Ansys 5G行業典型應用解決方案
01
行業概述
02
5G研發中面臨的仿真設計挑戰
? 設計中的難點
- 芯片的復雜程度和工作頻率的不斷提高，芯片的低功耗設計問題也越來越突出， 手持移動設備的廣泛應用對功耗和散熱提出了更高的要求。
- 功耗的降低要求更低的供電電壓，使得芯片對電源噪聲，可靠性的容忍閾值也越來越低。
- 翻轉速率越來越高的I/O端口帶來嚴重開關同步噪聲問題。
? Ansys技術方案
- 針對數字芯片電路進行功耗分析以及功耗的優化，幫助用戶在設計前期預測功耗問題，降低成本，減少設計周期。
- 對芯片的layout版圖進行整體的仿真驗證，得到整個芯片的功耗和電源噪聲結果。
- Ansys優勢在于大capacity，能夠計算傳統spice仿真解決不了的全芯片級仿真問題。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysPowerArtist + RedHawk + Totem + Pathfinder
2.02 射頻前端芯片設計
? 設計中的難點
- 傳統方法使用全波電磁場工具對射頻芯片進行參數抽取，這種方式保證了精度但仿真規模比較局限。
- RC抽取引擎這種方式計算規模足夠大但精度在超過1GHZ后會有所損失。
? Ansys技術方案
- 實現對大規模射頻芯片中無源部分快速準確的電磁參數抽取，可以輸出RLCK網表或S參數等多種模型，比傳統工具的計算能力大數個數量級。
- 無縫集成在Cadence/Synopsys等EDA設計軟件中。
- 研究射頻芯片內不同設計層級的復雜nets和block之間的電磁串擾問題，獲取block之間的電磁耦合。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysVeloceRF + RaptorH + Exalto + Pharos
2.03 芯片/封裝/系統一體化設計
? 設計中的難點
- 一體化設計復雜程度越來越高：高速信號，低電壓門限，高集成度。
- 設計周期的嚴格要求，需要盡快交付整體方案。
- 降低成本，同時使得產品性能可靠。
? Ansys技術方案
- 考慮芯片性能，對芯片、封裝和PCB板進行整體仿真優化。
- 準確提取封裝和PCB板上的電磁場參數。
- 協同進行系統級信號完整性和電源完整性等仿真。
- 結合Ansys強大的多物理場求解功能，進行系統級散熱和封裝、板級的結構可靠性仿真等。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + SIwave + Icepak + Mechanical + HPC
2.04 單元天線設計
? 設計中的難點
- 天線形式多種多樣，難以選擇最合適的種類。
- 天線的高效和準確的仿真需求。
- 缺乏綜合設計工具幫助加快設計效率。
? Ansys技術方案
- HFSS天線工具箱集成上百種天線形式。
- 參數化模型，一鍵完成綜合設計，模型復用。
- 高效的優化算法加快設計探索效率。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + HPC
2.05 陣列天線設計
? 設計中的難點
- 5G陣列天線單元數目龐大，陣面太大，使用傳統方法求解對內存要求太高且計算緩慢。
- 復雜陣列組陣工作量巨大，且容易出錯。
- 需要準確評估陣列天線的單元耦合、邊緣耦合等因素對精度的影響，近似算法的精度不能接受。
? Ansys技術方案
- 基于DDM域分解算法的有限大陣列求解功能，快速準確得到陣列結果。
- 支持不同形式單元組陣，擴展陣列的靈活性。
- 支持合成激勵求解功能，對特定幅相激勵條件下的問題實現快速求解。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + HPC
2.06 陣列天線和射頻前端的場路協同設計
? 設計中的難點
- 天線與射頻集成度越來越高，互相會影響彼此性能，需要準確評估耦合等影響。
- 天線和射頻電路使用不同工具進行仿真設計，數據無法高效準確自動的交互，難以實現協同。
? Ansys技術方案
- 使用HFSS對大規模陣列天線進行快速準確的電磁場仿真和優化探索。
- HFSS有射頻電路求解器可以快速實現對前端射頻通道和器件的建模與仿真。
- 天線電磁場設計可以被鏈接到電路設計環境中實現場路協同一體化仿真。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + HPC
2.07 便攜設備天線的仿真設計
? 設計中的難點
- 天線與人體和其他環境緊密放置，環境對天線性能的影響需要高效準確的評估。
- 需要對便攜天線的放置位置和角度等進行參數化優化仿真分析，找到最優的天線指標。
? Ansys技術方案
- HFSS準確的有限元算法可以提供精準的天線仿真結果。
- 高性能計算功能幫助快速求解考慮人體、環境等條件下的天線性能。
- 內嵌的優化算法可以快速對天線位置、角度等變量進行參數化掃描評估，找到最優位置。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + HPC
2.08 天線SAR仿真
? 設計中的難點
- 5G手機天線設計必須符合國際標準，SAR值的高低與天線形式、總輻射功能、以及天線布局有關，通常
計算量非常龐大，對精度的要求也很高。
? Ansys技術方案
- Ansys提供符合IEEE標準的人體模型，通過優化設計仿真終端與人頭不同間距與傾斜角完成local SAR average SAR仿真，指導實際設計。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + HPC
2.09 射頻連接器仿真
? 設計中的難點
- 射頻連接器多為同軸連接器，其技術趨勢體現在小型化、高頻、低損耗、大功率容量、表面貼裝等方面，設計難度與日俱增。
? Ansys技術方案
- ANSYS軟件可提供精確的電磁場仿真、場后處理、自動優化、多物理場仿真能力，可提供精確的S參數計算、高效率的結構優化、功率容量計算、電磁-熱-應力耦合仿真等全面的連接器設計需要的仿真設計能力。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + Mechanical + HPC
2.10 射頻介質濾波器仿真
? 設計中的難點
- 介質腔體諧振濾波器耦合效應復雜，設計的難度非常大，工作在大功率狀態的濾波器還會有溫度漂移以及熱形變等問題。
? Ansys技術方案
- ANSYS解決方案可以實現從濾波器綜合、優化、實現到驗證的完整設計流程，還可以實現濾波器的電磁、熱、結構形變的多物理場耦合仿真。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + Mechanical + HPC
2.11 射頻微波無源器件仿真
? 設計中的難點
- 在射頻微波設計領域，微帶形式的無源器件以設計靈活、加工公差容易控制，易于大批量生產等特點受到廣泛應用。微帶線形式功分器作為微波無源器件中的典型設計，更是很多現代移動通信系統中不可缺少的一環。
? Ansys技術方案
- ANSYS仿真設計方案使有限元算法，對微帶無源器件進行高精度仿真求解，配合優化和參數掃描功能，對結構關鍵尺寸進行自動優化，快速得到滿足性能目標的設計。高性能計算模塊則可以幫助設計師高效率完成掃頻求解，快速得到寬帶范圍內的功分器求解結果。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + HPC
2.12 射頻有源器件版圖效應仿真
? 設計中的難點
- 在對射頻有源器件進行仿真時，除了關注電路層面的性能以外，由PCB版圖帶來的影響也不可忽略，版圖上各種線間不恰當的耦合就可能是引發射頻器件自激和其他不能正常工作情況的原因。
? Ansys技術方案
- ANSYS射頻版圖電磁效應仿真方案，能將PCB版圖從EDA工具中導入，與其他器件組成整體原理圖，實現版圖與電路原理圖之間的場路協同仿真，得到版圖電磁場分布對射頻放大器電路性能的影響。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + HPC
2.13 場景級電磁場仿真設計
? 設計中的難點
- 單一的電磁算法，無法解決場景級電大尺寸與復雜細節并存的問題。
- 龐大且復雜的幾何細節，傳統的網格剖分技術，無法應對。
- 大規模問題的求解，需要高效的并行技術與匹配的計算能力。
? Ansys技術方案
- FEM有限元算法對于天線類復雜問題的精確求解。
- SBR+彈跳射線法對于場景級超電大尺寸問題的高頻近似求解。
- 混合求解的思路則可以結合各個算法的優勢。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + HPC
2.14 射頻系統抗干擾仿真設計
? 設計中的難點
- 5G平臺上往往包含多個射頻系統，這些系統中的射頻器件由于諧波泄漏、雜散輻射等會產生大量的交調和雜散頻譜產物。
- 5G接收設備的工作頻段非常豐富，其敏感頻率也各有不同，這些接收系統受到干擾的潛在風險大大增加。
? Ansys技術方案
- Ansys提供復雜射頻環境中電磁干擾仿真的數據管理與分析的整體框架，實現對任何環境下共址射頻干擾的準確預測。
- 內置無線電模型庫和RF部件庫，方便射頻系統建模。
- 支持多種保真度的天線耦合模型。
- 考慮多射頻系統所有干擾因素。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + HPC
2.15 電子設備的EMC仿真設計
- 5G電子設備的形式多樣，數量眾多，全頻帶覆蓋，電磁環境急劇惡化。
- 沒有一種工具能夠解決所有的EMC問題，在不同仿真設計工具之間的數據交互困難
? Ansys技術方案
- PCB的EMC分析：隔離度，電源濾波，輻射，傳導、時鐘干擾，ESD，接地、高速串擾等。
- 線纜的EMC分析：布局、輻射、捆扎耦合，接地等。
- 機殼的EMC分析：屏蔽效能、諧振分布、器件部件、電磁泄露等。
- 接地系統EMC分析：接地阻抗、共地阻抗、接地噪聲等。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysHFSS + Q3D + Siwave + HPC + SpaceClaim
2.16 電子設備的結構可靠性設計
? 設計中的難點
- 電子產品失效主要是由溫度、振動、潮濕和粉塵引起，5G電子產品的性能和指標要求都更加苛刻。
- 組裝在一起的5G終端產品需考慮整機設備的變形、振動、跌落碰撞、散熱等問題。
? Ansys技術方案
- 預測手機器件的彎曲剛度，確定關鍵部件在高應力水平下是否破壞及疲勞壽命。
- Ansys可以再現手機扭轉的過程，分析得到扭曲后手機的變形，預測手機器件的扭轉剛度。
- 借助ANSYS 參數優化工具DX對手機結構進行優化，增強手機的抗跌落碰撞性能。
? 推薦Ansys模塊
- AnsysMechanical + SpaceClaim
2.17 電子設備的電熱耦合仿真
? 設計中的難點
- 5G電子設備的溫升與散熱分析要結合電磁場和溫度場/流體場多個物理域，不同物理場之間的數據要能夠互相傳遞，是一個復雜的多物理場耦合問題。
- 5G電子設備的溫度場分布會反饋到電磁場，影響5G電子設備的天線傳輸性能，需要形成電熱耦合迭代的無縫仿真流程。
? Ansys技術方案
- 針對5G電子設備溫升和散熱設計需求，ANSYS的多物理場解決方案集成了電磁場、溫度場/流體場多個求解器，不同求解器之間可以無縫鏈接實現幾何和數據的傳遞，使得工程師準確計算5G電子設備的損耗分布和溫升，并實現散熱性能的優化設計。
? 推薦Ansys模塊
- Ansys HFSS + Icepak + HPC
03
參考案例
3.01 RFIC VCO尺寸優化分析
? 客戶仿真目的
- 通過把電感放置在密集走線和電容區域上方，減少65%的芯片面積。
- 設計目標頻率30GHz，實測頻率27.5GHz，需要通過仿真發現原因。
3.02 芯片/封裝一體化仿真
? 客戶仿真目的
- 芯片和封裝的電磁協同仿真。
- 發現因芯片地網絡和封裝layer之間的電磁耦合引起電感性能惡化，進而惡化噪聲系數。
3.03 使用芯片CPM模型進行系統級性能優化分析
? 客戶仿真目的
- 對DDR Power進行優化，把芯片仿真得到的CPM模型跟PCB板一起進行仿真。
- 仿真使用去耦方案后，在板上和板邊緣的輻射能量。
3.04 芯片/封裝/PCB的電熱分析
? 客戶仿真目的
- 仿真芯片放置在PCB板上后的溫度場分布情況。
- PCB版圖走線不同，導致溫度場的分布也會有些許不同。
3.05 基站天線布局
? 客戶仿真目的
- 采用考慮到PTD、UTD和爬行波等多次射線彈跳的SBR+技術，能夠精確求解大場景中基站有源天線陣的電磁場分布問題，優化天線布局。
3.06 自適應波束賦形
? 客戶仿真目的
- 通過應用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波束賦形仿真技術，快速準確仿真出天線陣及自適應算法在實際應用時能否自動有效生成可靠的波束指向。
3.07 智能家居電磁干擾
? 客戶仿真目的
- 預測智能家居環境中多設備同時工作時存在的鏈路裕量、共址電磁干擾問題。
3.08 5G室內場景仿真
- 評估干擾設備穿過基站與目標設備之間時，是否在干擾方向產生動態零點，以及主波束是否始終指向目標終端設備。
3.09 5G室外仿真場景
- 評估隨著汽車的移動，車載5G通信設備與基站的耦合，以及各車載5G設備之間的干擾情況。
3.10 手機天線的電熱耦合仿真
? 客戶仿真目的
- 評估5G手機工作時的發熱情況，已經在高溫情況下對手機天線性能的影響。
深圳市優飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產品開發平臺解決方案與工業軟件開發的高科技企業，是ANSYS、MSC、COMSOL、Qt、國產CAD、國產尺寸鏈公差等工業軟件的戰略合作伙伴，擁有十多項行業領先的自主工業軟件著作權。優飛迪科技倡導“極致用戶體驗驅動產品開發模式”變革，助力中國質造，賦能極致研發，專注于仿真咨詢、工業軟件開發、工業軟件銷售、系統集成等領域的產品開發平臺解決方案，擁有一支硬核實力的技術服務專家團隊，能為企業提供“全心U+端到端服務“。如今，華為、中興、中國航天、格力、大族、華強、華星光電等知名企業與優飛迪保持著長期的緊密戰略合作伙伴關系。
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