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5G 毫米波 Massive MIMO SoC MTC eMBB

毫米波溫度/效率/電路密度挑戰有解　5G天線設計模擬突破盲點

2022-09-29

Ansys

5G是新一代的技術革命，無所不在的超高速運算網路可隨時連結數十億裝載資料的裝置。5G將帶動許多產業商機，推出新產品與服務，同時改變人們現有的生活方式。

為了實現5G承諾，首先必須建構5G。為達此目的，必須重新思考電子元件、裝置與基礎架構的設計，思考它們在較非理想的環境裡是如何運作以及連結。推動高頻毫米波頻譜、巨量天線(Massive MIMO)、小細胞基地台、波束成形與波束追蹤/波束轉向，使5G網路基礎架構可提供更好的速度、頻寬、覆蓋與穩固性。也造成系統單晶片(SoC)的設計日益複雜，SoC需管理大量天線資料並支援各種能力，例如：大量機器型態通訊(MTC)、增強型行動寬頻(eMBB)、超高可靠通訊(URC)與低延遲。SoC須在電力與熱受限的環境裡提供更高的處理能力。

實現毫米波技術之前，會先利用頻段整合(Band-Aggregation)來延伸6GHz以下之系統，在既有架構裡達到5G的速度。這種做法需要多個無線電同時運作，帶來串擾與散熱問題。5G先進方法與處理需要高度線性RF前端、高整合濾波器與RF切換開關，隨著毫米波出現，工程師會利用模擬來解決溫度、效率與電路密度的敏感性挑戰。這些艱鉅的挑戰需要一個全面覆蓋的工程平台，得以精準模擬與組成5G設計的多物理相與各種技術，該平台需利用先進高性能運算能力，在全企業部署，讓設計人員與工程專家共同協作，開發具有5G能力的系統。

如圖1所示，5G不只是4G的演進，5G更是重大的轉變，這個轉變包括一組功能，這些功能可擴大系統層級的能力，包括：存取10x頻譜；有授權與未授權頻譜的整合；大量部署小細胞基地台；新的網路基礎架構、網路功能虛擬化(NFV)、邊緣運算、網路切片；支援物聯網(IoT)。

5G設計流程介紹

5G系統的設計與開發是艱鉅的任務，建置與演進直到系統可以運作，耗時且昂貴，所以管理設計流程前端的方法就是「模擬」。無線系統工程師大幅仰賴模擬，在前端虛擬世界盡可能完成最多的工作。相較於打造實體的硬體與裝置，模擬的速度快多了，且符合經濟效益。設計過程中也比較容易更動或改進。工程師可在各抽象層級來模擬設計，包含元件設計到系統層級模擬。設計與模擬緊密相連，從設計到規格，兩者都是產品開發過程中不可或缺的單元。

5G的實施可能非常昂貴，然而原型設計完全虛擬化與模擬可大幅降低成本並加速設計流程，以下會說明關鍵5G技術。

天線波束成形

5G裡的天線波束成形可為無線應用改善容量與資料傳輸率。MIMO波束成形技術利用基地台與使用者設備(UE)之間的多路徑傳播與空間多工(Spatial Multiplexing)，來提高資料傳輸率，服務更多訂戶。適當的波束成形與波束轉向(Beamsteering)可優化連線，降低斷線風險。天線系統則須仔細設計與模擬，才能緊密控制單元相位(Element-to-Element Phase)、天線罩(Housing)與安裝效應，確保在服務期間若有元件失效，能從容退化(Graceful Degradation)。

載波聚合

新興5G標準可增加單一訂戶連線使用之載波聚合(CA)LTE頻段數量，以增加傳輸頻寬，導致RF前端複雜度增加並提高干擾電位(Interference Potential)。UE與基地台越來越多的敏感濾波器(Sensitive Filters)將分離副載波與訊號。評估並排與端到端安裝在RF子組件的體聲波(Bulk Acoustic-Wave, BAW)間共振器、濾波器與振盪器的電磁耦合是這些前端設計成功的關鍵(圖2)。

圖2 新興5G標準可增加單一訂戶連線使用之CA LTE頻段數量，以增加傳輸頻寬，導致RF前端複雜度增加並提高干擾電位

散熱議題

多個模組整合至RF前端會在安裝環境大量生熱，且此環境無法容納主動式冷卻方法。基地台天線必須排出多餘的熱，才能讓內部電子安全運作，並避免強制氣冷或液冷的不合理支出與重量。所以必須檢查電子系統的溫度相關屬性，將熱最小化並確保安全操作限制。

邊緣運算

基地台與邊緣運算節點會結合資料處理，以服務需要即時或近即時對事件或狀況做出反應的使用案例與應用。

隨著5G網路上的裝置與使用者密度提高，邊緣節點將服務任務關鍵或需要1ms(或<1ms)延遲的使用者體驗情境，例如汽車或視訊串流的應用，這些場景無法負擔處理請求來回雲端所需的時間(~250ms)，決策能力會在節點執行。

先進主動式相位陣列天線為5G關鍵性能

接著將從5G基礎架構與網路供應商的角度來談解決方案。例如，透過先進主動式相位陣列天線(Advanced Active Phased Array Antennas)是達成5G系統容量與性能關鍵；還有巨量天線系統(Massive MIMO)需要相位陣列天線才能精準設計，最佳化天線增益並確保達成目標覆蓋；以及，這些大型相位陣列系統可以開發多同步點束(Multiple Simultaneous Spot Beams)，每個點束聚焦一個UE或鎖定一個相對較小的區域，且點束須動態放置波束，才能跟著訂戶在覆蓋區域移動。此外，設計相位陣列天線以符合這些需求是一大挑戰。較大的陣列有較多個別單元(Elements)，讓較小波束能鎖定更多UE。同時，大陣列的設計會增加RF訊號分布與安裝平台的尺寸與複雜度，通道接收器、數位轉換器(Digitizers)與訊號處理也需要更高之電子密度。5G天線陣列設計的性能考量包括：波束轉向、零轉向(Null Steering)(以減少環境中不要的訊號來源效應)、交互耦合與電磁干擾議題。

圖3舉例呈現Ansys HFSS設計相位陣列天線的流程，以3D高頻電磁(EM)工具用於設計並模擬高頻(HF)電子產品，例如：天線、天線陣列、RF與微波元件、共振器(Resonators)、濾波器與其他高頻電子元件。該相位陣列設計流程從單元細胞(Unit Cell)裡的單一單元原型(Single Element Prototype)開始，再來以實驗設計(DoE)的做法來最佳化天線設計參數。之後，從Unit Cell合成完整陣列，並建立陣列的性能模型，之後利用混成式(Hybridize)的射線彈跳求解器(Shooting-and-Bouncing Rays Solver)建立已安裝天線與環境互動的模型。

圖3 Ansys HFSS與Ansys HFSS SBR+裡的相位陣列天線設計流程

HFSS提供有限天線陣列分析，結合有限單元法(FEM)與有限陣列區域分解模擬法(faDDM)，faDDM為強大之技術，能快速為大型相位陣列天線系統求解。faDDM利用陣列之重複結構，為有限陣列提供快速、全保真解法。設計人員僅需以晶格方向指明單元數量，HFSS便能自動產生陣列。全系統以任意激發(Arbitrary Excitations)顯式分析，來捕捉各種波束掃瞄條件下的邊緣效應、共耦合項、指向性、增益、電場與其他天線參數。且相位陣列天線的流程能以視覺化方式呈現輻射場型、單元耦合矩陣與陣列周圍電磁場。

由圖4可見複雜散射參數的視覺強化，能透過該相位陣列設計流程的Network Data Explorer實現，以不同顏色標示圖點便於在大型陣列同步檢查互耦合準位(Mutual Coupling Levels)。由此可知，完整有限相位陣列天線的波束轉向能力模擬至關重要，可確保與鎖定之使用者設備之間達到最佳的通訊連線。

大部分的5G天線系統包含整合之天線罩，用以保護天線不受環境因素影響，例如：雨水、冰雹或灰塵。在毫米波的頻率，天線罩必須仔細設計，把對天線輻射能量的衝擊控制在最低點，因為能量的主要目的是區域覆蓋。天線罩的材料厚度必須與這些頻率的波長相當，否則會增加因天線罩材料造成之耗損並導致不樂見之天線系統電磁交互作用。

天線罩的影響可透過相位陣列設計流程內之faDDM捕捉，將天線罩視作陣列上方的一片厚板，此厚板對遠場輻射場型的效應可透過該相位陣列設計精準評估。亦可評估其他天線參數，例如：如圖5天線罩的情況下，陣列之回波耗損(Return Loss)。模擬預測出有天線罩的天線會有較高之回波耗損。圖6的陣列之2D遠場輻射場型在兩個情境中(有、無天線罩)是相當的，預測出此天線罩的優良通透性。這些結果提供洞察力，可了解天線罩之材料、厚度與形狀，及其對無線電增益的整體影響。

為求高保真解，包含天線陣列全網格模型(Fully Meshed Model)之陣列有限單元顯式分析(Explicit Array Finite Element Analysis)可結合全耦合天線罩模擬，使用FEM與動差法(MoM)或FEM與彈跳射線法(SBR)之自動化混合方案。因此，求解器能協助高效率、精準設計完整之天線與天線罩組合，產出精確之天線RF饋入點(Feedpoint)與輻射特性，涵蓋各種波束轉向條件。

3D模型高度擬真情境

創建天線設計後，工程師可將之儲存為HFSS 3D元件，供後續重複使用。Simulation-ready 3D Component為Ansys之專利技術，讓使用者可透過供應鏈交換HFSS 3D模型，但不會揭露關鍵智慧財產(IP)。

HFSS 3D元件不同於S參數或SPICE模型之交換部件，HFSS 3D元件為EM分析提供全耦合高保真模型。

相較於僅提供元件「黑箱」終端回應之S參數模型，HFSS 3D元件帶來顯著優勢。系統整合人員僅需將3D元件加入更大的系統設計，便可模擬安裝性能。舉例來說，天線設計人員可將陣列設計轉換成加密之3D元件，整合人員之後便可將之加入目標設計來評估其安裝性能。若原本天線模型的設計內有敏感IP，加密之3D元件便可保護內部細節。原始模型之全EM保真度會封入可模擬3D元件並予以加密。

已加密天線模型之安裝性能可以模擬，保有精準度與細節完整度，同時不需擔心暴露敏感IP。使用者可將3D元件參數化，在平台上移動元件，並於動態模擬環境計算其回應。

離散元件廠商與開發商，例如：TDK、Johansson等會於HFSS製作3D元件，提供給終端使用者於大型系統模擬中使用。使用者可在目標組合中擺放、調整並匹配元件。透過3D元件實現之協作能力，廠商便可提供客戶HFSS可模擬之模型，提供廠商高價值競爭優勢，加速開發週期，透過精準建模實現一舉成功的設計(First-Pass Design Success)。3D元件模型不限於天線，並可納入更多元件，例如：RF連接器或表面黏著RF裝置等元件。

全耦合混合式EM與共存方案解決電性大尺寸結構

天線與天線罩組合會固定於平台上，其性能會受到與平台耦合以及鄰近結構的影響。研究此影響需要先進EM解決方案。

．相位陣列設計流程可透過FEM模擬為天線陣列求解，亦可透過MoM法為耦合之天線罩求解。

．在較大之EM模擬中，固定平台與電性大尺寸環境的效應可於Ansys HFSS SBR+中進行評估。

因此，設計人員與場址規畫人員可結合多種數值法為這些電性大尺寸命題高效率求解。這些解方有助了解陣列安裝後的性能如圖7所示。5G天線系統會整合於既有基礎架構，許多案例需要建置於既有設備旁邊。此外，5G相位陣列天線很可能需要架設於大樓側邊或角落，使用Ansys HFSS與Ansys HFSS SBR+來評估部署天線的場址效應，實現適當的地點配置。

相位陣列天線的設計亦應納入真實世界的安裝挑戰。圖8與9呈現陣列架設於繁忙交通路口建物的無線性能。可模擬即時車聯網(V2X)與車對車(V2V)通訊來評估繁忙路口的5G無線環境的性能。這些解方至關重要，可確保成功部署V2X與V2V系統，進一步提升自駕車安全性。

城市/都會環境之大規模模擬

評估已安裝天線系統性能後，工程師可利用求解器的模擬來評估實體環境之影響。因為較高之載波頻率，5G天線陣列需要小體型之天線單元。許多活動單元組成之多個天線陣列可開發並安裝於支撐結構上。Ansys EM的各項工具提供相關能力，模擬基地台與行動UE天線之間實體(PHY)通道的真實交互作用。實體通道可能是城市或都會的地理拓撲，內含靜態與動態單元。

圖10呈現大型城市環境之28GHz訊號傳遞模擬。在這個大規模電磁模擬中，Ansys HFSS SBR+使用射線彈跳(Shooting and Bouncing Ray)技術來模擬橫跨數萬波長的區域的天線交互作用。從HFSS FEM方案取得之天線陣列精準分析，再與SBR+之漸進分析法(Asymptotic Techniques)結合，為此大規模問題求解。

這些安裝場址之模擬提供以下洞察：

．天線陣列之性能、波束成形、波束轉向與UE端之接收訊號強度。

．基地台間干擾、非預期干擾與外部EM干擾。而外部EM干擾可能是由其他行動裝置用戶、無線產品或其他RF發射源造成。

與車輛及多個移動UE通訊之28GHz適應式相位陣列天線系統之波束成形性能可進行模擬。UE與自駕車的位置距離基地台為200公尺至500公尺不等，大部分的行程都不在陣列的直接視線內。最大比例傳輸(Maximum Ratio Transmission, MRT)波束成形會應用於天線每個單元之輸入訊號，利用模擬環境創造之可用模擬多路徑，讓波束聚焦於移動之UE。某些案例中的波束可能不是直接指向UE的方向，在這種情況裡，最佳波束成形是利用其他機會路徑(Paths of Opportunity)的反射讓UE接收之訊號強度最大化。

圖11呈現城市環境模擬中與行動UE互動之基地台的MRT。Ansys HFSS SBR+模擬基地台與UE間實體通道內形成之耦合，提供此關鍵必要之屬性，來計算通道層級預編碼(Precoding)的最佳波束轉向權重。藉由實體通道的分析，場址規畫人員便可評估各種替代波束轉向演算法，在模擬環境裡規畫多通道陣列(Multichannel Arrays)、多UE與不想要之RF發射源等情境。