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ANSYS加速實現5G通訊暨高頻天線設計研討會

ANSYS台灣區總經理李祥宇表示,「針對5G高頻天線設計模擬,ANSYS推出的HFSS模擬工具可以大幅縮減設計時間。」

克服高頻天線設計挑戰 迎接5G時代來臨

迎接5G時代來臨,許多相關應用蓄勢待發,然而舉凡自駕車、物聯網等訴求高速傳輸的應用,對於5G技術的要求已從6GHz以下進展至運作於28GHz~77GHz頻段的毫米波(mmWave)通訊,這就形成了高頻天線設計的嚴苛挑戰,相關模擬軟體扮演的角色益發重要。

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ANSYS產品經理Matt Commens揭露HFSS工具的模擬技術。

ANSYS工程師林鳴志介紹 ANSYS HFSS SBR+,可解決天線設計上所遇到的問題。

更高效能的射頻系統設計,也就代表需要更小的物理尺寸、更短的波長及更高的靈敏度,且由於「失之毫釐,差之千里」,對於線路的粗細、厚薄更是「錙銖必較」,其他設計難關還包括頻率越高帶來越多損耗、溫度影響更為明顯,以及有更多新材料需進行測試等,其中任一個環節出錯都會導致設計時間不斷延長,進而影響市場商機的爭取。

模擬工具良莠 左右研發週期長短

對於5G應用業者而言,模擬工具的良莠直接影響產品開發週期、研發費用,乃至後續的市場競爭力。為解決天線設計工程師的困擾,致力於模擬軟體及技術開發的ANSYS公司於日前舉辦「加速實現5G通訊暨高頻天線設計研討會」,該公司台灣區總經理李祥宇表示,「針對5G高頻天線設計模擬,ANSYS推出的HFSS模擬工具可以大幅縮減設計時間。」ANSYS提供從概念設計到最終產品測試的完整模擬方案,已廣泛應用於全球產業,協助工程師以快速、高效和合理成本完成產品設計開發。

HFSS模擬工具如何有效協助5G高頻天線及相關應用的設計工程師順利完成任務?ANSYS的HFSS軟體首席產品經理Matt Commens博士指出,為了滿足更多樣化的應用情境,5G標準導入了許多新的射頻通訊技術,包括更複雜的天線陣列及毫米波(mmWave)等,面對這些新技術所造成的系統設計複雜度及全新的設計架構需求,HFSS模擬工具的整合性可協助工程師克服挑戰。

Matt Commens說明HFSS的特色在於整合了ANSYS的熱、結構及流體力學工具,能提供電子元件完整的物理場分析,此外,HFSS具有強大的自動化自我調整網格加密功能,並能藉由高效能運算(HPC)加速技術獲得最佳的精確度。

具體而言,針對天線、RF微波元件、高速互連、連接器、IC封裝和 PCB的設計需求,ANSYS HFSS工具可以計算各種微波和RF,並藉由3D全波精度的模擬技術實現 RF和高速設計,透過高級電磁場求解器和高效諧波平衡和瞬態電路求解器之間的動態連結,加速反覆運算和物理原型製作流程。Matt Commens特別提到,利用ANSYS HFSS設計基地台陣列天線,時間甚至可從6小時縮減至 2.75小時。

進階功能強大 解決天線設計難題

ANSYS工程師林鳴志則介紹 ANSYS HFSS SBR+,這是一款進階的天線效能模擬軟體,可以提供更有效率的演算法,金屬邊緣繞射計算及模擬也不是問題,他強調,過去許多被認為規模太大而無法求解的問題,利用HFSS SBR+就能加以解決。利用HFSS SBR+可分析各種平台上已安裝天線的效能,這些平台上的波長規模甚至高達數千級。

HFSS SBR+採用漸近式射線追蹤法,提供高效準確的計算解決方案,且具有高速和高擴展性等特性。具體而言,此方案可計算預測安裝輻射模式、Tx/Rx天線對之間的耦合、空間E & H場分布(近場)、入射場、散射場和總場、共面極化與交叉極化的輻射散射等。

跨越天線技術門檻 加速實現5G應用

此次研討會並特別邀請國立中山大學翁金輅教授分享其5G天線研究成果。翁金輅指出,傳統單天線設計訊號為SISO (單輸入單輸出系統),運算較為簡單,而技術進展至MIMO (多輸入多輸出)的8天線及12天線設計,運算複雜度高出許多,需要在訊號相互混雜的情況下重新排列出正確訊號。

此外,要在有限空間內放入多個天線,這是另一巨大挑戰。傳統理論認為兩個天線需間距0.5波長,才能明顯降低干擾,但翁金輅研發團隊證明可成功將兩個天線之最小間距壓縮在0.05波長內。翁金輅團隊並成功開發MIMO量測平台,確立手機多天線應用的可行性。

為了加速5G應用進程,產學研界無不積極投入研發力量。DIGITIMES吳伯軒分析師針對5G產業的應用和挑戰分析指出,從2G到5G,通訊標準逐漸收斂,因此不同於其他的通訊技術世代,5G網路不存在標準差異問題,應用差異化才是重點,而eMBB、MMTC、URLLC是受到期待的三大應用場景,尤其是URLLC 更被視為殺手級應用。一般預估5G網路規模商用將於2020年達成,屆時包括全像投影通話(Holographic calling)在內的創新應用都將可望實現。

5G商轉在即,相關商機迎面而來。拜5G技術進展所賜,物聯網、ADAS、高頻通訊等相關產品前景備受期待,然而在此同時,高頻天線設計的技術挑戰也更為嚴苛,如何透過高頻天線設計模擬工具來提高天線設計的精確度、降低通訊系統間的干擾,並且加速產品量產上市的時程,將成為業者是否能夠掌握這一波龐大商機的勝出關鍵。

繼此次成功舉辦研討會後,ANSYS後續將在5月舉行一系列高頻天線設計工作坊,進一步協助工程師熟悉HFSS模擬工具的使用,以順利解決高頻天線及相關產品設計的種種難題,進而加速產品開發速度,領先掌握5G市場商機。

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