CST TLM算法仿真5G毫米波手機天線和整機實例（2020版）
5G時代，產(chǎn)品復(fù)雜，更新?lián)Q代快，如何快速仿真不同的設(shè)計版本是影響研發(fā)效率的關(guān)鍵問題。本期我們用達索系統(tǒng)SIMULIA自己的手機模型來演示5G毫米波的仿真。
（圖片僅為概念演示，未經(jīng)達索系統(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，然后手機廠商將天線保密模型和手機整合并仿真，得到電磁場的結(jié)果，以場源的形式在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。
由于手機廠商無法看到保密天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能對其調(diào)整內(nèi)部網(wǎng)格；加上天線模組在手機里面可能會有一定的旋轉(zhuǎn)角度，所以天線TLM保密模組在發(fā)布之前，供應(yīng)商對其進行合適的本地加密網(wǎng)格是保證天線和手機整合后的仿真精度的關(guān)鍵。
下面以一個2x2的毫米波貼片天線為例，背面有饋電線，8個端口正交極化。
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網(wǎng)格，介質(zhì)高度上要有三個網(wǎng)格，同軸信號的圓柱形金屬直徑上要有三個網(wǎng)格。這些都可以在TLM的本地加密功能實現(xiàn)。
注意這里建議用絕對值并且三個方向一樣，因為天線將被旋轉(zhuǎn)，絕對值的網(wǎng)格定義才能保證精確度；也正因為這樣，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）
比較不同頻點的遠場結(jié)果，TLM和FEM的增益誤差可控制在0.1dB以內(nèi)：
單獨天線來講，仿真時間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個小時，內(nèi)存通常需要GB級。
最后對模型進行保密就可以了，這里無需對端口保密，之前的本地加密網(wǎng)格設(shè)置也會在保密模型內(nèi)部保留下來。
Step 2. 天線模型和手機模型的整合
第二步是手機廠商的仿真，這里我們用兩個天線原模型分別放在演示手機模型上下兩個位置，用保密模型效果也是一樣。所以手機模型整機端口數(shù)為16，手機內(nèi)部結(jié)構(gòu)略有簡化，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，相比Cell lumping之前網(wǎng)格數(shù)（億級）減少差不多10倍。
一般我們在n257波段看三個頻點就夠了，這里定義三個場源和三個遠場監(jiān)視器。場源是為了導(dǎo)出用于后處理得到功率密度，遠場是要看查看天線效果并且在接下來的收斂標準需要用到。這里之所以不直接定義功率監(jiān)視器或電場磁場監(jiān)視器，是因為我們要節(jié)省三維數(shù)據(jù)量，5G的波束掃描需要多個端口，加上頻點多，如果不加控制，三維場很容易達到上百個，仿真效率大大降低，硬盤也將占據(jù)大量空間。
場源是等效的二維數(shù)據(jù)，只是在用戶自定義的盒子表面；遠場是三維數(shù)據(jù)，目前還需要定義。
收斂標準是個時域的小技巧。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準替代能量衰減，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場監(jiān)視器計算掛鉤了。
另外，Maximum Solver Duration 的 Time=2ns，就是求解器最長仿真時間。一般以手機的尺寸，1ns以內(nèi)信號是足夠傳播和輻射開，所以2ns只是確?？倳r間不要太久。兩個收斂標準通常在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)果達到要求，這樣就控制仿真總時間，快速而高效。
上圖可看到我們在1.6ns左右停下來，如果這時候查看能量曲線，其實也就只達到-20~-30dB左右。
下圖是天線S11在手機中的結(jié)果：
Step 3. 用場源提取功率密度
同樣是手機廠商的工作范疇。下圖是8個場源導(dǎo)入到I-solver里面，對應(yīng)的是4個端口，雙極化。實際上場源可以達到上百個。我們提供新的Macro宏腳本可以從上一步的手機仿真cst文件中自動識別并導(dǎo)入所有的場源，還可以自動導(dǎo)入激勵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)入場源盒子之后，I-solver仿真就非常簡單了，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。仿真簡單，速度也很快。
下圖為電場在x=-8位置的結(jié)果：
不放心的用戶也可以在之前手機TLM模型里面定義同樣的電場磁場比較一下，結(jié)果應(yīng)該相同：
下面就是用后處理算功率密度，磁場的共軛和電場叉積。
另一個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：
1. TLM 算法手動設(shè)置略多一些，在5G毫米波手機天線方面仿真具有網(wǎng)格優(yōu)勢。
2. 功率密度的提取可在CST中完成，利用場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. 仿真時間上，TLM支持GPU加速，同時推薦分布式計算同時激勵多個端口，整機仿真可在幾小時內(nèi)完成。
（本案例手機模型，0-35GHz, 兩個GV100 GPU, lumping后4千萬網(wǎng)格，僅用10%GPU內(nèi)存，一臺機器16個端口單獨激勵，一共10小時左右，若多端口同時激勵，幾小時完全可以）
4. 本案例中提到的Macro宏腳本請與CST技術(shù)人員聯(lián)系。
今后我們還會持續(xù)更新整機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。
