ANSYS電磁產(chǎn)品在移動(dòng)通信設(shè)備設(shè)計(jì)仿真方面的應(yīng)用

1.移動(dòng)通信設(shè)備面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

移動(dòng)通信設(shè)備硬件作為整個(gè)系統(tǒng)的載體,必須足夠穩(wěn)定,但是越來(lái)越嚴(yán)格的設(shè)計(jì)指標(biāo)也帶來(lái)了越來(lái)越多的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn):

A.芯片功耗越來(lái)越大,散熱系統(tǒng)/電源平面如何設(shè)計(jì),電源噪聲如何控制?

B.集成的天線越來(lái)越多,手機(jī)板上的信號(hào)傳輸數(shù)率越來(lái)越快,如何在設(shè)計(jì)時(shí)就避免相互之間的干擾?

C.ESD/SI/PI互相關(guān)聯(lián),相互影響,如何接地,如何布局是設(shè)計(jì)者必須關(guān)注的問(wèn)題。

D.電磁頻譜越來(lái)越“臟”,電磁認(rèn)證指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格,如何有效處理EMC問(wèn)題?

2.ANSYS的電磁設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)

ANSYS的電磁設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)如下圖:

ANSYS的基于上述電磁設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)的仿真流程如下圖:

上述解決方案的主要特點(diǎn)如下:

A.方案完備

• 電磁場(chǎng)仿真工具 HFSS, SIwave,Q3D

• 電路和系統(tǒng)仿真工具 Designer/Nexxim

• 電子設(shè)備專業(yè)散熱仿真工具 Icepak

B.通過(guò)設(shè)計(jì)改善EMI/EMC特性,實(shí)現(xiàn)EMC可量化指標(biāo)

• PCB設(shè)計(jì),電磁部件設(shè)計(jì)

• 屏蔽設(shè)計(jì),PCB屏蔽仿真

• 防雷和電磁脈沖設(shè)計(jì)

C.集成化、整體的EMI/EMC設(shè)計(jì)

• 通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接,實(shí)現(xiàn)部件到整機(jī)的集成設(shè)計(jì)

• 在各個(gè)部件之間、功能與性能之間權(quán)衡,尋找最佳方案

3.ANSYS在移動(dòng)通信設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

基于上述平臺(tái)和流程,ANSYS在移動(dòng)通信設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用如下圖:

3.1 電源與散熱系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)

借助SIwave PI模塊+Icepak,將電源發(fā)熱與散熱系統(tǒng)聯(lián)合分析,評(píng)估真實(shí)工作條件下系統(tǒng)的電源和散熱設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.2 板級(jí)信號(hào)質(zhì)量/電源噪聲仿真優(yōu)化

SI/PI/EMI問(wèn)題都是相互關(guān)聯(lián)的,因此必須將SI/PI/EMI協(xié)同考慮,基于3D電磁場(chǎng)理論仿真,將電源和信號(hào)協(xié)同起來(lái),全面仿真噪聲耦合路徑。

A.信號(hào)走線的無(wú)源隔離度分析:

B.系統(tǒng)時(shí)域電路仿真

在DesignerSI中搭建整個(gè)系統(tǒng)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(shí)域分析電路。

多種類型仿真結(jié)果如下圖:

通道設(shè)計(jì)仿真分析:

實(shí)測(cè)與測(cè)試結(jié)果對(duì)比:

電源AC性能仿真優(yōu)化分析:

優(yōu)化前后電源阻抗曲線對(duì)比:

優(yōu)化前后電源噪聲對(duì)比:

3.3 RF射頻天線設(shè)計(jì)

借助ANSYS路仿真工具Designer,與空間場(chǎng)仿真工具HFSS相結(jié)合,可一鍵 “push excitations”將路仿真(如功放等)計(jì)算結(jié)果放置在HFSS中,得到更加實(shí)際準(zhǔn)確的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。

射頻匹配電路設(shè)計(jì):

實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)敏感部位的關(guān)鍵尺寸:

只需一次求解,即可獲得多種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線S參數(shù)變化的影響。直觀方便,提高效率。并可通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)來(lái)得知各結(jié)構(gòu)參數(shù)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(lái)衡量人體對(duì)電磁波的吸收量,國(guó)標(biāo)對(duì)SAR值都很明確的安全限制要求。在移動(dòng)通信設(shè)備的設(shè)計(jì)中需要平衡天線輻射功率TRP與SAR的關(guān)系。

A.HFSS的人體SAR模型:

B.分析不同區(qū)域SAR電場(chǎng)分布:

C.人體頭部對(duì)LTE天線的影響:

D.手持對(duì)LTE天線的影響:

E.仿真與測(cè)試(括號(hào)內(nèi))結(jié)果的精度對(duì)比:

3.5 射頻與數(shù)字系統(tǒng)干擾噪聲耦合分析:

例如FPC與天線之間的噪聲耦合:

優(yōu)化前后噪聲結(jié)果對(duì)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(guò)在手和手機(jī)模型上設(shè)置不同的電位差來(lái)檢查評(píng)估系統(tǒng)ESD風(fēng)險(xiǎn):

發(fā)生ESD后的傳導(dǎo)電流分析:

ESD槍建模:

ESD防護(hù)電路分析:

ESD防護(hù)電路仿真優(yōu)化:

ESD仿真與測(cè)試對(duì)比:

3.7 設(shè)備級(jí)EMI分析:

路工具Designer和場(chǎng)工具SIwave協(xié)同分析PCB板級(jí)輻射:

板級(jí)工具SIwave和任意三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)工具HFSS協(xié)同做系統(tǒng)輻射分析:

HFSS分布設(shè)備SIM卡座與射頻天線的布局優(yōu)化:

SIM卡座與射頻天線的布局優(yōu)化分析結(jié)果:

HFSS分析系統(tǒng)設(shè)備整機(jī)的EMI輻射:

總結(jié):

我們可以總結(jié)出ANSYS針對(duì)移動(dòng)通信設(shè)備設(shè)計(jì)與仿真的解決方案的優(yōu)勢(shì)如下:

(1)完備性

? 仿真對(duì)象全面,從部件級(jí)直到系統(tǒng)級(jí)

? 仿真內(nèi)容豐富,涵蓋時(shí)域頻域及多物理域

(2)精確性

? 全波仿真引擎確保把握結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

? 場(chǎng)路協(xié)同準(zhǔn)確模擬系統(tǒng)行為

? 部件協(xié)同實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

(3)操作性

? 支持有源無(wú)源仿真設(shè)計(jì)

? 仿真與量測(cè)交互驗(yàn)證