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EM 仿真对 5G 无线设计至关重要,中国机械网,okmao.com
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EM 仿真对 5G 无线设计至关重要
2021年09月02日    阅读量:465    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

5G Technology World 采访了 Dassault Systemes 的 Jonathan Oakley,讨论了该公司的电磁仿真软件如何帮助工程师设计和评估智能手机和物联网设备的天线。


所有无线设备都需要天线,而天线通常必须适合狭小的空间。虽然大容量智能手机可能使用定制设计的天线,但物联网设备通常使用商用现成天线中国机械网okmao.com。开发和制造物联网设备的公司可能没有内部专业知识来设计自己的天线,因此只能依赖购买。


无论您是自己设计还是购买天线,安装后都必须能正常工作。外置天线的日子早已一去不复返了。这就是来自 Dassault Systemes 和其他公司的电磁仿真软件的用武之地。 Dassault 的Simulia软件工具根据它们周围的物理结构(玻璃、金属、电池等)对电磁场如何传播进行基于物理的仿真。我们与达索公司的乔纳森·奥克利 (Jonathan Oakley) 就工程师如何使用 EM 场仿真软件来评估天线在安装到智能手机和物联网设备中时的功能进行了交谈。

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智能手机电磁场模拟


电磁仿真软件可以生成信号如何在智能手机中传播的模型,即使握在人手中也是如此。资料来源:达索系统。


5GTW:工程师执行电磁仿真需要哪些组件模型?

Oakley:对于电磁学,我们可以设置天线并观察它的性能。它会符合规范还是会干扰系统的其他部分?为此,我们将 PCB、外壳、塑料、连接器和其他天线(Wi-Fi、GPS、蓝牙)的模型引入系统模型并运行模拟。


5GTW:您的软件是否采用“系统级”方法?

奥克利:这当然是其中的一部分。我们可以查看组件级别,了解组件如何在系统中协同工作。


您可以轻松模拟天线,但是将其放入设备中会发生什么?外壳、玻璃或金属会改变性能吗?此外,人们将手机靠近头顶。我们也需要模拟它。


5GTW:让我们看看物联网设备而不是智能手机。Dassault Systemes 如何与物联网设计师合作?

Oakley:这些预测是针对数十亿台连接设备的。应用范围从智能家居到工业、资产跟踪、智能城市等。每平方英里的连接设备数量也将增加。例如,工厂中的每一台机器和每一个人都将拥有一个智能的、无线连接的设备。我们看到有线工厂转变为无线工厂,我们认为 5G 将有助于实现这一目标。


物联网有多种无线协议,最流行的是 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 和 LPWAN,当您需要长达十年的电池寿命但带宽有限时使用。5G 提供更高的性能和低延迟——响应速度足够快,可以为工业控制提供反馈回路。这就是我们认为 5G 会激增的原因。当然,所有无线技术都需要天线和匹配电路。仿真让工程师可以研究延迟、干扰、信号强度和其他因素。


5GTW:移动设备上的模拟与固定设备上的模拟有何不同?

Oakley:5G 有三个通用频段,大约 600 MHz、3.5 GHz 和 26 GHz 以上的毫米波。毫米波频率提供高带宽,但在短距离内,可能是一个城市街区。运营商使用这三者来提供最佳的整体用户体验。例如,毫米波在体育场中很受欢迎。低频段因其远距离和最佳覆盖范围而在农村地区很受欢迎。


为此,您需要定向天线,尤其是在毫米波频率下,因为它们的距离短且容易堵塞。您需要可控阵列来引导能量并节省电池寿命。波束控制让移动设备通过调整信号的幅度和相位来连接到基站。基站还需要可控波束来跟踪其范围内的移动设备。MU-MIMO 还允许基站同时跟踪多个用户。这同样适用于物联网。看看你有机器四处移动的工厂,例如交付零件。波束控制使有线通信无法实现的灵活工厂成为可能。欧洲有几家这样的工厂在线。


智能手机内部


设计在智能手机中的天线必须适合狭小的空间。仿真软件可让工程师模拟天线安装在设备中时的性能。


5GTW:假设工程师选择为物联网设备购买天线。您可以从制造商那里获得性能数据,但现在您需要对其环境进行建模和模拟——电子产品、玻璃、外壳电池等。您如何获得数据来对整个包装进行建模?如何创建系统模型?

Oakley:我们从一个 CAD 模型开始,比如说来自 SolidWorks,然后我们引入了包含尺寸和材料信息的几何图形。我们称之为 ModSim——建模加仿真。设计师负责机械设计,而工程师则负责 EM 环境。


要完成模拟,您需要有关设备材料的信息。我们有一个工程师在模拟中使用的材料及其特性库。您可以为设计中的材料分配特性。您还需要决定如何驱动天线。模拟将考虑所有值。从根本上说,我们正在求解麦克斯韦方程组。


仿真软件可让工程师更改参数并查看结果,包括累积分布函数(CDF) 和功率密度。


由于空间限制,智能手机工程师通常无法购买天线。他们必须自己设计以适应空间。如果您查看智能手机的拆解,您会发现天线可能会缠绕在电池周围。在其他设计中,外壳甚至可能成为天线。这是模拟的另一个优势,它是一种 3D 工具。


5GTW:请为可能不熟悉该术语的读者解释 CDF。

Oakley:CDF 描述了 5G 设备覆盖其区域的程度。例如,天线制造商可能会提供有关其 2×2 MIMO 天线如何工作的数据,但是当它安装在玻璃屏幕后面或塑料窗后面的角落里时呢?这种表现可能会改变。CDF 提供的数据可帮助您决定如何驱动天线以恢复其全部性能。


5GTW:您如何使用仿真软件对天线作为接收器的性能进行建模?

奥克利:这是互惠的。接收模式将与其发送模式相同。


5GTW:工程师可能会花多少时间来模拟天线?

Oakley:这是一个越来越大的数量,5G 增加了工程师花在模拟上的时间。如果没有仿真,几乎不可能设计诸如电话之类的设备。您不仅要考虑信号,还要考虑热和机械问题。这是一个多物理场问题。如果没有模拟软件,您可能会在测试室中待上数月。


5GTW:对于物联网设备,您可能没有智能手机那样的空间限制,但物联网公司可能没有智能手机公司那样的天线专业知识。使用购买的天线如何影响工程师使用仿真的方式?

Oakley:我们的客户设计智能手机和物联网设备,而其他客户则设计物联网连接模块和天线。还有一些提供金属和其他材料。天线制造商不知道您将如何使用他们的产品。它们只提供有关可用空间性能的数据。作为系统集成商,您可以向供应商索要 SolidWorks 模型,然后在购买组件之前运行模拟。


5GTW:仿真软件是否可以让工程师评估传输信号的频谱,是否可以模拟来自其他设备的衰减或干扰?

Oakley:对于辐射发射,设备不能发射超出其预期使用频率的信号。这是由政府和标准组织监管的。对于辐射敏感性,这不一定是受监管的,但您必须模拟来自其他设备的信号。我们可以创建一个虚拟的消声室。我们可以将探针放入设备模型中,以查看它如何衰减外部噪声。


标签:今日头条机械应用技术中心设备与仪器
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