5G仿真解决方案之终端天线仿真关键技术

前言

上述三大5G应用场景中的eMBB 场景主要提升以“人”为中心的娱乐、社交等个人消费业务的使用体验,“高速率、大带宽、低时延”正是提高个人用户消费体验的关键。而手机终端作为用户体验5G的重要载体,在5G时代下面临着新的通信架构与设计挑战。

1G时代的蜂窝电话仅仅满足用户的通话需求,使用范围小,安全系数低;

2G时代实现了无线数字通信,话音质量、安全系数得到了很大改进,但手机还是作为基本的通信工具在使用,用户只关注通话质量等体验;

随着3G通信的发展,相对于2G移动通信,3G通信的数据传输速度有了质的提升,这一变化为图像、彩铃等多媒体的实现提供了可能,3G时代的手机功能已慢慢由通信工具转变为娱乐工具(例如,苹果3GS于2009年上市后,已颠覆传统手机用户体验,手机逐渐变成用户的日常生活一部分,密不可分);

4G相对于3G网络,带宽更宽,能够传输高质量的视频及图像,数据传输质量飞升,得益于更高的传输速率,手机支付、流媒体、直播都成了常见的应用场景,用户对于手机体验的要求越来越高,通信流畅度、手机发热等硬件体验再次被大众所关注;

而随着第五代移动通信的商用,实现支持高速、稳定、低延迟等要求,5G将通过更高的频谱利用率、更多的频谱资源以及更密集的基站部署来满足移动端业务增长的需求。

5G终端天线研发所面临的主要挑战

目前,我们已处于4G系统商用阶段,然而5G已经于11月1日正式商用,这将带来海量数据通信、万物互联、实时交互、工业物联网等新型业务的快速发展。因此,5G俨然已经成为当前移动通信产业的关注焦点。未来的5G系统将着眼于全频段,即不仅局限于低频段(6GHz及以下频段),也将考虑高频段(毫米波频段)。

而天线作为移动通信的重要组成部分,其研究与设计对移动通信起着至关重要的作用。而5G带来的最大改变就是用户体验的革新:华为Mate30系列手机内部集成21根天线,不仅支持5G,还要兼容4G、3G、NFC、GPS、WiFi、蓝牙等网络,总计21根天线,用于5G有14条天线,进而揭示了5G 新的通信架构下,手机终端天线发展真正的技术需求。在终端设备中信号质量的优劣直接影响着用户体验,所以,5G终端天线的设计必将成为5G部署的重要环节之一。

3GPP把5G频段分为FR1频段和FR2频段,其中FR1的频段通常被称为Sub6G频段,范围为450MHz-6GHz,FR2频段为24.25GHz-52.6GHz,通常被称为毫米波频段。毫米波频段的优势是具备大量的可用频谱带宽、波束窄、方向性好、频段许可获取成本低。借助于先进的毫米波自适应波束赋型和波束跟踪技术,可以确保在真实环境中毫米波终端与基站实现稳健的移动宽带通信。

5G通信中采用两种网络架构方式进行部署

SA

Standalone

独立组网

NSA

Non-Standalone

非独立组网

独立组网模式

指的是新建5G网络,包括新基站、回程链路以及核心网。SA引入了全新网元与接口的同时,还将大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等新技术,并与5GNR结合,同时其协议开发、网络规划部署及互通互操作所面临的技术挑战将超越3G和4G系统

非独立组网模式

非独立组网指的是使用现有的4G基础设施,进行5G网络的部署。基于NSA架构的5G载波仅承载用户数据,其控制信令仍通过4G网络传输

NSA架构下5G与4G LTE联合组网,在利用现有的4G设备基础上进行5G网络的部署,即可同时使用4G核心网、4G无线网以及5G无线网。SA即新建5G网络,与NSA最大的差别就在于SA拥有5G核心网。在SA组网下,5G网络独立于4G网络,5G与4G仅在核心网级互通互连,更加简单。

NSA和SA组网形式(网络图片)

采用5G初级阶段的NSA组网方式,5G网络与4G网络并存,而5G 设备要达到更高速、稳定、低时延等要求则依赖于以下几个因素:

更多的频段;

多个频段之间的载波聚合技术;

大规模MIMO等技术。

当前手机终端天线净空普遍压缩至2mm左右,而终端天线设计中既要兼顾sub6G与毫米波频段的多频段需求,又要支持MIMO天线技术,多频带CA技术实现场景需求,这些技术的引入都对5G手机终端设计研发提出了高难度的挑战:

NSA组网模式下,4G频段天线与5G频段天线并存;3GPP中,4×4 MIMO天线作为强制入网要求。5G终端产品内的天线数目激增,面对这么多天线,天线效率、天线共存、天线布局等问题亟待研究解决,天线设计面临着重大挑战;

5G通信中,低频的频谱资源终归是有限的,毫米波应用的潜力巨大,毫米波具有极宽的绝对带宽,提高信道容量和数据传输速率的毫米波技术成为了未来5G通信关键技术之一。但毫米波信号介质和辐射损耗较大,如何减少毫米波在终端内的损耗,确保毫米波更好的传输特性是工程师要面临的一个挑战。

5G手机中集成多种芯片模块,CPU、射频模块、基带芯片、屏幕都是功耗与发热的大户,而5G芯片的计算能力要比现有的4G芯片高至少5倍,功耗大约高出2.5倍。并且手机的散热好坏不仅仅影响用户体验,同时影响手机内部器件工作状态,5G手机的散热技术研究面临重大挑战。

为了满足5G下行峰速20 Gbps,需要提供最大100 MHz的传输带宽,为了满足大带宽连续频谱的稀缺,在5G通信中采用载波聚合(CA)来解决。但是如果发送和接收路径之间的隔离度或者交叉隔离不足,多个频段的无线RF信号可能会相互干扰,则CA应用中会出现灵敏度降低(desense)问题。所以5G手机终端的desense问题会比之前更为复杂,需要对Sub6G频段与毫米波频段共存状态下对desense问题根因分析,提前应对信号干扰问题。

图片来源于网络

哪些关键技术能层层突破这些困难?

关键技术之一:模型处理与前处理

目前市面上5G手机大多采用NSA组网架构,兼容4G通信与5G通信。相对于毫米波频段,sub 6G频段集中在2.5GHz—6GHz,sub 6G频段天线和4G频段天线调试方法类似,在当前流行的金属边框、全面屏手机内容易实现,天线设计形式采用PIFA天线+寄生形式,传统的FPC天线或者LDS天线都可以胜任。

而在终端天线设计过程中,经常会出现跨领域协作的问题,不同领域的模型侧重点和建模算法不一致,外界导入的模型通常有面破损、线段不连续等问题,天线工程师经常耗费大量精力来对导入的结构件进行模型修复以及天线pattern建模。对建模要求不同导致天线工程师拿到的结构模型通常不满足需求,需要多次跨部门多次沟通才能满足需求,影响终端天线的设计进度。所以天线工程师迫切需要一种能快速对导入模型快速修复、建模等操作,并且不需要花太多精力去学习的软件。

应对这种情况,ANSYS提供了前处理模块SpaceClaim来进行模型修复、修改等功能,大大提高天线工程师的开发效率。

FPC天线和支架(网络图片)

ANSYS SpaceClaim是非常强大的几何建模和修复处理软件,并且提供了非常易用的中文交互界面。它基于直接建模思想,提供一种全新的CAD几何模型的交互操作模式,在集成工作环境中使设计人员能够以最直观的方式进行工作,可以轻松地对模型进行操作,无须考虑错综复杂的几何关联关系,并且提供了高级的实体建模、特征编辑、装配、分组功能。接口方面可以直接读取主流CAD软件模型,并支持Parasolid,ACIS、STEP、IGES等中间格式模型文件。

对于模型处理和修复,SpaceClaim能够快速的完成对细小特征的自动检查、删除、模型中面的自动抽取等,并具有一键式的检查和修复功能。另外,提供的布尔运算、倒角、印痕、抽壳、抽中面以及参数化建模等功能,可以快速的帮助工程师完成复杂模型向有限元模型的转化工作。

SpaceClaim修复模型演示文件

关键技术之二:毫米波天线设计

5G移动通信技术中,低频的频谱资源终归是有限的,毫米波应用的潜力巨大,未来运营商可以利用5G低、中、高频段三层组网,1GHz以下频段做覆盖层,Sub 6G做容量层,毫米波做热点覆盖的高容量层,建成一张全国性的广覆盖、大容量的5G网络。毫米波相比于Sub 6GHz的时延更短,是Sub 6G频段的1/4。由于具有极宽的绝对带宽,可在很大程度上提高信道容量和数据传输速率的毫米波技术成为了未来5G移动通信关键技术之一。

相比于4G无线网络的宽范围覆盖,5G无线网络的特点是天线波束实现波束指向性,波束成型可以限制波束在很小的范围内,因此可以降低干扰从而有效降低发射功率。多天线技术带来了更多的空间自由度,因此使信道的反应更加精准,从而降低了各种随机突发情况信道性能的降低。

而能实现波束指向性与波束跟踪性能的技术就需要相控阵技术的应用与发展。通过相控阵技术可用于生成辐射方向图及用以控制输入信号,进而解决毫米波覆盖问题。所以,相控阵技术对于毫米波天线在终端设备中的重要性不言而喻。

左:相控阵波束成形

右:相控阵技术实现波束切换

而为了将毫米波相控阵天线装进手机终端产品中,毫米波天线实现形式也有了突破。目前毫米波天线阵列的实现的方式可分为AoC(Antenna on Chip)、AiP (Antenna in Package,封装天线)两种。其中AoC天线将辐射单元直接集成到射频芯片的后端,该方案的优点在于,在一个面积仅几平方毫米的单一模块上,没有任何射频互连和射频与基带功能的相互集成。考虑到成本和性能,AoC技术更适用于较毫米波频段更高频率的太赫兹频段(300GHz-3000GHz)。

AoC天线与AiP天线(网络图片)

而AiP是基于封装材料与工艺,将天线与芯片集成在封装内,实现系统级无线功能的技术。AiP技术利用硅基半导体工艺集成度提高,兼顾了天线性能、成本及体积,是近年来天线技术的重大成就及5G毫米波频段终端天线的技术升级方向。

三星note10拆解(网络图片)

目前毫米波天线在手机终端产品中的应用面临着天线性能与制造工艺的挑战:

相控阵天线需要进行波束扫描,天线各通道处于不同相位的状态,高频率毫米波经历较高的介质、材料损耗和衰减,一系列天线元件协同工作后,通过幅相加权技术来实现波束扫描功能,通过将信号聚合形成波束,以扩展其覆盖范围。而相控阵天线中所集成的元器件增加了终端内部的占用空间,如何保证相控阵天线性能是毫米波天线的关键技术。

毫米波波长短,天线单元结构复杂、叠层结构、垂直对位精度影响,就会导致较大的相位差,这就给天线毫米波器件、馈线的设计和加工带来巨大的困难。因此,毫米波天线的关键技术还包括保证天线单元及相关器件的加工精度。

HFSS是功能强大的任意三维结构电磁场全波仿真设计工具, 是公认的业界标准软件,它采用有限元法对任意三维结构进行电磁场仿真,仿真精度高,可用于精确的电磁场仿真和建模,国内有广泛的应用,它拥有功能强大的三维建模工具,能够方便地建立任意的三维结构,支持所有射频和微波材料,实现器件的快速精确仿真。

HFSS采用了自动匹配网格剖分及加密、切线向矢量有限元、ALPS (Adaptive Lanczos Pade Sweep)等先进技术,使工程师们可以非常方便地利用有限元法(FEM) 对任意形状的三维结构进行电磁场仿真,而不必精通电磁场数值算法。HFSS自动计算多个自适应的解决方案,直到满足用户指定的收敛要求值。其基于麦克斯韦方程的场求解方案能精确仿真所有高频性能。

自适应网格技术

HFSS中可实现天线布局设计中的参数扫描,参数优化,敏感度分析,统计分析等精细化设计的设计空间探索功能,结合高性能计算(HPC)技术,能对毫米波天线进行天线性能快速优化、关键尺寸敏感度分析。通过敏感度分析可以分析天线性能的关键尺寸影响,在制造中对关键尺寸进行精度把控,是提高产品良率,保证产品性能的有效手段。

HFSS中采用的仿真方法

关键技术之三:场路协同仿真

终端5G毫米波天线采用了AiP技术进行天线设计,整个天线内部需要将天线,射频前端模组以及相控阵结构集成封装,封装中天线与射频模组的结合需要精确仿真分析阻抗匹配。在5G毫米波的研究过程中后端电路与天线匹配以及堆叠影响是毫米波天线开发的关键技术。

所以对于AiP天线的设计来讲,我们可以使用ANSYS HFSS + Circuit Design来进行有源天线仿真。在Circuit Design中对射频电路进行原理图搭建与仿真。其中,软件中内置有全面的RF器件并且支持对HFSS中求解的3D模型的动态链接,从而能建立准确、完善的RF电路。在Circuit Design中求解的RF电路结果可以采用激励推送方式推送到阵列天线端口,通过HFSS后处理计算,就可以得到实时调节的天线方向图。

场路协同仿真方法

Circuit Design为器件和电路及系统的设计提供了一个全集成化的设计环境,实现了系统仿真、电路设计和优化、版图生成和平面及三维电磁场仿真完全无缝集成,以Circuit Design为设计平台,可以动态连接HFSS,实现与任意三维结构电磁场工具及复杂的大规模集成电路的协同仿真和优化设计,方便地建立和各种无源结构的模型,计算复杂三维结构电参数,实现虚拟原型,为一次设计成功提供了可能。

关键技术之四:ECAD + MCAD全模型网格装配

5G入网标准中规定5G手机支持4×4 MIMO为强制标准,这样的话终端内置的天线以从之前的十几根增至几十根天线,尤其加入毫米波天线模块后,对于整机无线性能提出更高的要求。所以需要工程师在产品前期堆叠时利用仿真软件对整体天线布局、天线形式、天线性能进行精确评估。

在传统整机仿真中,电路板影响通常等效为一块金属板,不曾考虑PCB板上的过孔的寄生电感、“地”的空腔效应,多数用来定性分析。但随着手机ID设计的极致化,刘海屏、全面屏、瀑布屏挤占手机净空,内置天线数量增多,传统的评估调试耗费工程师大量时间与精力,并且5G毫米波天线对周边器件影响,毫米波天线在整机布放考虑,高频电磁波对整机的射频干扰等等问题,采用传统方法来定性判断是远远不够的。为了保证5G移动产品的无线性能指标,工程师提前对整机精细化仿真的结果可以用作无线性能评估依据。

ANSYS的3D layout可以导入PCB文档,在3D layout中生成三维电路板模型,并且3D layout中可以将MCAD与ECAD进行全模型装配,3D layout实现PCB三维建模,可以将MCAD模型以组件形式安装到三维PCB上,在3D Layout设计中,现在可以通过整个装配体识别和选择物理连接的网络。3D layout能够完成自适应网格划分,计算完整网络的S参数,并且计算过孔影响、 “地” 的空腔效应、走线耦合影响等。整机装配模型也可以直接生成HFSS模型,在HFSS中进行整机仿真,但在HFSS中需要消耗的计算资源相对较多。

3D Layout ECAD + MCAD全模型网格装配

关键技术之五:电—热耦合

在整机设计过程通过实体原型往往难以对一些物理效应(如温度变化影响、结构变形和化学反应)进行评估和施加,然而仿真却能胜任。例如当手机的电热仿真中包含了温度相关的材料属性,结果中会预测到严重的衰减。热效应可能会让设备失谐。过热具有风险性,因为过热会给手机的各个组件以及射频/天线性能造成负面影响。此外,PCB组件的温升也会影响射频/天线的性能。手机长时间使用不仅会耗尽电池电量,手机本身也会变热,导致连接中断。对这些系统开展详细的多物理场分析,可以发现潜在问题,并协助工程师开发可靠的高性能设备。

手机天线的电磁损耗与射频放大器电路可以进行动态链接分析,以预测综合模型的回波损耗并确定失谐程度。损耗可以映射到电子桌面强大的散热解决方案——ANSYS Icepak 的统一设计中。例如,PCB上的元器件、天线和射频放大器中不同的电磁损耗源可映射到ANSYS Icepak 的手机模型中,用于开展电热分析。仿真可预测单个PCB组件、RF放大器和天线的安全工作温度。

通过仿真分析,工程师可以全面掌握手机的热分布。通过这些解决方案,能够仿真热效应对天线性能以及温度相关的放大器的影响,在设计中考虑了材料的温度相关属性后发生失谐的程度。针对功率电子产品的设计,包括大电流供电,高负荷工作模式,多负载结果的电路设计,通常由于传输路径上电流密度过大而超过导体所能承受的大小,从而引起温度急剧上升,导致器件烧毁,脱焊以及载体电路板发生形变等现象。而温度的上升与分布情况同样会影响电流分布情况。包括芯片器件正常工作的电源电压也会受到一定损耗。通过ANSYS多物理耦合来评估验证产品虚拟设计的可靠性问题,提出及时而有效的解决方案。

电-热耦合分析

关键技术之六:Design-By-Desense

5G、W-Fi、蓝牙等技术的推陈出新,频率拓展速度越来越快,频段利用率越来越高,无线信号干扰的问题却是日渐严重。无线信号干扰源不胜枚举,而在终端设备中,最容易遇到的无线干扰有三种:

同频干扰 (Co-Channel Interference)

临频干扰 (Adjacent Channel Interference)

射频干扰 (RF Interference)

5G手机集成多个频带的无线系统(Cellular、 WiFi、GPS)到设备中。在有限空间内并存有多个射频器件同时工作时,接收机输入端出现干扰时会出现接收灵敏度TIS下降 “de-sense” 问题。如果在接收器输入端出现带外信号或杂波时,会导致其灵敏度下降。当多个射频器件并存于一个充满数字信号的紧凑空间内,问题变得更加复杂,这些数字信号本身会产生射频辐射,造成接收器减敏。

RFI干扰示意图

面对系统内不同通讯模块彼此产生的射频干扰,预防、定位、解决常常采用大量实验来进行,通常进行阶段在产品定型节点,而ANSYS独有的多物理场仿真可以在产品定型前期就可以对射频干扰问题进行定性分析,不必等到拿到产品整机,所以采用仿真来定位、定性分析“de-sense”问题可以缩短产品定型周期、提升产品竞争力。

ANSYS提供的多物理域多学科仿真能降低成本,尤其是在尽早使用并贯穿研发周期的情况下。综合使用ANSYS HFSS、ANSYS RF Option和EMIT可以分析并缓解5G智能手机的无线电灵敏度劣化和干扰问题。采用“Design-By-Desense” 仿真工作流程,有助于有效利用这些工具,在统一的仿真模式下综合开展SI、电磁、射频和电路/系统分析。使用ANSYS工具实施该工作流程,可提高易发生EMI和RFI问题的无线设备的可靠性与性能。

Design-By-Desense 仿真工作流程

总结

随着5G移动通信技术的发展,MIMO技术及毫米波天线在终端产品中的应用,终端产品中的天线数量相比于4G终端中成倍增加,如何利用越来越紧凑的空间进行天线设计是天线工程师面临的难题,如何利用仿真软件进行精确的天线设计与天线布放从而评估无线性能,也越来越受到产品设计的重视。ANSYS提供的终端天线仿真整体方案便可以提供贯穿整个产品周期的解决方案,从部件设计到系统设计实现系统性能,而从单一物理域到多物理域的仿真方法突破了设计过程中的单一领域考虑,提供了跨领域设计的解决方案。

未来5G技术将会在终端,网络,无线接入等方面进行融合及创新, 5G网络能够为我们提供高速率,高可靠性,低时延的服务,提供极佳的交互体验,为用户带来身临其境的信息盛宴;“零” 时延的使用体验,千亿设备的连接能力,超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务,用户感知的智能优化,同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低,最终实现 “信息随心至,万物触手及” 的总体愿景。

从移动UE到网络和更大的系统,ANSYS 5G可提供优秀的成套设计解决方案。这些面向移动用户设备的解决方案基于深受信赖的ANSYS产品与功能。了解更多内容欢迎下载最新《ANSYS5G移动设备/UE解决方案》白皮书。

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