产品
01行业概述
5G作为时下热门的新技术代表，将从三个维度改善移动通信的性能：
• 更大的移动带宽
- 办公室蜂窝网，工业园区，购物中心，体育场
- 低成本，大容量的本地网络
• 大规模物联网
- 扩展成本低
- 低功耗
• 更稳定的连接性
- 高可靠、超低延迟、安全、可用
- 自动驾驶汽车和设备远程操作支持
在应用端，5G作为基础设施将服务于智慧城市、智能电网、智能制造、AR/VR、自动驾驶、移动终端、大数据、医疗和军工等各个行业和应用方向。
在产品端，5G将覆盖包括芯片、手机、手表、监控设备、无人机等在内的终端设备，和移动通信基站，以及数据中心等全线的产品，实现随时随地、人与物、物与物的连接。
但在5G研发中，我们常常面临着一系列的仿真设计挑战，比如：芯片封装系统、边缘计算与高速SI/PI、阵列天线和信号覆盖、多物理场可靠性、自动驾驶汽车、移动通信以及物联网和智慧城市等。
02 5G研发中面临的仿真设计挑战
2.01 数字/模拟/混合芯片设计
• 设计中的难点
- 芯片的复杂程度和工作频率的不断提高，芯片的低功耗设计问题也越来越突出， 手持移动设备的广泛应用对功耗和散热提出了更高的要求。
- 功耗的降低要求更低的供电电压，使得芯片对电源噪声，可靠性的容忍阈值也越来越低。
- 翻转速率越来越高的I/O端口带来严重开关同步噪声问题。
• Ansys技术方案
- 针对数字芯片电路进行功耗分析以及功耗的优化，帮助用户在设计前期预测功耗问题，降低成本，减少设计周期。
- 对芯片的layout版图进行整体的仿真验证，得到整个芯片的功耗和电源噪声结果。
- Ansys优势在于大capacity，能够计算传统spice仿真解决不了的全芯片级仿真问题。
• 推荐Ansys模块
- AnsysPowerArtist RedHawk Totem Pathfinder
2.02 射频前端芯片设计
• 设计中的难点
- 传统方法使用全波电磁场工具对射频芯片进行参数抽取，这种方式保证了精度但仿真规模比较局限。
- RC抽取引擎这种方式计算规模足够大但精度在超过1GHZ后会有所损失。
• Ansys技术方案
- 实现对大规模射频芯片中无源部分快速准确的电磁参数抽取，可以输出RLCK网表或S参数等多种模型，比传统工具的计算能力大数个数量级。
- 无缝集成在Cadence/Synopsys等EDA设计软件中。
- 研究射频芯片内不同设计层级的复杂nets和block之间的电磁串扰问题，获取block之间的电磁耦合。
• 推荐Ansys模块
- AnsysVeloceRF RaptorH Exalto Pharos
2.03 芯片/封装/系统一体化设计
• 设计中的难点
- 一体化设计复杂程度越来越高：高速信号，低电压门限，高集成度。
- 设计周期的严格要求，需要尽快交付整体方案。
- 降低成本，同时使得产品性能可靠。
• Ansys技术方案
- 考虑芯片性能，对芯片、封装和PCB板进行整体仿真优化。
- 准确提取封装和PCB板上的电磁场参数。
- 协同进行系统级信号完整性和电源完整性等仿真。
- 结合Ansys强大的多物理场求解功能，进行系统级散热和封装、板级的结构可靠性仿真等。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS SIwave Icepak Mechanical HPC
2.04 单元天线设计
• 设计中的难点
- 天线形式多种多样，难以选择最合适的种类。
- 天线的高效和准确的仿真需求。
- 缺乏综合设计工具帮助加快设计效率。
• Ansys技术方案
- HFSS天线工具箱集成上百种天线形式。
- 参数化模型，一键完成综合设计，模型复用。
- 高效的优化算法加快设计探索效率。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS HPC
2.05 阵列天线设计
• 设计中的难点
- 5G阵列天线单元数目庞大，阵面太大，使用传统方法求解对内存要求太高且计算缓慢。
- 复杂阵列组阵工作量巨大，且容易出错。
- 需要准确评估阵列天线的单元耦合、边缘耦合等因素对精度的影响，近似算法的精度不能接受。
• Ansys技术方案
- 基于DDM域分解算法的有限大阵列求解功能，快速准确得到阵列结果。
- 支持不同形式单元组阵，扩展阵列的灵活性。
- 支持合成激励求解功能，对特定幅相激励条件下的问题实现快速求解。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS HPC
2.06 阵列天线和射频前端的场路协同设计
• 设计中的难点
- 天线与射频集成度越来越高，互相会影响彼此性能，需要准确评估耦合等影响。
- 天线和射频电路使用不同工具进行仿真设计，数据无法高效准确自动的交互，难以实现协同。
• Ansys技术方案
- 使用HFSS对大规模阵列天线进行快速准确的电磁场仿真和优化探索。
- HFSS有射频电路求解器可以快速实现对前端射频通道和器件的建模与仿真。
- 天线电磁场设计可以被链接到电路设计环境中实现场路协同一体化仿真。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS HPC
2.07 便携设备天线的仿真设计
• 设计中的难点
- 天线与人体和其他环境紧密放置，环境对天线性能的影响需要高效准确的评估。
- 需要对便携天线的放置位置和角度等进行参数化优化仿真分析，找到最优的天线指标。
• Ansys技术方案
- HFSS准确的有限元算法可以提供精准的天线仿真结果。
- 高性能计算功能帮助快速求解考虑人体、环境等条件下的天线性能。
- 内嵌的优化算法可以快速对天线位置、角度等变量进行参数化扫描评估，找到最优位置。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS HPC
2.08 天线SAR仿真
• 设计中的难点
- 5G手机天线设计必须符合国际标准，SAR值的高低与天线形式、总辐射功能、以及天线布局有关，通常计算量非常庞大，对精度的要求也很高。
• Ansys技术方案
- Ansys提供符合IEEE标准的人体模型，通过优化设计仿真终端与人头不同间距与倾斜角完成local SAR average SAR仿真，指导实际设计。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS HPC
2.09 射频连接器仿真
• 设计中的难点
- 射频连接器多为同轴连接器，其技术趋势体现在小型化、高频、低损耗、大功率容量、表面贴装等方面，设计难度与日俱增。
• Ansys技术方案
- ANSYS软件可提供精确的电磁场仿真、场后处理、自动优化、多物理场仿真能力，可提供精确的S参数计算、高效率的结构优化、功率容量计算、电磁-热-应力耦合仿真等全面的连接器设计需要的仿真设计能力。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS Mechanical HPC
2.10 射频介质滤波器仿真
• 设计中的难点
- 介质腔体谐振滤波器耦合效应复杂，设计的难度非常大，工作在大功率状态的滤波器还会有温度漂移以及热形变等问题。
• Ansys技术方案
- ANSYS解决方案可以实现从滤波器综合、优化、实现到验证的完整设计流程，还可以实现滤波器的电磁、热、结构形变的多物理场耦合仿真。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS Mechanical HPC
2.11 射频微波无源器件仿真
• 设计中的难点
- 在射频微波设计领域，微带形式的无源器件以设计灵活、加工公差容易控制，易于大批量生产等特点受到广泛应用。微带线形式功分器作为微波无源器件中的典型设计，更是很多现代移动通信系统中不可缺少的一环。
• Ansys技术方案
- ANSYS仿真设计方案使有限元算法，对微带无源器件进行高精度仿真求解，配合优化和参数扫描功能，对结构关键尺寸进行自动优化，快速得到满足性能目标的设计。高性能计算模块则可以帮助设计师高效率完成扫频求解，快速得到宽带范围内的功分器求解结果。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS HPC
2.12 射频有源器件版图效应仿真
• 设计中的难点
- 在对射频有源器件进行仿真时，除了关注电路层面的性能以外，由PCB版图带来的影响也不可忽略，版图上各种线间不恰当的耦合就可能是引发射频器件自激和其他不能正常工作情况的原因。
• Ansys技术方案
- ANSYS射频版图电磁效应仿真方案，能将PCB版图从EDA工具中导入，与其他器件组成整体原理图，实现版图与电路原理图之间的场路协同仿真，得到版图电磁场分布对射频放大器电路性能的影响。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS HPC
2.13 场景级电磁场仿真设计
• 设计中的难点
- 单一的电磁算法，无法解决场景级电大尺寸与复杂细节并存的问题。
- 庞大且复杂的几何细节，传统的网格剖分技术，无法应对。
- 大规模问题的求解，需要高效的并行技术与匹配的计算能力。
• Ansys技术方案
- FEM有限元算法对于天线类复杂问题的精确求解。
- SBR 弹跳射线法对于场景级超电大尺寸问题的高频近似求解。
- 混合求解的思路则可以结合各个算法的优势。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS HPC
2.14 射频系统抗干扰仿真设计
• 设计中的难点
- 5G平台上往往包含多个射频系统，这些系统中的射频器件由于谐波泄漏、杂散辐射等会产生大量的交调和杂散频谱产物。
- 5G接收设备的工作频段非常丰富，其敏感频率也各有不同，这些接收系统受到干扰的潜在风险大大增加。
• Ansys技术方案
- Ansys提供复杂射频环境中电磁干扰仿真的数据管理与分析的整体框架，实现对任何环境下共址射频干扰的准确预测。
- 内置无线电模型库和RF部件库，方便射频系统建模。
- 支持多种保真度的天线耦合模型。
- 考虑多射频系统所有干扰因素。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS HPC
2.15 电子设备的EMC仿真设计
• 设计中的难点
- 5G电子设备的形式多样，数量众多，全频带覆盖，电磁环境急剧恶化。
- 没有一种工具能够解决所有的EMC问题，在不同仿真设计工具之间的数据交互困难
• Ansys技术方案
- PCB的EMC分析：隔离度，电源滤波，辐射，传导、时钟干扰，ESD，接地、高速串扰等。
- 线缆的EMC分析：布局、辐射、捆扎耦合，接地等。
- 机壳的EMC分析：屏蔽效能、谐振分布、器件部件、电磁泄露等。
- 接地系统EMC分析：接地阻抗、共地阻抗、接地噪声等。
• 推荐Ansys模块
- AnsysHFSS Q3D Siwave HPC SpaceClaim
2.16 电子设备的结构可靠性设计
• 设计中的难点
- 电子产品失效主要是由温度、振动、潮湿和粉尘引起，5G电子产品的性能和指标要求都更加苛刻。
- 组装在一起的5G终端产品需考虑整机设备的变形、振动、跌落碰撞、散热等问题。
• Ansys技术方案
- 预测手机器件的弯曲刚度，确定关键部件在高应力水平下是否破坏及疲劳寿命。
- Ansys可以再现手机扭转的过程，分析得到扭曲后手机的变形，预测手机器件的扭转刚度。
- 借助ANSYS 参数优化工具DX对手机结构进行优化，增强手机的抗跌落碰撞性能。
• 推荐Ansys模块
- AnsysMechanical SpaceClaim
2.17 电子设备的电热耦合仿真
• 设计中的难点
- 5G电子设备的温升与散热分析要结合电磁场和温度场/流体场多个物理域，不同物理场之间的数据要能够互相传递，是一个复杂的多物理场耦合问题。
- 5G电子设备的温度场分布会反馈到电磁场，影响5G电子设备的天线传输性能，需要形成电热耦合迭代的无缝仿真流程。
• Ansys技术方案
- 针对5G电子设备温升和散热设计需求，ANSYS的多物理场解决方案集成了电磁场、温度场/流体场多个求解器，不同求解器之间可以无缝链接实现几何和数据的传递，使得工程师准确计算5G电子设备的损耗分布和温升，并实现散热性能的优化设计。
• 推荐Ansys模块
- Ansys HFSS Icepak HPC
03参考案例
3.01 RFIC VCO尺寸优化分析
• 客户仿真目的
- 通过把电感放置在密集走线和电容区域上方，减少65%的芯片面积。
- 设计目标频率30GHz，实测频率27.5GHz，需要通过仿真发现原因。
3.02 芯片/封装一体化仿真
• 客户仿真目的
- 芯片和封装的电磁协同仿真。
- 发现因芯片地网络和封装layer之间的电磁耦合引起电感性能恶化，进而恶化噪声系数。
3.03 使用芯片CPM模型进行系统级性能优化分析
• 客户仿真目的
- 对DDR Power进行优化，把芯片仿真得到的CPM模型跟PCB板一起进行仿真。
- 仿真使用去耦方案后，在板上和板边缘的辐射能量。
3.04 芯片/封装/PCB的电热分析
• 客户仿真目的
- 仿真芯片放置在PCB板上后的温度场分布情况。
- PCB版图走线不同，导致温度场的分布也会有些许不同。
3.05 基站天线布局
• 客户仿真目的
- 采用考虑到PTD、UTD和爬行波等多次射线弹跳的SBR 技术，能够精确求解大场景中基站有源天线阵的电磁场分布问题，优化天线布局。
3.06 自适应波束赋形
• 客户仿真目的
- 通过应用HFSS天线阵仿真、SBR 电大场景仿真以及Matlab算法调用这三者合一的自适应波束赋形仿真技术，快速准确仿真出天线阵及自适应算法在实际应用时能否自动有效生成可靠的波束指向。
3.07 智能家居电磁干扰
• 客户仿真目的
- 预测智能家居环境中多设备同时工作时存在的链路裕量、共址电磁干扰问题。
3.08 5G室内场景仿真
• 客户仿真目的
- 评估干扰设备穿过基站与目标设备之间时，是否在干扰方向产生动态零点，以及主波束是否始终指向目标终端设备。
3.09 5G室外仿真场景
• 客户仿真目的
- 评估随着汽车的移动，车载5G通信设备与基站的耦合，以及各车载5G设备之间的干扰情况。
3.10 手机天线的电热耦合仿真
• 客户仿真目的
- 评估5G手机工作时的发热情况，已经在高温情况下对手机天线性能的影响。
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