视角 | 未来已来，5G时代的仿真技术挑战与突破

* 本文原刊登于智能制造媒体咨询研究机构e-works：《未来已来，5G时代的仿真技术挑战与突破》

作为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键基础设施，5G被认为是“新基建”的重中之重。商用一年来，我国5G部署不断加快，根据中国信通院的预测，到2025年中国5G网络建设投资累计将达到1.2万亿元，与此同时，5G还将带动产业链上下游以及各行业发展，预计到2025年将累计超过3.5万亿元。

在推进5G应用落地的过程中，高速率、低延时、大带宽的5G技术特性也带来了产品在芯片设计与封装、PCB板图设计以及天线基站等方面的一系列革新。特别是在工程仿真环节，针对5G的大规模MIMO（多进多出）和波束控制要求使天线阵列仿真系统性大幅度增加；更高性能、更小尺寸的芯片设计要求使每个封装中包含高密度介质，这给信号完整性、电源完整性、热管理、电子可靠性都带来了挑战；更不用说基于5G的智能驾驶、智慧城市、智能家居等复杂场景下，基站与终端之间的连接、终端与终端之间的相互干扰问题，使整个仿真过程变得错综复杂。

为了帮助企业加速数字创新进程，推进5G应用落地，e-works专访到Ansys射频产品高级产品经理Shawn Carpenter，Shawn就5G阵列天线的电磁场仿真、5G高速信号和电源完整性相关的EMI（电磁干扰）/EMC（电磁兼容性）分析、5G复杂场景下的电磁仿真等问题进行了解答，为企业简化设计仿真流程，加快5G创新技术投入市场带来了思考与借鉴。

经历过去一年声势浩大的铺垫后，2020年被认为是5G技术落地和普及的关键一年。在Shawn看来，5G技术包含了一系列强化系统级功能的重大变革，这些变化主要包括：

• 更高的带宽（以10倍至100倍的更快速率提供多达1000倍的数据）；

• 较低的网络响应延迟（比4G快5至10倍）；

• 连接的设备数量大大增加（增加了10到100倍）；

• 更高的网络可靠性（99.99％到99.999％的可靠性）

在这些变革的影响下，5G正在推动各行业转型升级，催生新的产品和服务，改变我们一贯所熟知的生活工作方式。例如在自动驾驶方面，有了5G交互式感知的支持，车辆就可以对外界环境做出快速反应，及时反馈。自动驾驶里的很多场景，如自动超车、协作式避碰、车辆编队等，对移动网络的可靠性和延时性有较高要求，这在5G技术支持下都能得到保证。

5G时代下无处不在的仿真

在智慧教育领域，随着智慧教室、互动教学等方式逐渐兴起，电子大屏、互动终端、VR终端、移动录播等设备在智慧教室广泛应用，这不仅需要网络能够接入更多类型的终端设备，更意味着要通过5G对不断增加的高并发、大带宽、低延时和多业务的并行应用提供可靠保障。

在智能制造领域，通过将数百或数千个传感器和控件分布在智能工厂中，并将其通过5G连接到中央云管理系统，可以为包括移动办公、物流供应、安全生产、智能控制等提供全方位的运营革新，进而加快生产流程的节奏和优化速度，推动制造企业创新发展。

然而，在推动5G应用落地的过程中，随之而来的工程仿真问题也不断涌现。面对5G时代下的高速率、低延时、大带宽要求，企业必须重新思考电子组件、设备和基础设施设计模式，找出在极端环境下高效运行和互通互连的方式。出于高密度基站阵列天线的大规模MIMO和波束控制要求，基站复杂度和天线元件数量都会大幅度增加。由于增加了波束成形功能，手持设备的一致性测试和认证也将变得更加耗时且成本更高，企业必须评估每个设备可能的辐射束位置，以确保合规性要求。

从1976年第一代通信技术面世以来，我们见证了从只能使用1G网络语音通讯到5G多媒体4K高清直播的历史变迁。这其中，天线技术无疑是移动通信技术中最重要的组成部分，从全向天线、定向天线、双极化天线、多极化天线、多频段天线、MIMO天线到现在的大规模阵列天线，天线技术正变得越来越复杂，形态越来越多样化。在“从芯出发，精彩无线——带你看懂5G研发中的仿真技术”行业大讲堂上，Ansys高频应用工程师罗辉介绍天线技术的演进呈现以下几种趋势：

首先，为了在有限带宽条件下实现更快速的网络连接质量，更大规模的MIMO阵列天线已成为首选，目前业内64发/64收的阵列天线已经非常普遍，其单元数达到了128，而256、512等单元数天线正在不断被应用；

其次，天线正在从无源向有源演变，集成了放大器、滤波器等射频器件的有源天线系统将进一步提升移动网络的系统容量、提升网络性能、降低运维成本、降低能耗损失，天线的有源化成为5G大规模MIMO天线系统的必然要求；

第三，天线的设计正在走向系统化，多阵列，多波束、高频段对天线设计提出了更高的要求，也促使设计者从系统层面对天线展开设计；

最后，天线设计越来越小型化，5G毫米波频段使天线的设计尺寸更小，天线的集成度正变得越来越高。

面对天线向大阵列、有源化、系统化、集成化的发展趋势，Ansys提供了完整的阵列天线系统仿真体系。覆盖了天线单元、天线阵列到天线射频联合仿真全流程。此外，Ansys深耕多年的电磁场仿真可以支持非常精准的参数模型提取，例如对系统里的滤波器等无源器件进行抽取，与天线构成更大规模的场路协同仿真，并进行散热分析和可靠性分析。

Ansys天线系统仿真体系

在天线单元设计上，Ansys HFSS提供了Antenna Toolkit工具箱，集成了包括17种大类、上百种小类的丰富天线模型，用户可以一键完成天线设计，生成的参数化模型可供后期优化，天线模型以3D Component的形式生成，以供后期模型复用。

在天线阵列方面，Ansys除了常规的完整建模、无限大阵列方法外，在Ansys 2020 R1版本中，创新增加了对于天线单元的非规则阵列求解新方法—基于3D组件的有限大阵列方法。通过建立单个阵元模型，用户仅需对一个单元自适应网络剖分，用域分解DDM技术进行求解，使单元与非共形网格分析相结合，既可以比拟完整建模的高精度，又可以使求解如同单元法般灵活高效，为整个仿真过程提供了令人难以置信的效率而又不降低准确性。

Ansys HFSS可对完整5G毫米波阵列进行高效仿真

在天线射频联合仿真方面，Ansys通过场路协同仿真平台可以对射频前端有源和无源器件仿真，同时实现平面和三维结构的电磁场求解，并在频域/时域混合信号上进行系统级别的仿真。更重要的是，Shawn表示联合仿真的过程中，可以和HFSS、Q3D、Slwave等其他场仿真工具进行动态链接，提升了整个仿真过程的效率和易用性。

天线设计不能脱离实际应用，因此仿真过程中另外一个问题出现了——共存。在Shawn看来，大规模MIMO天线给终端带来的挑战之一就是互相影响与耦合。面对5G时代的智慧城市、智能家居、智能驾驶、超大规模物联网应用等复杂场景，天线信号能否全面覆盖，终端与基站之间是否能较好的连接，终端传感之间如何避免干扰互相影响，这些都需要进行仿真分析验证。

因此，通过HFSS对基站阵列天线进行仿真后，需要以SBR 求解器提取终端和基站天线之间进行耦合，提取后将耦合数据通过第三方数据处理工具如Matlab中进行波束成形和场景级的耦合分析。所谓HFSS SBR ，即弹跳射线法求解器，后面的“ ”表示增强型，是一款用于天线安装后性能预估的Ansys仿真分析工具。在Ansys 2020 R1版本中，SBR 求解器和传统HFSS有限元是一种互补关系，可以考虑微波和毫米波信号在大范围内传播时的衍射和吸收等影响。作为业界最精准的弹跳射线法求解器，它有以下特点：

1. 考虑物理绕射理论，在边缘修正PO电流；

2. 考虑爬行波效应；

3. 考虑一致性绕射理论，计算边缘衍射，得出阴影区电流分布。

例如我们知道5G网络通过切片满足不同业务场景，这与4G简单地将无线资源划分业务等级不同，5G切片是业务承载所需的端到端的物理或虚拟资源的整合，包括带宽资源、传输资源、核心资源，构成逻辑上的“专网”。由于5G采用密集部署，通过宏基站、微基站不同网络实现分层融合，来为不同场景的用户提供最佳的网络服务。因此，针对不同基站配置的有源天线系统，需要考虑楼宇间的复杂场景进行合理布局，才能使网络覆盖面积达到最大化以及性能最优。如果像以往那样部署后再进行测试，不仅繁琐且漫长，后续在调节网络覆盖时也费时费力。而Ansys通过HFSS进行快速仿真分析后导入城市楼宇模型，通过SBR 技术的多次弹跳综合可以快速获得天线阵列系统的实际覆盖区域。

SBR 五次弹跳后得出网络覆盖情况

又比如自适应束波赋形。作为5G核心技术之一，束波赋形可以使5G基站自适应调整天线阵列的辐射方向图，起到对移动中的终端设备跟踪并给予最佳信号。Ansys通过HFSS天线阵仿真、SBR 电大场景仿真以及Matlab算法调用这三者合一的自适应束波赋形仿真技术，快速准确地仿真评估出天线阵及自适应算法在实际应用中能否自动有效生成可靠的波束指向，为5G波束赋形技术提供更为真实的评估方法。

除了5G天线外，5G终端产品的复杂性也进一步提升。如5G手机的芯片组包括射频集成电路(RFIC)、系统芯片(SoC)、专用集成电路(ASIC)、蜂窝芯片和毫米波集成电路。这其中，在芯片设计层面，企业通常会关注功耗、信号完整性（SI）、电源完整性（PI）等参数；在封装时会考虑散热、结构应力，进行跌落测试；在PCB布板时考虑辐射、效率、布局等问题。但由于芯片、封装和系统涉及不同的专业领域，很难进行协同，因此企业往往缺乏跨专业的整体仿真方案。

为了满足5G时代用户对电子产品更高性能、更小尺寸的需求，企业需要在电子芯片、封装和系统设计中使用一体化的分析和验证方法。Ansys的仿真和建模工具提供了芯片-封装-系统设计流程，这种配套方案从设计最初阶段就能满足产品的跨领域需求，并确保最终产品的各个组件能够作为一个整体系统协同工作，例如Ansys提供的几款代表性工具：

PowerArtist：面向功率设计的综合性物理感知型解决方案，适用于早期寄存器传输级(RTL)电源预算、效率分析、降低和回归，它可以分析实际应用中的电源情况并执行无缝衔接的RTL物理电源完整性和热学分析。

RedHawk：电源完整性和可靠性解决方案，可以对整个供电网络（从芯片到封装再到PCB板）进行压降模拟分析，从而预测芯片功耗和噪音。

Totem：晶体管级电源噪音和可靠性仿真平台，适用于模拟设计、混合信号设计和自定义数字化设计。

PathFinder：规划、验证芯片Soc设计，以实现ESD（静电放电）的完整性和鲁棒性。通过Pathfinder分析可以快速识别出在CDM（充电器件模型）、HBM（人体模型）等事件中造成的芯片损坏问题。

Ansys芯片-封装-系统仿真生态系统

除了数字芯片外，在射频芯片和模拟芯片进行电磁仿真设计时，业界采取的一种传统方法是运用全波电磁场工具进行参数抽取，这种方式保证了精度但仿真规模比较局限。另一种方式是采用RC抽取引擎，这种方式规模足够大但精度在超过1GHZ后会有所损失。对此，Ansys在2019年收购了Helic Software弥补了这个领域的空白，Helic工具为5G射频集成电路、硅中介层、高带宽内存（HBM）模块以及其他堆叠芯片设计提供非常准确的电磁场仿真分析，并具有领先芯片代工厂的完整工艺设计套件（PDK）支持。

Ansys芯片电磁仿真工具Helic

在推进5G的过程中，无疑将产生巨大的数据流量，数据预测2022年手机用户将产生25GB/天/人的数据量，每台自动驾驶汽车每天将产生4TB的数据量（假设汽车每天行驶一小时）。在新应用的不断带动下，流量将迎来进一步的爆发，由于处理大量数据必须支持高速度的信号传输，因此在信号/电源完整性和电磁兼容方面都将给设计仿真环节带来严峻挑战。

针对大型高速系统的仿真设计流程，主要包含以下四个阶段：

原理图仿真设计→Layout中仿真设计→Layout后整板仿真→局部整改

在上述传统流程中，Ansys提供了专门针对PCB整版的仿真工具SIwave，高频结构仿真工具HFSS，用于机箱屏蔽设计和系统EMI/EMC仿真，优化和参数扫描模块Optimetrics，以及和EDA工具的接口Ansoftlinks for EDA，高性能计算模块等。针对不同类型的结构，Ansys利用针对性的电磁场求解器进行仿真和抽取，并组装到电路仿真工具中进行瞬态仿真，得到模型的频谱分量和眼图，仿真的频谱还可以用于PCB的辐射分析，并进一步仿真PCB经屏蔽后的辐射强度，从而全面、精确、快速地实现系统信号/电源完整性和EMI/EMC设计。

对于5G这种大型高速系统信号完整性仿真，其特点是系统的不同部分（三维和平面）将装配在同一个界面中，因此Ansys采用了Slwave和HFSS共同混合仿真全信道，既发挥Slware在平面上的优势，同时与HFSS的三维部件求解相结合，如果PCB版上包含IBIS模型，可以直接附在Layout布局上，无需到原理图界面操作。例如在Slwave和HFSS混合求解过程中，用户可以对信号走线用Slwave求解，无需使用耗时的三维电磁场求解器。对信号走线中的过孔、连接器等关键敏感部位则使用HFSS三维求解器求解，在效率和精度上同时满足复杂系统的要求。

虽然企业早已发现基于多物理场的仿真，能验证在各学科耦合关系下更接近于真实世界的产品性能，但在5G时代的更高性能、更小尺寸电子产品要求下，多物理场下的温度、磁场和结构之间的耦合关系将更为复杂。一些案例表明，高密度介质下环境温度会更容易影响材料的介电特性，同时被影响的材料介电特性又会影响微波组件的电磁性能，从而导致严重的产品故障。

对于Ansys而言，多物理场解决方案已成为其标准组件之一，Ansys拥有覆盖流体、热、结构、电磁场、电路/系统等完备的仿真能力。Ansys针对5G提供了多物理场双向耦合仿真标准流程：通过HFSS求解基于热仿真结果的具有温变特性的电气性能，这些结构分析的形变网格结果可以返回HFSS进一步分析，基于仿真流程进行迭代，直到达到稳态性能。

譬如在射频前端设计中必须以“热感知”为前提进行，功率放大器和封装过程不仅要考虑热效应，还需要耦合结构分析，以确保它们在外部环境和电子设备引起的温度波动中，所有机械零件处于安全级别内。Ansys HFSS通过将芯片、封装和PCB板的电磁分析与Ansys Icepak耦合在一起，以提供耦合的热分析，并同时与Ansys Mechanical套件结合使用，以评估材料应力并发现潜在的故障。

Ansys Icepak全尺度电子散热仿真

值得一提的是，Icepak目前已经加入到Ansys最新版本的电子桌面（AEDT）中，集成在AEDT中的Icepak能够更加方便电路工程师操作习惯，在电路设计阶段就可以考虑热效应带来的影响，从而缩短研发流程。目前，在HFSS与Icepak、Maxwell与Icepak、Q3D与Icepak之间都可以实现电、热的双向耦合。

ATED-Icepak和经典Icepak仿真流程对比

2020年6月6日，距中国正式发布5G牌照正好一周年。在Shawn看来，中国已成为全球5G创新最主要的市场，同时也是最容易采用5G技术的商用市场之一。2020年底，中国5G基站将至少达到55万个，占全球基站数量的五成。在用户规模上，中国的增速比基站建设更快，截至今年2月，全球5G用户达3200万，中国5G用户高达2613万，占全球用户88%。

当5G连接已成为世界大部分经济的中心，并将为下一次重大工业和经济革命提供支撑时，借助仿真手段加速5G应用投入市场，已成为企业跑赢这场竞赛的核心引擎。

目前，Ansys在5G领域已被广泛用于芯片设计、封装、射频、PCB板、连接器、组件、天线以及复杂环境的交互设计和分析中。通过Ansys解决方案，AMD将半导体功耗降低了70％以上，其最大TDP（热设计功率）下的空闲功率降低了22％，功率与带宽曲线斜率提高了400％。此外，PHAZR IOTA副总裁Paul Gilliland也表示在Ansys的帮助下，PHAZR针对5G的每个设计应用至少节省了两周时间。

面对5G时代滚滚驶来，Ansys在赋能企业的同时，自身也在不断创新优化解决方案，加快技术创新步伐。例如在数据传输方面，Shawn介绍芯片封装的电信号传输局限正越来越限制整体带宽和信号传输效率，从而影响系统的性能，而扩大光学组件使用范围的方法，开发具有光子接口的先进集成电路，将有效提升传输距离和效率。对此，Ansys在今年3月收购了Lumerical，帮助设计师对光子学中极具挑战性问题进行建模，包括光学、电子和热效应的交互，并将有望预测复杂光子结构和系统中的光行为。

另一方面，面对消费类电子产品的材料多样化应用趋势，Ansys在2019年收购了Granta Materials，这是世界上最大的材料数据库，提供适用于所有物理场分析的材料属性。此外，Shawn表示Ansys还在构建仿真流程和数据管理（SPDM）软件以及处理集成和设计优化（PIDO）工具，以支持由数十至数千名工程师组成的设计团队的企业级工作流程，以实现仿真流程的高度集成、仿真标准化和自动化、多学科优化。