本文原刊登于semiwiki.com：《The 5G Rollout Safety Controversy》

作者：Matt Commens | Ansys首席產(chǎn)品經(jīng)理（HFSS）

編輯整理：羅輝 | Ansys高頻應(yīng)用工程師

最近關(guān)于美國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商 AT&T 和 Verizon 聯(lián)合推出最新的 Sub-6GHz 頻段 5G 無線電接入網(wǎng)絡(luò) (RAN)的新聞引起了很多關(guān)注。根據(jù)計(jì)劃，上述美國(guó)兩大電信運(yùn)營(yíng)商本應(yīng)在2021年1月5日全面推出新的5G網(wǎng)絡(luò)頻段，但是美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）和航空業(yè)卻申明該新頻段的推出將對(duì)部分民航機(jī)型的安全設(shè)備產(chǎn)生影響，對(duì)飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀和著陸系統(tǒng)的潛在安全問題表示嚴(yán)重?fù)?dān)憂，由此美國(guó)的一些國(guó)際和國(guó)內(nèi)航班相繼取消。經(jīng)過多方反復(fù)地溝通談判，AT&T和Verizon同意在美國(guó)某些特定機(jī)場(chǎng)附近推遲5G系統(tǒng)的實(shí)施計(jì)劃。

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC） 早在 2020 年12 月拍賣了 3700-3980 MHz C波段頻率，這些無線頻譜被認(rèn)為與民航飛機(jī)高度計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)工作的 4200-4400 MHz 頻段太接近了。關(guān)鍵、敏感的高度計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)將射頻信號(hào)從地面反射，以確定飛機(jī)的相對(duì)高度，供飛機(jī)的自動(dòng)駕駛儀和自動(dòng)著陸系統(tǒng)使用。顯然，來自該系統(tǒng)的高度信息如果出錯(cuò)將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題，尤其是在飛機(jī)起飛和著陸期間將帶來致命的風(fēng)險(xiǎn)。

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

表面上看，這兩個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在不同的頻段，似乎根本不會(huì)存在相互干擾的問題。但是，在討論由各種有源組件組成的射頻系統(tǒng)時(shí)，這并不是那么簡(jiǎn)單。射頻系統(tǒng)內(nèi)的有源設(shè)備會(huì)產(chǎn)生攜帶大量雜散的帶外信號(hào)，盡管這些信號(hào)的幅度可能比帶內(nèi)基波頻率上的幅度低得多，但它們?nèi)匀豢梢源蟮阶阋愿蓴_在其他頻段運(yùn)行的附近系統(tǒng)。此外，雷達(dá)高度計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常敏感，因?yàn)閬碜缘匦蔚姆瓷湫盘?hào)的幅度可能會(huì)根據(jù)海拔高度以及地形的特征和形狀而有很大差異，所以從理論上來說，5G C波段的帶外雜散信號(hào)如果一旦落在高度計(jì)系統(tǒng)的工作頻帶以內(nèi)，將很有可能影響高度計(jì)雷達(dá)的接收機(jī)靈敏度，導(dǎo)致飛機(jī)高度讀數(shù)發(fā)生錯(cuò)誤。

另外，因?yàn)椴糠置窈斤w機(jī)上的高度計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)超過三十年，當(dāng)時(shí)在臨近頻段并沒有其他高功率無線射頻系統(tǒng)工作，所以設(shè)計(jì)者沒有在接收機(jī)前端使用濾波器來濾除帶外干擾，這就導(dǎo)致了高度計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)的帶外抑制度很差，當(dāng)5G C波段部署成功后，這個(gè)新的5G頻段（如下圖淡藍(lán)色頻譜）將極有可能給高度計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)帶來阻塞、臨道泄漏、交調(diào)等影響，惡化接收機(jī)的靈敏度。

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

讓人感到意外的是，自2020年12月5G C頻段拍賣至2022 年1月網(wǎng)絡(luò)推出，中間長(zhǎng)達(dá)一年多的實(shí)施時(shí)間，居然在前期5G網(wǎng)絡(luò)部署階段沒有預(yù)料到會(huì)給航空安全性帶來如此巨大的爭(zhēng)議；而美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）基于安全考慮而取消的大量國(guó)際國(guó)內(nèi)航班已帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失；而且還有計(jì)劃將對(duì)部分機(jī)型的高度計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并投入更多成本對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行大量測(cè)試，而這些為規(guī)避安全性風(fēng)險(xiǎn)和新系統(tǒng)驗(yàn)證完全可以通過工程仿真的手段來輔助執(zhí)行。例如Ansys EMIT 等仿真工具就可以在前期對(duì)這些嚴(yán)重的射頻干擾問題進(jìn)行仿真和評(píng)估。

下圖即顯示了Ansys EMIT軟件對(duì)典型多射頻系統(tǒng)共存工況下的抗干擾分析，在該復(fù)雜工況中包括了多個(gè)天線和無線電設(shè)備。該系統(tǒng)可以是飛機(jī)本身，也可以是包括飛機(jī)和機(jī)場(chǎng)附近的地面5G系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)子系統(tǒng)的組合。EMIT使用來自各種來源的器件模型快速便捷地搭建各個(gè)射頻系統(tǒng)，在這個(gè)例子里，它可以使用由Ansys HFSS電磁場(chǎng)求解器以及SBR+高頻近似電磁場(chǎng)求解器得到的仿真結(jié)果來作為準(zhǔn)確的場(chǎng)耦合模型。

作為專用于解決棘手射頻干擾問題的仿真工具，Ansys EMIT 是 Ansys Electronics Desktop 的一個(gè)組成部分，也是 Ansys HFSS 產(chǎn)品家族的一部分，旨在考慮寬帶發(fā)射機(jī)發(fā)射并評(píng)估其對(duì)寬帶接收機(jī)特性的影響。此外，發(fā)現(xiàn)的任何問題都能通過追溯方法直觀地識(shí)別，使設(shè)計(jì)人員能夠輕松了解干擾源頭和干擾路徑，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師快速找到緩解干擾的方案。

EMIT 考慮了通道內(nèi)和帶外效應(yīng)。除了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之外，進(jìn)行射頻干擾仿真還必須考慮天線的影響。Ansys HFSS 是對(duì)天線的物理特性、安裝效果和耦合進(jìn)行建模和仿真的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即使是仿真長(zhǎng)距離和地形反射的天線耦合問題也能適用。

內(nèi)容推薦 | HFSS功能更新（2021 R2）

肖運(yùn)輝 | Ansys產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)理

肖運(yùn)輝，電磁場(chǎng)仿真軟件專家，對(duì)電磁場(chǎng)仿真算法體系及相關(guān)軟件有系統(tǒng)性了解和研究。現(xiàn)任Ansys中國(guó)高頻產(chǎn)品線技術(shù)經(jīng)理，負(fù)責(zé)高頻行業(yè)技術(shù)開發(fā)和管理工作，對(duì)Ansys電磁產(chǎn)品，多物理場(chǎng)耦合產(chǎn)品，Ansys平臺(tái)方案等有關(guān)產(chǎn)品及方案應(yīng)用有全面的了解和經(jīng)驗(yàn)。

想要了解更多Ansys HFSS相關(guān)內(nèi)容，可查看『2021 Ansys Innovation大會(huì)』——射頻與天線專題分會(huì)場(chǎng)，>>成為Ansys數(shù)字資源中心會(huì)員查看更多精彩內(nèi)容