1.移動通信設備面臨的設計挑戰

移動通信設備硬件作為整個系統的載體,必須足夠穩定,但是越來越嚴格的設計指標也帶來了越來越多的設計挑戰:

A.芯片功耗越來越大,散熱系統/電源平面如何設計,電源噪聲如何控制?

B.集成的天線越來越多,手機板上的信號傳輸數率越來越快,如何在設計時就避免相互之間的干擾?

C.ESD/SI/PI互相關聯,相互影響,如何接地,如何布局是設計者必須關注的問題。

D.電磁頻譜越來越“臟”,電磁認證指標越來越嚴格,如何有效處理EMC問題?

2.ANSYS的電磁設計仿真平臺

ANSYS的電磁設計仿真平臺如下圖:

ANSYS的基于上述電磁設計仿真平臺的仿真流程如下圖:

上述解決方案的主要特點如下:

A.方案完備

• 電磁場仿真工具 HFSS, SIwave,Q3D

• 電路和系統仿真工具 Designer/Nexxim

• 電子設備專業散熱仿真工具 Icepak

B.通過設計改善EMI/EMC特性,實現EMC可量化指標

• PCB設計,電磁部件設計

• 屏蔽設計,PCB屏蔽仿真

• 防雷和電磁脈沖設計

C.集成化、整體的EMI/EMC設計

• 通過數據鏈接,實現部件到整機的集成設計

• 在各個部件之間、功能與性能之間權衡,尋找最佳方案

3.ANSYS在移動通信設備設計中的應用

基于上述平臺和流程,ANSYS在移動通信設備設計領域的應用如下圖:

3.1 電源與散熱系統協同設計

借助SIwave PI模塊+Icepak,將電源發熱與散熱系統聯合分析,評估真實工作條件下系統的電源和散熱設計質量。

3.2 板級信號質量/電源噪聲仿真優化

SI/PI/EMI問題都是相互關聯的,因此必須將SI/PI/EMI協同考慮,基于3D電磁場理論仿真,將電源和信號協同起來,全面仿真噪聲耦合路徑。

A.信號走線的無源隔離度分析:

B.系統時域電路仿真

在DesignerSI中搭建整個系統的電路模型,包括芯片模型(IBIS),封裝模型, PCB互連模型等,建立時域分析電路。

多種類型仿真結果如下圖:

通道設計仿真分析:

實測與測試結果對比:

電源AC性能仿真優化分析:

優化前后電源阻抗曲線對比:

優化前后電源噪聲對比:

3.3 RF射頻天線設計

借助ANSYS路仿真工具Designer,與空間場仿真工具HFSS相結合,可一鍵 “push excitations”將路仿真(如功放等)計算結果放置在HFSS中,得到更加實際準確的遠場方向圖。

射頻匹配電路設計:

實時調節敏感部位的關鍵尺寸:

只需一次求解,即可獲得多種結構參數對天線S參數變化的影響。直觀方便,提高效率。并可通過實時調節來得知各結構參數的具體值,減少加工誤差,提高合格率:

3.4 人體比吸收率SAR分析:

SAR通常用來衡量人體對電磁波的吸收量,國標對SAR值都很明確的安全限制要求。在移動通信設備的設計中需要平衡天線輻射功率TRP與SAR的關系。

A.HFSS的人體SAR模型:

B.分析不同區域SAR電場分布:

C.人體頭部對LTE天線的影響:

D.手持對LTE天線的影響:

E.仿真與測試(括號內)結果的精度對比:

3.5 射頻與數字系統干擾噪聲耦合分析:

例如FPC與天線之間的噪聲耦合:

優化前后噪聲結果對比:

例如天線與PCB走線的噪聲耦合分析:

3.6 ESD放電分析:

通過在手和手機模型上設置不同的電位差來檢查評估系統ESD風險:

發生ESD后的傳導電流分析:

ESD槍建模:

ESD防護電路分析:

ESD防護電路仿真優化:

ESD仿真與測試對比:

3.7 設備級EMI分析:

路工具Designer和場工具SIwave協同分析PCB板級輻射:

板級工具SIwave和任意三維結構電磁場工具HFSS協同做系統輻射分析:

HFSS分布設備SIM卡座與射頻天線的布局優化:

SIM卡座與射頻天線的布局優化分析結果:

HFSS分析系統設備整機的EMI輻射:

總結:

我們可以總結出ANSYS針對移動通信設備設計與仿真的解決方案的優勢如下:

(1)完備性

? 仿真對象全面,從部件級直到系統級

? 仿真內容豐富,涵蓋時域頻域及多物理域

(2)精確性

? 全波仿真引擎確保把握結構細節

? 場路協同準確模擬系統行為

? 部件協同實現虛擬樣機設計

(3)操作性

? 支持有源無源仿真設計

? 仿真與量測交互驗證