* 本文原刊登于智能制造媒體咨詢研究機構e-works：《未來已來，5G時代的仿真技術挑戰與突破》

作為支撐經濟社會數字化、網絡化、智能化轉型的關鍵基礎設施，5G被認為是“新基建”的重中之重。商用一年來，我國5G部署不斷加快，根據中國信通院的預測，到2025年中國5G網絡建設投資累計將達到1.2萬億元，與此同時，5G還將帶動產業鏈上下游以及各行業發展，預計到2025年將累計超過3.5萬億元。

在推進5G應用落地的過程中，高速率、低延時、大帶寬的5G技術特性也帶來了產品在芯片設計與封裝、PCB板圖設計以及天線基站等方面的一系列革新。特別是在工程仿真環節，針對5G的大規模MIMO（多進多出）和波束控制要求使天線陣列仿真系統性大幅度增加；更高性能、更小尺寸的芯片設計要求使每個封裝中包含高密度介質，這給信號完整性、電源完整性、熱管理、電子可靠性都帶來了挑戰；更不用說基于5G的智能駕駛、智慧城市、智能家居等復雜場景下，基站與終端之間的連接、終端與終端之間的相互干擾問題，使整個仿真過程變得錯綜復雜。

為了幫助企業加速數字創新進程，推進5G應用落地，e-works專訪到Ansys射頻產品高級產品經理Shawn Carpenter，Shawn就5G陣列天線的電磁場仿真、5G高速信號和電源完整性相關的EMI（電磁干擾）/EMC（電磁兼容性）分析、5G復雜場景下的電磁仿真等問題進行了解答，為企業簡化設計仿真流程，加快5G創新技術投入市場帶來了思考與借鑒。

經歷過去一年聲勢浩大的鋪墊后，2020年被認為是5G技術落地和普及的關鍵一年。在Shawn看來，5G技術包含了一系列強化系統級功能的重大變革，這些變化主要包括：

• 更高的帶寬（以10倍至100倍的更快速率提供多達1000倍的數據）；

• 較低的網絡響應延遲（比4G快5至10倍）；

• 連接的設備數量大大增加（增加了10到100倍）；

• 更高的網絡可靠性（99.99％到99.999％的可靠性）

在這些變革的影響下，5G正在推動各行業轉型升級，催生新的產品和服務，改變我們一貫所熟知的生活工作方式。例如在自動駕駛方面，有了5G交互式感知的支持，車輛就可以對外界環境做出快速反應，及時反饋。自動駕駛里的很多場景，如自動超車、協作式避碰、車輛編隊等，對移動網絡的可靠性和延時性有較高要求，這在5G技術支持下都能得到保證。

5G時代下無處不在的仿真

在智慧教育領域，隨著智慧教室、互動教學等方式逐漸興起，電子大屏、互動終端、VR終端、移動錄播等設備在智慧教室廣泛應用，這不僅需要網絡能夠接入更多類型的終端設備，更意味著要通過5G對不斷增加的高并發、大帶寬、低延時和多業務的并行應用提供可靠保障。

在智能制造領域，通過將數百或數千個傳感器和控件分布在智能工廠中，并將其通過5G連接到中央云管理系統，可以為包括移動辦公、物流供應、安全生產、智能控制等提供全方位的運營革新，進而加快生產流程的節奏和優化速度，推動制造企業創新發展。

然而，在推動5G應用落地的過程中，隨之而來的工程仿真問題也不斷涌現。面對5G時代下的高速率、低延時、大帶寬要求，企業必須重新思考電子組件、設備和基礎設施設計模式，找出在極端環境下高效運行和互通互連的方式。出于高密度基站陣列天線的大規模MIMO和波束控制要求，基站復雜度和天線元件數量都會大幅度增加。由于增加了波束成形功能，手持設備的一致性測試和認證也將變得更加耗時且成本更高，企業必須評估每個設備可能的輻射束位置，以確保合規性要求。

從1976年第一代通信技術面世以來，我們見證了從只能使用1G網絡語音通訊到5G多媒體4K高清直播的歷史變遷。這其中，天線技術無疑是移動通信技術中最重要的組成部分，從全向天線、定向天線、雙極化天線、多極化天線、多頻段天線、MIMO天線到現在的大規模陣列天線，天線技術正變得越來越復雜，形態越來越多樣化。在“從芯出發，精彩無線——帶你看懂5G研發中的仿真技術”行業大講堂上，Ansys高頻應用工程師羅輝介紹天線技術的演進呈現以下幾種趨勢：

首先，為了在有限帶寬條件下實現更快速的網絡連接質量，更大規模的MIMO陣列天線已成為首選，目前業內64發/64收的陣列天線已經非常普遍，其單元數達到了128，而256、512等單元數天線正在不斷被應用；

其次，天線正在從無源向有源演變，集成了放大器、濾波器等射頻器件的有源天線系統將進一步提升移動網絡的系統容量、提升網絡性能、降低運維成本、降低能耗損失，天線的有源化成為5G大規模MIMO天線系統的必然要求；

第三，天線的設計正在走向系統化，多陣列，多波束、高頻段對天線設計提出了更高的要求，也促使設計者從系統層面對天線展開設計；

最后，天線設計越來越小型化，5G毫米波頻段使天線的設計尺寸更小，天線的集成度正變得越來越高。

面對天線向大陣列、有源化、系統化、集成化的發展趨勢，Ansys提供了完整的陣列天線系統仿真體系。覆蓋了天線單元、天線陣列到天線射頻聯合仿真全流程。此外，Ansys深耕多年的電磁場仿真可以支持非常精準的參數模型提取，例如對系統里的濾波器等無源器件進行抽取，與天線構成更大規模的場路協同仿真，并進行散熱分析和可靠性分析。

Ansys天線系統仿真體系

在天線單元設計上，Ansys HFSS提供了Antenna Toolkit工具箱，集成了包括17種大類、上百種小類的豐富天線模型，用戶可以一鍵完成天線設計，生成的參數化模型可供后期優化，天線模型以3D Component的形式生成，以供后期模型復用。

在天線陣列方面，Ansys除了常規的完整建模、無限大陣列方法外，在Ansys 2020 R1版本中，創新增加了對于天線單元的非規則陣列求解新方法—基于3D組件的有限大陣列方法。通過建立單個陣元模型，用戶僅需對一個單元自適應網絡剖分，用域分解DDM技術進行求解，使單元與非共形網格分析相結合，既可以比擬完整建模的高精度，又可以使求解如同單元法般靈活高效，為整個仿真過程提供了令人難以置信的效率而又不降低準確性。

Ansys HFSS可對完整5G毫米波陣列進行高效仿真

在天線射頻聯合仿真方面，Ansys通過場路協同仿真平臺可以對射頻前端有源和無源器件仿真，同時實現平面和三維結構的電磁場求解，并在頻域/時域混合信號上進行系統級別的仿真。更重要的是，Shawn表示聯合仿真的過程中，可以和HFSS、Q3D、Slwave等其他場仿真工具進行動態鏈接，提升了整個仿真過程的效率和易用性。

天線設計不能脫離實際應用，因此仿真過程中另外一個問題出現了——共存。在Shawn看來，大規模MIMO天線給終端帶來的挑戰之一就是互相影響與耦合。面對5G時代的智慧城市、智能家居、智能駕駛、超大規模物聯網應用等復雜場景，天線信號能否全面覆蓋，終端與基站之間是否能較好的連接，終端傳感之間如何避免干擾互相影響，這些都需要進行仿真分析驗證。

因此，通過HFSS對基站陣列天線進行仿真后，需要以SBR+求解器提取終端和基站天線之間進行耦合，提取后將耦合數據通過第三方數據處理工具如Matlab中進行波束成形和場景級的耦合分析。所謂HFSS SBR+，即彈跳射線法求解器，后面的“+”表示增強型，是一款用于天線安裝后性能預估的Ansys仿真分析工具。在Ansys 2020 R1版本中，SBR+求解器和傳統HFSS有限元是一種互補關系，可以考慮微波和毫米波信號在大范圍內傳播時的衍射和吸收等影響。作為業界最精準的彈跳射線法求解器，它有以下特點：

1. 考慮物理繞射理論，在邊緣修正PO電流；

2. 考慮爬行波效應；

3. 考慮一致性繞射理論，計算邊緣衍射，得出陰影區電流分布。

例如我們知道5G網絡通過切片滿足不同業務場景，這與4G簡單地將無線資源劃分業務等級不同，5G切片是業務承載所需的端到端的物理或虛擬資源的整合，包括帶寬資源、傳輸資源、核心資源，構成邏輯上的“專網”。由于5G采用密集部署，通過宏基站、微基站不同網絡實現分層融合，來為不同場景的用戶提供最佳的網絡服務。因此，針對不同基站配置的有源天線系統，需要考慮樓宇間的復雜場景進行合理布局，才能使網絡覆蓋面積達到最大化以及性能最優。如果像以往那樣部署后再進行測試，不僅繁瑣且漫長，后續在調節網絡覆蓋時也費時費力。而Ansys通過HFSS進行快速仿真分析后導入城市樓宇模型，通過SBR+技術的多次彈跳綜合可以快速獲得天線陣列系統的實際覆蓋區域。

SBR+五次彈跳后得出網絡覆蓋情況

又比如自適應束波賦形。作為5G核心技術之一，束波賦形可以使5G基站自適應調整天線陣列的輻射方向圖，起到對移動中的終端設備跟蹤并給予最佳信號。Ansys通過HFSS天線陣仿真、SBR+電大場景仿真以及Matlab算法調用這三者合一的自適應束波賦形仿真技術，快速準確地仿真評估出天線陣及自適應算法在實際應用中能否自動有效生成可靠的波束指向，為5G波束賦形技術提供更為真實的評估方法。

除了5G天線外，5G終端產品的復雜性也進一步提升。如5G手機的芯片組包括射頻集成電路(RFIC)、系統芯片(SoC)、專用集成電路(ASIC)、蜂窩芯片和毫米波集成電路。這其中，在芯片設計層面，企業通常會關注功耗、信號完整性（SI）、電源完整性（PI）等參數；在封裝時會考慮散熱、結構應力，進行跌落測試；在PCB布板時考慮輻射、效率、布局等問題。但由于芯片、封裝和系統涉及不同的專業領域，很難進行協同，因此企業往往缺乏跨專業的整體仿真方案。

為了滿足5G時代用戶對電子產品更高性能、更小尺寸的需求，企業需要在電子芯片、封裝和系統設計中使用一體化的分析和驗證方法。Ansys的仿真和建模工具提供了芯片-封裝-系統設計流程，這種配套方案從設計最初階段就能滿足產品的跨領域需求，并確保最終產品的各個組件能夠作為一個整體系統協同工作，例如Ansys提供的幾款代表性工具：

PowerArtist：面向功率設計的綜合性物理感知型解決方案，適用于早期寄存器傳輸級(RTL)電源預算、效率分析、降低和回歸，它可以分析實際應用中的電源情況并執行無縫銜接的RTL物理電源完整性和熱學分析。

RedHawk：電源完整性和可靠性解決方案，可以對整個供電網絡（從芯片到封裝再到PCB板）進行壓降模擬分析，從而預測芯片功耗和噪音。

Totem：晶體管級電源噪音和可靠性仿真平臺，適用于模擬設計、混合信號設計和自定義數字化設計。

PathFinder：規劃、驗證芯片Soc設計，以實現ESD（靜電放電）的完整性和魯棒性。通過Pathfinder分析可以快速識別出在CDM（充電器件模型）、HBM（人體模型）等事件中造成的芯片損壞問題。

Ansys芯片-封裝-系統仿真生態系統

除了數字芯片外，在射頻芯片和模擬芯片進行電磁仿真設計時，業界采取的一種傳統方法是運用全波電磁場工具進行參數抽取，這種方式保證了精度但仿真規模比較局限。另一種方式是采用RC抽取引擎，這種方式規模足夠大但精度在超過1GHZ后會有所損失。對此，Ansys在2019年收購了Helic Software彌補了這個領域的空白，Helic工具為5G射頻集成電路、硅中介層、高帶寬內存（HBM）模塊以及其他堆疊芯片設計提供非常準確的電磁場仿真分析，并具有領先芯片代工廠的完整工藝設計套件（PDK）支持。

Ansys芯片電磁仿真工具Helic

在推進5G的過程中，無疑將產生巨大的數據流量，數據預測2022年手機用戶將產生25GB/天/人的數據量，每臺自動駕駛汽車每天將產生4TB的數據量（假設汽車每天行駛一小時）。在新應用的不斷帶動下，流量將迎來進一步的爆發，由于處理大量數據必須支持高速度的信號傳輸，因此在信號/電源完整性和電磁兼容方面都將給設計仿真環節帶來嚴峻挑戰。

針對大型高速系統的仿真設計流程，主要包含以下四個階段：

原理圖仿真設計→Layout中仿真設計→Layout后整板仿真→局部整改

在上述傳統流程中，Ansys提供了專門針對PCB整版的仿真工具SIwave，高頻結構仿真工具HFSS，用于機箱屏蔽設計和系統EMI/EMC仿真，優化和參數掃描模塊Optimetrics，以及和EDA工具的接口Ansoftlinks for EDA，高性能計算模塊等。針對不同類型的結構，Ansys利用針對性的電磁場求解器進行仿真和抽取，并組裝到電路仿真工具中進行瞬態仿真，得到模型的頻譜分量和眼圖，仿真的頻譜還可以用于PCB的輻射分析，并進一步仿真PCB經屏蔽后的輻射強度，從而全面、精確、快速地實現系統信號/電源完整性和EMI/EMC設計。

對于5G這種大型高速系統信號完整性仿真，其特點是系統的不同部分（三維和平面）將裝配在同一個界面中，因此Ansys采用了Slwave和HFSS共同混合仿真全信道，既發揮Slware在平面上的優勢，同時與HFSS的三維部件求解相結合，如果PCB版上包含IBIS模型，可以直接附在Layout布局上，無需到原理圖界面操作。例如在Slwave和HFSS混合求解過程中，用戶可以對信號走線用Slwave求解，無需使用耗時的三維電磁場求解器。對信號走線中的過孔、連接器等關鍵敏感部位則使用HFSS三維求解器求解，在效率和精度上同時滿足復雜系統的要求。

雖然企業早已發現基于多物理場的仿真，能驗證在各學科耦合關系下更接近于真實世界的產品性能，但在5G時代的更高性能、更小尺寸電子產品要求下，多物理場下的溫度、磁場和結構之間的耦合關系將更為復雜。一些案例表明，高密度介質下環境溫度會更容易影響材料的介電特性，同時被影響的材料介電特性又會影響微波組件的電磁性能，從而導致嚴重的產品故障。

對于Ansys而言，多物理場解決方案已成為其標準組件之一，Ansys擁有覆蓋流體、熱、結構、電磁場、電路/系統等完備的仿真能力。Ansys針對5G提供了多物理場雙向耦合仿真標準流程：通過HFSS求解基于熱仿真結果的具有溫變特性的電氣性能，這些結構分析的形變網格結果可以返回HFSS進一步分析，基于仿真流程進行迭代，直到達到穩態性能。

譬如在射頻前端設計中必須以“熱感知”為前提進行，功率放大器和封裝過程不僅要考慮熱效應，還需要耦合結構分析，以確保它們在外部環境和電子設備引起的溫度波動中，所有機械零件處于安全級別內。Ansys HFSS通過將芯片、封裝和PCB板的電磁分析與Ansys Icepak耦合在一起，以提供耦合的熱分析，并同時與Ansys Mechanical套件結合使用，以評估材料應力并發現潛在的故障。

Ansys Icepak全尺度電子散熱仿真

值得一提的是，Icepak目前已經加入到Ansys最新版本的電子桌面（AEDT）中，集成在AEDT中的Icepak能夠更加方便電路工程師操作習慣，在電路設計階段就可以考慮熱效應帶來的影響，從而縮短研發流程。目前，在HFSS與Icepak、Maxwell與Icepak、Q3D與Icepak之間都可以實現電、熱的雙向耦合。

ATED-Icepak和經典Icepak仿真流程對比

2020年6月6日，距中國正式發布5G牌照正好一周年。在Shawn看來，中國已成為全球5G創新最主要的市場，同時也是最容易采用5G技術的商用市場之一。2020年底，中國5G基站將至少達到55萬個，占全球基站數量的五成。在用戶規模上，中國的增速比基站建設更快，截至今年2月，全球5G用戶達3200萬，中國5G用戶高達2613萬，占全球用戶88%。

當5G連接已成為世界大部分經濟的中心，并將為下一次重大工業和經濟革命提供支撐時，借助段加速5G應用投入市場，已成為企業跑贏這場競賽的核心引擎。

目前，Ansys在5G領域已被廣泛用于芯片設計、封裝、射頻、PCB板、連接器、組件、天線以及復雜環境的交互設計和分析中。通過Ansys解決方案，AMD將半導體功耗降低了70％以上，其最大TDP（熱設計功率）下的空閑功率降低了22％，功率與帶寬曲線斜率提高了400％。此外，PHAZR IOTA副總裁Paul Gilliland也表示在Ansys的幫助下，PHAZR針對5G的每個設計應用至少節省了兩周時間。

面對5G時代滾滾駛來，Ansys在賦能企業的同時，自身也在不斷創新優化解決方案，加快技術創新步伐。例如在數據傳輸方面，Shawn介紹芯片封裝的電信號傳輸局限正越來越限制整體帶寬和信號傳輸效率，從而影響系統的性能，而擴大光學組件使用范圍的方法，開發具有光子接口的先進集成電路，將有效提升傳輸距離和效率。對此，Ansys在今年3月收購了Lumerical，幫助設計師對光子學中極具挑戰性問題進行建模，包括光學、電子和熱效應的交互，并將有望預測復雜光子結構和系統中的光行為。

另一方面，面對消費類電子產品的材料多樣化應用趨勢，Ansys在2019年收購了Granta Materials，這是世界上最大的材料數據庫，提供適用于所有物理場分析的材料屬性。此外，Shawn表示Ansys還在構建仿真流程和數據管理（SPDM）軟件以及處理集成和設計優化（PIDO）工具，以支持由數十至數千名工程師組成的設計團隊的企業級工作流程，以實現仿真流程的高度集成、仿真標準化和自動化、多學科優化。