Ansys毫米波天線設計模擬技術 迎接5G時代來臨

2020/10/29 - DIGITIMES企劃

愈來愈多的消費性電子產品朝向整合5G行動通訊技術前進，由於牽涉大量的毫米波頻譜使用，天線設計儼然是一道關鍵的技術門檻，且為了滿足更多樣化的應用情境，5G天線設計上的挑戰成為產品設計團隊選擇直球對決的重要環節。要達成這個目標，使用模擬軟體做為評估與驗證的基礎，就成為必備的設計要項與前期工作重點，當然也為模擬軟體系統帶來重要商機，Ansys是工程模擬軟體的佼佼者，技術經理林鳴志特別以「5G毫米波天線設計、模擬及分析的挑戰」為題，介紹Ansys系列的模擬軟體解決方案。

針對5G高頻天線設計模擬，Ansys推出系列的HFSS模擬工具，以大幅縮減工程設計團隊的開發與驗證時間為目標，Ansys最膾炙人口的功能是提供從概念設計到最終產品測試的完整模擬方案，目前已經廣泛應用於全球資通訊產業，協助工程師以快速、高效和合理成本完成產品設計開發工作。

簡報中，Ansys展示一個16x16大型毫米波陣列天線模擬的實際範例。天線單元加上微帶線多達432單元(Elements)，這使得模擬計算的工程異常龐大。針對這種具備重複性結構的設計，HFSS採用新的網格演算法可以大幅節省模擬時間且更有效的加速大型陣列天線的設計。除此之外，對於散熱的分析也是大型毫米波天線關注的課題之一。HFSS與熱分析軟體Icepak的配合也是一個重要的亮點。

林鳴志特別聚焦於介紹Ansys HFSS SBR+，這是一款進階的電磁波模擬演算法，可以更有效率的評估毫米波在室內或是戶外環境傳播與衰減的特性。過去許多被認為因規模太大而無法求解的問題，現今都可以利用HFSS SBR+來完成分析。

林鳴志進一步說明，台灣已有許多電子廠商切入毫米波元件供應鏈。Ansys這一方面的核心客戶群可分為三類--AiP製造的封裝廠商、採用AIP模組的ODM廠和AiP模組設計公司。針對複雜的AiP天線模組設計，HFSS尤其扮演了相當重要的角色。由於AiP除了天線結構，還包含了各式的高頻主被動元件。結構當中的高頻電磁特性需要精確的評估，也因此需要大量的電磁模擬計算，完整的計算時間往往需要數天的時間。天線模組設計的良莠可以透過optimal realized-gain CDF(Cumulative Distribution Function)曲線來判斷。

另外，針對裝置內擺放不同天線模組的最佳位置，也是模擬程式發揮效益的重頭戲，目前Ansys提供的5G天線模擬標準工具組合，提供Codebook導入，支援功率密度(Power Density)計算，支援CDF計算。HFSS提供了全面參數化介面，易於使用與操作。

特別值得一提的是對於Power Density的計算。由於FCC認證要求系統上不同模組，不同頻率，不同波束在不同位置的功率密度，針對模擬結果需計算多達上萬組數據。為了協助客戶解決大量數值計算的問題，ANSYS提供了自動化程式以協助快速輸出FCC認證所需要的數據及文件。

另外，為了協助系統廠商更精確的評估天線效能表現，AIP模組供應商會提供系統廠商加密的AIP天線模型，方便系統廠商整合機構件來執行電磁模擬。透過模擬可以大幅加速系統的開發，同時可以保護AIP廠商的智慧財產權。


圖說：Ansys技術經理林鳴志。