CST TLM算法仿真5G毫米波手機(jī)天線和整機(jī)實(shí)例（2020版）

5G時(shí)代，產(chǎn)品復(fù)雜，更新?lián)Q代快，如何快速仿真不同的設(shè)計(jì)版本是影響研發(fā)效率的關(guān)鍵問題。本期我們用達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA自己的手機(jī)模型來演示5G毫米波的仿真。

（圖片僅為概念演示，未經(jīng)達(dá)索系統(tǒng)授權(quán)不得使用）

完整的流程如下，先是天線本身的仿真，生成保密模型，然后手機(jī)廠商將天線保密模型和手機(jī)整合并仿真，得到電磁場(chǎng)的結(jié)果，以場(chǎng)源的形式在I-solver積分方程求解器環(huán)境下做后處理，得到FCC報(bào)告中要求的仿真結(jié)果，比如功率密度的分布。

Step 1. 毫米波天線的仿真和保密

這一步最重要的就是天線供應(yīng)商要提供本地加密好網(wǎng)格的天線保密模組。

由于手機(jī)廠商無法看到保密天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能對(duì)其調(diào)整內(nèi)部網(wǎng)格；加上天線模組在手機(jī)里面可能會(huì)有一定的旋轉(zhuǎn)角度，所以天線TLM保密模組在發(fā)布之前，供應(yīng)商對(duì)其進(jìn)行合適的本地加密網(wǎng)格是保證天線和手機(jī)整合后的仿真精度的關(guān)鍵。

 下面以一個(gè)2x2的毫米波貼片天線為例，背面有饋電線，8個(gè)端口正交極化。

天線工作頻率為毫米波波段n257, 26.5-29.5GHz, 仿真頻率為24GHz-32GHz，也可以更寬的頻率范圍，比如0-40GHz，包括其他的毫米波段。

首先全局網(wǎng)格設(shè)置適當(dāng)加密即可：

推薦本地設(shè)置包括，貼片金屬厚度上要有一個(gè)網(wǎng)格，介質(zhì)高度上要有三個(gè)網(wǎng)格，同軸信號(hào)的圓柱形金屬直徑上要有三個(gè)網(wǎng)格。這些都可以在TLM的本地加密功能實(shí)現(xiàn)。

注意這里建議用絕對(duì)值并且三個(gè)方向一樣，因?yàn)樘炀€將被旋轉(zhuǎn)，絕對(duì)值的網(wǎng)格定義才能保證精確度；也正因?yàn)檫@樣，網(wǎng)格設(shè)置的Specials里面，snapping就可以不勾選。有了本地加密，face refinement可以選擇不需要。Smooth mesh with equilibrate ratio為1.25，網(wǎng)格尺寸變化比較平滑。

Limit octree cell size near to model to 是限制結(jié)構(gòu)內(nèi)部的最大網(wǎng)格，根據(jù)饋點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)尺寸適當(dāng)定義。 

下面展示的是TLM的Octree網(wǎng)格在lumping之后，比正常的延展的六面體網(wǎng)格會(huì)少很多。密集的網(wǎng)格只聚集在結(jié)構(gòu)周圍，這樣就允許結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)而網(wǎng)格數(shù)不會(huì)劇增。

TLM網(wǎng)格剖分之后，還可以得到金屬的連接信息，用來分析是開路還是短路：

下面S11結(jié)果表示，用推薦的網(wǎng)格設(shè)置，不同旋轉(zhuǎn)角度得到同樣的結(jié)果，說明網(wǎng)格準(zhǔn)確性非常好。

也可以和FEM頻域有限元比較一下結(jié)果，用來互相驗(yàn)證仿真設(shè)置的精確度。下圖中兩種算法拿到一致的結(jié)果：（下圖的天線模型略有不同，所以S11和上圖不一樣）

比較不同頻點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)果，TLM和FEM的增益誤差可控制在0.1dB以內(nèi)：

單獨(dú)天線來講，仿真時(shí)間TLM用GPU加速一般都是十幾分鐘甚至幾分鐘之內(nèi)，內(nèi)存也就100-200MB左右。而FEM則需要差不多1個(gè)小時(shí)，內(nèi)存通常需要GB級(jí)。

最后對(duì)模型進(jìn)行保密就可以了，這里無需對(duì)端口保密，之前的本地加密網(wǎng)格設(shè)置也會(huì)在保密模型內(nèi)部保留下來。

Step 2. 天線模型和手機(jī)模型的整合

第二步是手機(jī)廠商的仿真，這里我們用兩個(gè)天線原模型分別放在演示手機(jī)模型上下兩個(gè)位置，用保密模型效果也是一樣。所以手機(jī)模型整機(jī)端口數(shù)為16，手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)略有簡(jiǎn)化，但是多層的PCB板，柔性PCB，各種頻段天線仍然是都包括在內(nèi)。

手機(jī)的全局網(wǎng)格設(shè)置和天線的基本一致，屏幕為多層結(jié)構(gòu)，需要本地加密一些：

Cell lumping 之后的網(wǎng)格數(shù)為千萬級(jí)，相比Cell lumping之前網(wǎng)格數(shù)（億級(jí)）減少差不多10倍。

一般我們?cè)趎257波段看三個(gè)頻點(diǎn)就夠了，這里定義三個(gè)場(chǎng)源和三個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)視器。場(chǎng)源是為了導(dǎo)出用于后處理得到功率密度，遠(yuǎn)場(chǎng)是要看查看天線效果并且在接下來的收斂標(biāo)準(zhǔn)需要用到。這里之所以不直接定義功率監(jiān)視器或電場(chǎng)磁場(chǎng)監(jiān)視器，是因?yàn)槲覀円?jié)省三維數(shù)據(jù)量，5G的波束掃描需要多個(gè)端口，加上頻點(diǎn)多，如果不加控制，三維場(chǎng)很容易達(dá)到上百個(gè)，仿真效率大大降低，硬盤也將占據(jù)大量空間。

場(chǎng)源是等效的二維數(shù)據(jù)，只是在用戶自定義的盒子表面；遠(yuǎn)場(chǎng)是三維數(shù)據(jù)，目前還需要定義。

收斂標(biāo)準(zhǔn)是個(gè)時(shí)域的小技巧。通常我們都是看能量衰減，比如-40dB甚至更低，但這里能量是指寬頻的能量，不是所有頻率都容易衰減。所以我們可以用自定義收斂標(biāo)準(zhǔn)替代能量衰減，比如5G天線更關(guān)心工作頻段的S11反射和輻射功率的準(zhǔn)確性，所以我們可以選Reflection S-Parameters和All Radiated Power都是收斂到0.001，或是根據(jù)需要設(shè)的更低，然后檢查兩次，確保收斂曲線穩(wěn)定下來。這里的輻射功率收斂就和之前的遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)視器計(jì)算掛鉤了。

另外，Maximum Solver Duration 的 Time=2ns，就是求解器最長(zhǎng)仿真時(shí)間。一般以手機(jī)的尺寸，1ns以內(nèi)信號(hào)是足夠傳播和輻射開，所以2ns只是確保總時(shí)間不要太久。兩個(gè)收斂標(biāo)準(zhǔn)通常在1-2ns左右就可以將仿真停下，仿真結(jié)束之后可以查看收斂曲線，確保結(jié)果達(dá)到要求，這樣就控制仿真總時(shí)間，快速而高效。

上圖可看到我們?cè)?.6ns左右停下來，如果這時(shí)候查看能量曲線，其實(shí)也就只達(dá)到-20~-30dB左右。

下圖是天線S11在手機(jī)中的結(jié)果：

Step 3. 用場(chǎng)源提取功率密度

同樣是手機(jī)廠商的工作范疇。下圖是8個(gè)場(chǎng)源導(dǎo)入到I-solver里面，對(duì)應(yīng)的是4個(gè)端口，雙極化。實(shí)際上場(chǎng)源可以達(dá)到上百個(gè)。我們提供新的Macro宏腳本可以從上一步的手機(jī)仿真cst文件中自動(dòng)識(shí)別并導(dǎo)入所有的場(chǎng)源，還可以自動(dòng)導(dǎo)入激勵(lì)的振幅相位表來做波束掃描。有需要的用戶可聯(lián)系CST的技術(shù)人員。

導(dǎo)入場(chǎng)源盒子之后，I-solver仿真就非常簡(jiǎn)單了，全局網(wǎng)格適當(dāng)加密，求解器精確度不需要很高，網(wǎng)格較少。

用Macro宏腳本設(shè)置三維結(jié)果的采樣密度：

還需定義E和H場(chǎng)監(jiān)視器。這里主要是利用E和H的二維平面定義，比如在手機(jī)上方一定距離的平面上，我們關(guān)心功率密度的分布。仿真簡(jiǎn)單，速度也很快。

下圖為電場(chǎng)在x=-8位置的結(jié)果：

不放心的用戶也可以在之前手機(jī)TLM模型里面定義同樣的電場(chǎng)磁場(chǎng)比較一下，結(jié)果應(yīng)該相同：

下面就是用后處理算功率密度，磁場(chǎng)的共軛和電場(chǎng)叉積。

另一個(gè)后處理可以算局部均值，比如下圖是按4cm^2均值后的功率密度圖，可見分布更平滑。

最后劃重點(diǎn)：

1. TLM 算法手動(dòng)設(shè)置略多一些，在5G毫米波手機(jī)天線方面仿真具有網(wǎng)格優(yōu)勢(shì)。

2. 功率密度的提取可在CST中完成，利用場(chǎng)源的替代方法可以避免生成大量三維數(shù)據(jù)，占用資源。

3. 仿真時(shí)間上，TLM支持GPU加速，同時(shí)推薦分布式計(jì)算同時(shí)激勵(lì)多個(gè)端口，整機(jī)仿真可在幾小時(shí)內(nèi)完成。

（本案例手機(jī)模型，0-35GHz, 兩個(gè)GV100 GPU, lumping后4千萬網(wǎng)格，僅用10%GPU內(nèi)存，一臺(tái)機(jī)器16個(gè)端口單獨(dú)激勵(lì)，一共10小時(shí)左右，若多端口同時(shí)激勵(lì)，幾小時(shí)完全可以）

4. 本案例中提到的Macro宏腳本請(qǐng)與CST技術(shù)人員聯(lián)系。

今后我們還會(huì)持續(xù)更新整機(jī)仿真的流程和新功能，比如更多的后處理，比如波束、EIRP和CDF等等。