大多數(shù)關(guān)于5G的討論都集中在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的非凡能力以及對用戶的潛在優(yōu)勢上，比如新技術(shù)的帶寬和范圍將如何提供強(qiáng)大的功能和內(nèi)容等。然而，這類報道避之不談的是，設(shè)計團(tuán)隊在試圖實(shí)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)所暗含的承諾目標(biāo)時，必須先探索無數(shù)的工程難題。

服務(wù)提供商必須提供滿足客戶對服務(wù)質(zhì)量和功能的期望所需的性能水平。與此同時，他們還需要提供對用戶極具吸引力的定價，以保持競爭力。多重市場壓力產(chǎn)生了總體擁有成本（TCO）這一概念，服務(wù)提供商必須能夠滿足該標(biāo)準(zhǔn)才能生存。TCO可通過兩大類別的多個關(guān)鍵績效指標(biāo)（KPI）來衡量：技術(shù)能力，即覆蓋范圍、容量、MIMO性能，和產(chǎn)品使用壽命，即長期可靠性、功耗以及整體重量。

這些KPI已成為開發(fā)5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下游系統(tǒng)企業(yè)的必備要求，涉及的設(shè)備包括：基站和更小的蜂窩基站（Metrocell、Microcell、Femtocell和Picocell）及其相關(guān)的天線陣列。反過來，這些系統(tǒng)企業(yè)針對他們開發(fā)的通信節(jié)點(diǎn)將KPI分解為詳細(xì)的規(guī)范，這些節(jié)點(diǎn)實(shí)際是指天線、印刷電路板（PCB）上的支持電路以及包含PCB和天線的盒子或外殼。

毋庸置疑，關(guān)鍵組件是天線。系統(tǒng)設(shè)計中的其他所有部分都需要符合其要求并依賴于它。讓我們詳細(xì)了解一下5G系統(tǒng)設(shè)計團(tuán)隊在開發(fā)最佳天線時所面臨的挑戰(zhàn)。

使用Ansys HFSS對5G波束控制裝置（BSU）天線進(jìn)行電磁仿真

設(shè)計團(tuán)隊的觀點(diǎn)

從事5G天線設(shè)計的工程師最關(guān)心的問題可分為三大類：設(shè)計、驗證和測試以及部署。然而，這些類別的工作并不是獨(dú)立存在的，而是相互依賴的。

天線設(shè)計

5G將推動多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）陣列提高到新的功能水平。然而，設(shè)計這種能夠滿足網(wǎng)絡(luò)要求的天線的過程中，充滿了“危險”。輻射單元必須在其給定的物理孔徑下達(dá)到最佳性能，覆蓋其指定的廣播范圍和用戶負(fù)載，精確支持多種帶寬，正確形成波束，并支持固定衛(wèi)星服務(wù)（FSS）、自適應(yīng)調(diào)制和編碼（AMC，有時被稱為鏈路自適應(yīng)）等帶寬效率功能。與此同時，設(shè)計人員必須解決由天線工作引起的任何耦合效應(yīng)，以及識別和補(bǔ)償隨機(jī)效應(yīng)或其他信號損耗來源，如阻抗不匹配、射頻干擾（RFI）等。創(chuàng)建這種復(fù)雜的組件需要設(shè)計人員具備一定的靈活性、適應(yīng)性和實(shí)驗技巧。

使用Ansys HFSS的5G MIMO輻射單元

天線驗證和測試

在系統(tǒng)的預(yù)期使用壽命內(nèi)，多種因素使天線完整功能的驗證變得復(fù)雜。該驗證的一部分涉及系統(tǒng)本身的基本運(yùn)作；這不僅包括天線，還包括其支持電路組件和電路板。然而，更緊迫的挑戰(zhàn)因素是工作環(huán)境對天線和整個系統(tǒng)的影響，包括風(fēng)、雨、雪、冰、靜電積聚、酷暑和嚴(yán)寒、灰塵、冰雹、沙塵暴、雷擊等。

更糟糕的是，這些影響還會相互疊加。信號傳導(dǎo)或天氣因素產(chǎn)生的熱量會使組件膨脹，從而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力并反饋到傳導(dǎo)性。風(fēng)則會使天線形狀發(fā)生變形，從而影響信號環(huán)境。隨著時間的推移，系統(tǒng)的重量也會影響其可行性。

設(shè)計人員可采用多種方法來解決這些問題來源。重量是天線和系統(tǒng)的一大設(shè)計限制，而風(fēng)載荷估計值將成為進(jìn)一步的約束條件。電源管理方案可以推遲芯片、電路板和系統(tǒng)級的故障發(fā)生時間（TTF）。從可靠性角度，可以估計出大量變量，例如組件和電路板可靠性、功耗、備用電源周期、工作頻率、傳播效應(yīng)、對數(shù)據(jù)覆蓋和干擾的熱/電熱效應(yīng)以及電氣性能漂移——即使有環(huán)境、電源和性能“情況”作為約束，也是如此進(jìn)行估計。

遺憾的是，上述方法也不利于及時完成設(shè)計和部署。它們最終會成為通過實(shí)驗進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化的障礙，因為每次迭代都必須重復(fù)（至少部分重復(fù)）測試和驗證工作。

天線部署

當(dāng)完成部署后，整個網(wǎng)絡(luò)預(yù)計將能夠可靠地工作并按需執(zhí)行規(guī)范——包括支持各種用戶平臺，高效且最大限度地使用帶寬和信道、高信號強(qiáng)度、最高的數(shù)據(jù)速率以及最小的信號延遲。然而，太多因素阻礙了這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

用戶負(fù)載具有廣泛的可變性和動態(tài)性；基站、低層級蜂窩基站和用戶平臺之間存在天線交互的風(fēng)險；傳播環(huán)境本身也存在許多潛在問題，因為它是有源的。此外，城市環(huán)境中存在的物理障礙可能會吸收或偏轉(zhuǎn)傳輸信號，造成死區(qū)、信號中斷和傳播延遲。甚至現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，也會給有效的蜂窩基站部署帶來問題。

而服務(wù)提供商希望系統(tǒng)企業(yè)開發(fā)出能夠解決上述所有問題的蜂窩基站和天線。無論環(huán)境如何，他們都希望5G硬件能夠為其客戶提供低成本、高質(zhì)量的通信和數(shù)據(jù)服務(wù)。

Ansys HFSS與城市5G網(wǎng)絡(luò)

仿真解決方案

Ansys在多物理場計算領(lǐng)域有50多年的發(fā)展歷史，可提供廣泛而深入的豐富仿真技術(shù)。Ansys HFSS可提供多種求解器和數(shù)值方法，支持從離散組件和封裝芯片到整個飛機(jī)和城市無線網(wǎng)絡(luò)（從微觀到宏觀）等電磁現(xiàn)象的建模和仿真。其包括有限元法、矩量法和SBR求解器；3D組件庫和布局功能；自適應(yīng)網(wǎng)格劃分；以及域分解。

HFSS的重要亮點(diǎn)是其獨(dú)特的網(wǎng)格融合功能，它能夠以數(shù)學(xué)精度捕獲幾何結(jié)構(gòu)（無論大小），同時不會相應(yīng)產(chǎn)生估計誤差或折衷誤差。利用網(wǎng)格融合功能，可以將龐大而復(fù)雜的對象包含在統(tǒng)一的模型中，從而獲得業(yè)界認(rèn)可的黃金標(biāo)準(zhǔn)精度進(jìn)行仿真。

HFSS可與許多其他Ansys仿真工具結(jié)合使用。這些仿真器結(jié)合在一起時，能夠在每個物理維度（機(jī)械、熱、結(jié)構(gòu)和電磁）對5G網(wǎng)絡(luò)及其所有組件進(jìn)行建模和仿真，從而為高復(fù)雜性、高功能產(chǎn)品和系統(tǒng)的虛擬原型開發(fā)提供真正的多物理場計算支持。

上述所有功能可共同支持開發(fā)和部署5G無線網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格要求。在天線設(shè)計層面，仿真工具和工作流程可指導(dǎo)設(shè)計人員在頻率、天線配置和材料方面找到最佳解決方案。可以跨多個參數(shù)（如數(shù)據(jù)速率、容量、吞吐量、延遲、連接和覆蓋范圍）進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化和動態(tài)精細(xì)調(diào)節(jié)，同時保持創(chuàng)新和快速迭代實(shí)驗的能力。這使得Ansys能夠提供獨(dú)特的仿真能力，以支持大規(guī)模MU-MIMO天線陣列的設(shè)計。

此類仿真還可以考慮這些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、熱和電氣完整性的所有環(huán)境影響。您甚至可以跳過風(fēng)洞試驗——可實(shí)現(xiàn)對天線變形和故障以及結(jié)構(gòu)載荷的機(jī)械應(yīng)力的詳細(xì)仿真。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的理想布局和操作完全可以根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行規(guī)劃。可控波束能夠與可調(diào)寬度和功率等級一起建模。此外，您還可以對信號進(jìn)行3D分析，以緩解來自城市地區(qū)復(fù)雜射頻（RF）環(huán)境的潛在問題，以及多路徑傳播、反射、吸收、陰影、堵塞區(qū)域和死區(qū)等危害。蜂窩基站/節(jié)點(diǎn)布局可進(jìn)行規(guī)劃，以便理想地適應(yīng)或利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。系統(tǒng)的尺寸、重量、功耗與成本（SWAP-C）對網(wǎng)絡(luò)部署的影響可針對所有因素進(jìn)行優(yōu)化，同時考慮在各種潛在環(huán)境壓力下的性能和耐用性。

得益于通過工作流程自動化實(shí)現(xiàn)的快速運(yùn)行時間，仿真可以根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)和區(qū)域的變化進(jìn)行擴(kuò)展。此外，Ansys仿真器還為分布式計算提供廣泛的支持，從而能夠并行計算并高效地使用系統(tǒng)內(nèi)存資源。

將多物理場仿真作為5G系統(tǒng)設(shè)計、可靠性評估和節(jié)點(diǎn)部署方法的重要組成部分具有諸多優(yōu)勢，這源自于Ansys工具能夠?qū)﹂_發(fā)的各個方面進(jìn)行虛擬原型設(shè)計。如果構(gòu)建物理原型來測試功能、可靠性和無線（OTA）操作，這不僅耗時，而且成本高昂。通過虛擬化的方式開展關(guān)于設(shè)計選擇和功能增強(qiáng)的實(shí)驗基本上沒有風(fēng)險，同時還可以減少開發(fā)時間和成本，最終幫助設(shè)計團(tuán)隊比競爭對手更快地發(fā)布出色產(chǎn)品。