达索系统虚拟原型开发助力实现5G设计最优化

寂静回声

原始设备制造商（OEM）与供应商必须开发可支持5G的设备与网络，才能保持其产品的竞争力。然而，与前几代技术相比，5G的复杂性显著增加。例如，5G有两个主要的工作频段，即Sub-6GHz的频谱，和24-52GHz的毫米波（mm-wave）频谱。5G标准支持大规模多输入多输出（MIMO）通信，其天线阵列采用波束成形技术，即使在用户众多的密集城市环境中也能提高网络容量和通信质量。当然，也必须保持对前几代电信标准的支持。由于市面上的智能手机皆采用固定的外形设计，因此必须进行重新设计，才能够支持新技术并保留原有功能。对于工业应用，则需要对当前的通信协议、痛点、互操作性和5G潜力进行评估。

部署像达索系统3DEXPERIENCE平台这种由数据驱动、基于模型的方法，可以让公司从构思、需求、设计、仿真与优化到制造和交付，对整个开发价值链中的5G复杂性进行管理。将虚拟原型开发纳入企业开发平台的战略导向，既有助于降低逾期交付或无法交付的风险，也对5G开发的巨大投资提供了保障。
采用5G技术扩展或代替传统的有线工业网络需要对网络设备、工业物联网（IIOT）设备和边缘计算基础设施进行大量投资。此外，工业制造环境既庞大又具有动态性，这可能会导致覆盖差或信号阻塞，而这种问题可能在完成部署后才能发现。

早期阶段，建模和仿真可以通过补充物理测试降低风险和成本。工程师能够进行各种多物理厂仿真，从而在物理部署前确保设计的稳健性，包括：
电磁方面：天线模式、覆盖范围、共址干扰、信号完整性和对人体的电磁辐射
结构方面：设备的强度和耐久性，疲劳、跌落和冲击测试
热：电子加热和冷却
5G移动设备和工业物联网（IIoT）设备以及基站设备都必须在具有挑战性的环境中可靠地工作，这些环境包括人口稠密而且复杂的城市与工业环境，其中包含许多可能阻挡信号的障碍物，例如人、机器和其他移动设备。为了可靠地运行，5G设备需要利用大规模多输入多输出（MIMO）技术有效地利用多路径效应，例如从物体反射的信号可以帮助填补盲区并增加网络容量。这意味着单个设备上需要安装更多的天线，在减少占用空间的同时却带来了更多电磁兼容性/电磁干扰、比吸收率和热管理问题。
为了将未来的毫米波天线集成到移动设备、工业物联网（IIOT）设备和其他设备中，需要采用新的产品设计方法。在毫米波频率下，几何结构很薄的智能手机外壳与传播的电磁波传播波长相比，具有显著的厚度，从而对穿过的信号产生很大影响。可以采用航空航天行业首创的天线罩设计方法设计手机外壳，以便无线电信号顺畅通过，从而确保高的天线辐射效率以及对波束行为的精细控制。
众多开发移动设备、物联网产品和蜂窝基础设施的公司正在利用由达索系统SIMULIA品牌开发的现实仿真工具克服这些行业挑战。借助逼真的3D虚拟原型，综合天线工程、设备电磁兼容性/电磁干扰性能、电子器件设计，以及设备结构与热性能，均可以快速、准确地进行建模、分析和优化。



为了增加工程和商业价值，达索系统提供了3DEXPERIENCE平台，使公司可以在协作式交互环境中充分利用与3D设计、流程自动化、设计探索和信息智能完全集成的逼真仿真。3DEXPERIENCE平台使公司能够跨整个开发价值链（从构思、需求、设计、仿真和优化到制造与交付的全过程）管理5G复杂性。当开发活动在这种由数据驱动并基于模型的环境中进行时，包括设计师和仿真专家在内的所有利益相关方都可以充分利用这个统一模型。对数字模型的每次修改都会自动传递，而且每次仿真都会自动与正确的模型相关联。因此，最终设计与最终经过测试并发布的版本之间存在数字可追溯性。
SIMULIA CST Studio Suite是SIMULIA多物理场仿真系列产品的组成部分，专门用于电磁（EM）仿真。这款业经验证的电磁仿真软件提供了完整的电磁与附属的多物理场求解器，以及满足5G产品开发与部署的设计和工程挑战所需的强大的自动网格划分与优化工具。这款旗舰瞬态求解器可以用最少的模型准备对极其庞大和复杂的问题进行仿真，并且能够利用图形处理器（GPU）、集群和云计算来进一步提高仿真速度。

此外，借助这款软件还能够以虚拟方式进行合规测试，因为某些量（例如人体内的电场）无法进行实际测试，只能通过仿真来表征。CST Studio Suite带有经过美国无线通信和互联网协会（CTIA）认证的手部和头部模型，这些模型可用于虚拟的比吸收率（SAR）测试。这有助于降低交付逾期或测试失败的风险，从而保护5G开发的巨大投资。
CST Studio Suite中的自动化后处理支持一键从仿真结果生成这些KPI。这些强大的功能与达索系统3DEXPERIENCE平台的协作和数据管理功能相结合，使得来自不同学科的工程师在优化设计性能的同时可以有效地协作，这在产品设计生命周期不断压缩的背景下至关重要。
在单个设备上设置多套天线的情况下，天线之间的共址干扰或共存以及降敏就是重要的考虑因素。CST Studio Suite Interference Task允许对多种组件配置进行虚拟测试并自动标记潜在的干扰问题。由于仿真以3D视觉化形式完全展现了设备内部的电磁场与电流，工程师能够直接确定干扰源与杂散电流通过设备的路径，从而可以轻松地缓解相关问题。通信频道之间的潜在串扰源以及印制线路板（PCB）上其他信号完整性（SI）/电源完整性（PI）和电磁兼容性（EMC）/电磁干扰（EMI）问题，也可以利用CST Studio Suite通过仿真加以解决。
独特的天线设计工具Antenna Magus也是SIMULIA电磁仿真系列产品的组成部分，有助于工程师快速找到5G设备的正确初始天线或阵列类型。Antenna Magus是一个包含350多个可设计天线的完整文档库。当给定频段和外形时，软件会自动生成适用的设计以及完全参数化的仿真模型。这种设计与仿真的自动化能够帮助工程师做出更明智的天线设计决策，特别是在面对新的5G约束条件和规范的情况下。对于基站设计，其他的SIMULIA电磁设计工具（例如FEST3D和Filter Designer 3D）可用于合成天线馈电系统中的波导组件、滤波器和多路复用器。
此外，SIMULIA品牌还提供了一系列业经验证的多物理场/多尺度仿真技术，世界领先的众多公司采用这些技术对材料行为、热效应、跌落、冲击、振动与整个系统性能进行仿真。这些仿真应用可与广泛使用的第三方3D建模和仿真工具以及电子设计自动化（EDA）工具进行互操作。
达索系统的3DEXPERIENCE平台通过提供数字线程，捕获整个开发流程中与产品相关的功能需求、设计变量、仿真模型和分析结果，助力各大公司对5G设计的复杂性进行管理。通过利用逼真的多物理场仿真，并与平台上的3D设计、流程自动化、设计优化和决策分析完全集成，各组织能够捕获并共享最佳实践，维护单一数据源，从而加速设计空间探索。如果在开发的每个阶段都尽早并且持续地使用虚拟原型开发，就可以帮助团队及早确定正确的设计路径，这样就使得变更成本更低且更容易实施。