的配合,也讓達梭系統,包含高頻電磁場在內的各種物理模擬分析工具,在台灣市場上有更高的能見度。

出處:新通訊 2019年版通訊產業關鍵