CST TLM算法仿真5G毫米波手機天線和整機實例（2020版）

5G時代，產品復雜，更新換代快，如何快速仿真不同的設計版本是影響研發效率的關鍵問題。本期我們用達索系統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，未經達索系統授權不得使用）

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，得到電磁場的結果，以場源的形式在I-solver積分方程求解器環境下做后處理，得到FCC報告中要求的仿真結果，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商要提供本地加密好網格的天線保密模組。

由于手機廠商無法看到保密天線的內部結構，所以不能對其調整內部網格；加上天線模組在手機里面可能會有一定的旋轉角度，所以天線TLM保密模組在發布之前，供應商對其進行合適的本地加密網格是保證天線和手機整合后的仿真精度的關鍵。

 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。

首先全局網格設置適當加密即可：

推薦本地設置包括，貼片金屬厚度上要有一個網格，介質高度上要有三個網格，同軸信號的圓柱形金屬直徑上要有三個網格。這些都可以在TLM的本地加密功能實現。

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，絕對值的網格定義才能保證精確度；也正因為這樣，網格設置的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，網格尺寸變化比較平滑。

Limit octree cell size near to model to 是限制結構內部的最大網格，根據饋點處的結構尺寸適當定義。 

下面展示的是TLM的Octree網格在lumping之后，比正常的延展的六面體網格會少很多。密集的網格只聚集在結構周圍，這樣就允許結構旋轉而網格數不會劇增。

TLM網格剖分之后，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結果表示，用推薦的網格設置，不同旋轉角度得到同樣的結果，說明網格準確性非常好。

也可以和FEM頻域有限元比較一下結果，用來互相驗證仿真設置的精確度。下圖中兩種算法拿到一致的結果：（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果，TLM和FEM的增益誤差可控制在0.1dB以內：

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，內存也就100-200MB左右。而FEM則需要差不多1個小時，內存通常需要GB級。

最后對模型進行保密就可以了，這里無需對端口保密，之前的本地加密網格設置也會在保密模型內部保留下來。

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為16，手機內部結構略有簡化，但是多層的PCB板，柔性PCB，各種頻段天線仍然是都包括在內。

手機的全局網格設置和天線的基本一致，屏幕為多層結構，需要本地加密一些：

Cell lumping 之后的網格數為千萬級，相比Cell lumping之前網格數（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視器。場源是為了導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視器或電場磁場監視器，是因為我們要節省三維數據量，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，硬盤也將占據大量空間。

場源是等效的二維數據，只是在用戶自定義的盒子表面；遠場是三維數據，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，或是根據需要設的更低，然后檢查兩次，確保收斂曲線穩定下來。這里的輻射功率收斂就和之前的遠場監視器計算掛鉤了。

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以內信號是足夠傳播和輻射開，所以2ns只是確保總時間不要太久。兩個收斂標準通常在1-2ns左右就可以將仿真停下，仿真結束之后可以查看收斂曲線，確保結果達到要求，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個場源導入到I-solver里面，對應的是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入所有的場源，還可以自動導入激勵的振幅相位表來做波束掃描。有需要的用戶可聯系CST的技術人員。

導入場源盒子之后，I-solver仿真就非常簡單了，全局網格適當加密，求解器精確度不需要很高，網格較少。

用Macro宏腳本設置三維結果的采樣密度：

還需定義E和H場監視器。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，結果應該相同：

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 算法手動設置略多一些，在5G毫米波手機天線方面仿真具有網格優勢。

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據，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完成。

（本案例手機模型，0-35GHz, 兩個GV100 GPU, lumping后4千萬網格，僅用10%GPU內存，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技術人員聯系。

今后我們還會持續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。