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Ansys毫米波天线设计模拟技术 迎接5G时代来临

2020/10/29 - DIGITIMES企划

愈来愈多的消费性电子产品朝向集成5G移动通信技术前进,由于牵涉大量的毫米波频谱使用,天线设计俨然是一道关键的技术门槛,且为了满足更多样化的应用情境,5G天线设计上的挑战成为产品设计团队选择直球对决的重要环节。要达成这个目标,使用模拟软件做为评估与验证的基础,就成为必备的设计要项与前期工作重点,当然也为模拟软件系统带来重要商机,Ansys是工程模拟软件的佼佼者,技术经理林鸣志特别以「5G毫米波天线设计、模拟及分析的挑战」为题,介绍Ansys系列的模拟软件解决方案。

针对5G高频天线设计模拟,Ansys推出系列的HFSS模拟工具,以大幅缩减工程设计团队的开发与验证时间为目标,Ansys最脍炙人口的功能是提供从概念设计到最终产品测试的完整模拟方案,目前已经广泛应用于全球资通讯产业,协助工程师以快速、高效和合理成本完成产品设计开发工作。

简报中,Ansys展示一个16x16大型毫米波阵列天线模拟的实际范例。天线单元加上微带线多达432单元(Elements),这使得模拟计算的工程异常庞大。针对这种具备重复性结构的设计,HFSS采用新的网格算法可以大幅节省模拟时间且更有效的加速大型阵列天线的设计。除此之外,对于散热的分析也是大型毫米波天线关注的课题之一。HFSS与热分析软件Icepak的配合也是一个重要的亮点。

林鸣志特别聚焦于介绍Ansys HFSS SBR+,这是一款进阶的电磁波模拟算法,可以更有效率的评估毫米波在室内或是户外环境传播与衰减的特性。过去许多被认为因规模太大而无法求解的问题,现今都可以利用HFSS SBR+来完成分析。

林鸣志进一步说明,台湾已有许多电子厂商切入毫米波元件供应链。Ansys这一方面的核心客户群可分为三类--AiP制造的封装厂商、采用AIP模块的ODM厂和AiP模块设计公司。针对复杂的AiP天线模块设计,HFSS尤其扮演了相当重要的角色。由于AiP除了天线结构,还包含了各式的高频主被动元件。结构当中的高频电磁特性需要精确的评估,也因此需要大量的电磁模拟计算,完整的计算时间往往需要数天的时间。天线模块设计的良莠可以透过optimal realized-gain CDF(Cumulative Distribution Function)曲线来判断。

另外,针对装置内摆放不同天线模块的最佳位置,也是模拟程序发挥效益的重头戏,目前Ansys提供的5G天线模拟标准工具组合,提供Codebook导入,支持功率密度(Power Density)计算,支持CDF计算。HFSS提供了全面参数化接口,易于使用与操作。

特别值得一提的是对于Power Density的计算。由于FCC认证要求系统上不同模块,不同频率,不同波束在不同位置的功率密度,针对模拟结果需计算多达上万组数据。为了协助客户解决大量数值计算的问题,ANSYS提供了自动化程序以协助快速输出FCC认证所需要的数据及文件。

另外,为了协助系统厂商更精确的评估天线效能表现,AIP模块供应商会提供系统厂商加密的AIP天线模型,方便系统厂商集成机构件来执行电磁模拟。透过模拟可以大幅加速系统的开发,同时可以保护AIP厂商的智能财产权。


图说:Ansys技术经理林鸣志。