5G/毫米波通訊設計挑戰艱鉅,高頻模擬工具更形重要

5G與毫米波通訊設備,將是通訊產業下一個非常重要的市場,但由於5G和毫米波通訊使用了非常複雜的射頻技術,加上高頻電磁波的物理特性,使得晶片、模組廠必須把天線盡可能安裝在晶片附近,甚至直接整合在模組封裝中,使得相關通訊設備的設計驗證得異常困難。

5G與毫米波通訊導入了大量以往行動通訊未曾使用的射頻技術,例如MU-MIMO、波束成型(Beam Steering)等技術,加上所使用的通訊頻段大幅拉高,訊號衰退比以往更為嚴重,使得整個通訊產業鏈上下游都面臨前所未有的挑戰,必須導入各種新技術與新的設計架構,方能予以克服。

圖1、碩訊科技總經理蔡遙明指出,5G跟毫米波通訊的測試非常耗時,若要完全 按照測試規範進行實測,恐動輒耗時數個月之久。
圖2、台大電機系周錫增教授認為,模擬軟體是5G/毫米波通訊研發必備的工具。

實測過於耗時 模擬才是可行方案

然而,新技術與新的架構,卻使得產品設計的驗證時間大幅拉長到幾乎不可接受的水準。碩訊科技總經理蔡遙明(圖1)表示,針對5G或毫米波設備的天線子系統,如果要對所有測試項目的實測,可能好幾個月、甚至一年都測不完。但如果改用電腦模擬,很快就能得到模擬結果。

也因為實測實在太過耗時,因此有某客戶的固定式無線接取產品在送美國聯邦通訊委員會(FCC)驗證的時候,送出的是利用達梭系統(Dassault Systèmes)的CST所模擬出來的結果,並藉此向FCC說明其功率暴露(Power Exposure)的計算方式。

MIMO/智慧天線研究模擬工具不可或缺

台大電機系周錫增教授(圖2)表示,約在十多年前就開始進行毫米波研究,但主要是理論跟技術探討,大約四年多前才開始與工研院合作進行5G毫米波通訊的研究。目前台大正在研究的課題包含基地台的毫米波陣列天線與UE端的天線,其中基地台的天線除了採用陣列架構外,還導入屬於輔助性質的多波束技術跟智慧天線;至於在UE端,研究的方向則是AiP(Antenna in Package)。

整體來說,毫米波技術的研究也十分仰賴模擬軟體,但不可諱言的是,台灣能取得的模擬軟體工具,跟國外相比,在版本上是稍微落後的。因此,台大的因應策略是在CST所提供的平台上,與士盟合作,進一步搭建自己所需要的功能。事實上,不管是封裝裡的微型天線,或是基地台的大型天線陣列研發,如果沒有模擬軟體幫助,都是沒辦法進行的。

圖3、工研院資通所郭芳銚博士表示,工研院在開發毫米波基地台的過程中,使 用CST進行了大量模擬工作。

未來模擬工具必須要朝全系統模擬的方向發展,因為在毫米波的世界裡,任何微小的變數都會對系統運作造成影響,必須仰賴模擬工具對各種可能情境進行模擬,才能確保系統如預期運作。而CST的優勢就在於其模擬速度跟模擬規模,在各家模擬工具中是最快的,特別是在進行寬頻模擬時,基於時域(Time Domain)的CST,速度優勢更加顯著。

在基地台系統方面,工研院資通所已經實作出5G毫米波基地台的展示系統,其數位演算法、基頻、射頻都是由資通所自行研發。工研院資通所郭芳銚博士(圖3)表示,工研院從2014年就開始投入相關研發,並且在開發過程中使用CST做了大量模擬。

由於毫米波基地台必須具備追蹤用戶端裝置的能力,因此相位陣列天線必須即時調整,才能對用戶端裝置所在的方位打出射頻波束,在開發上相當複雜。

圖4、達梭系統SIMULIA電磁模擬解決方案顧問趙桐認為,隨著汽車系統越來越複 雜,汽車設計所需要的模擬工具將越來越多。

5G聯網車成趨勢 汽車電磁分析挑戰有解

汽車是一個相複雜的系統,因此,對車廠來說,在開發過程中使用多套模擬工具是很常見的情況,而隨著車聯網越來越普及,汽車電磁場的模擬分析,也變成汽車開發中不可或缺的一環。

達梭系統SIMULIA電磁模擬解決方案顧問趙桐(圖4)表示,就汽車電子來說,所需要的模擬包含通訊、低頻電磁場與相容性三大類。

針對這些領域,達梭系統都有對應的解決方案,例如車頂天線、車內藍牙、車用雷達,都能透過CST進行各式各樣的模擬。包含天線擺放位置對場型的影響,其他汽車零部件對場型的影響,甚至本車對其他車輛的雷達掃描結果,都能用CST模擬求解。

在低頻電磁場方面,其實車上有許多感測器都可歸類於低頻電磁場的範疇,例如車載電容觸控螢幕、油箱內的感測器(以電感為基礎的感測器)等。車載馬達的啟停,也是低頻電磁模擬工具經常處理的模擬課題。

展望未來,開發一輛汽車所需要使用的模擬工具,將會越來越多,亦即模擬工具產業所說的多重物理模擬。達梭系統除了提供CST之外,還有Simpack、Abaqus、wave6等模擬其他物理量的工具,這將使得達梭系統在汽車領域,具備更高的競爭力。

出處:轉載自新通訊元件雜誌 2019年 7月號 221期