通过虚拟产品开发最大化5G

5G——第五代移动网络，已经提供了比迄今为止发布的任何蜂窝技术更高的速度、更高的可靠性和更低的延迟。这并不意味着目前所有的部分都已经到位，至少，不是在一个一致的，广泛的基础上进行这种转变。需要工具来帮助进行所需的设计更改。

需要克服的一个关键挑战是5G设备的设计，特别是天线的创建和放置，这些天线可以从附近的信号塔传输和接收信息。新的5G天线必须覆盖几个宽间隔的频段，不会干扰设备上的其他传感器，并提供5G提供商向公众承诺的安全可靠的信号接收。制造商正在使用模拟软件来寻找天线在设备上的理想位置，从而缩短设计周期并增强最终用户体验。

剖析5G技术、应用

5G的覆盖范围有两大类。“较慢”但更广泛使用的版本被称为sub-6 GHz，顾名思义，它的工作频率范围低于6 GHz。目前大多数消费者产品都在2.5 GHz频段，下载速度比4G LTE快两到三倍。然而，低于6 GHz的速度有可能达到目前可用速度的10倍或更高。

第二种5G技术被称为高频段或毫米波。它在24ghz及以上的频谱中工作。正如你所料，毫米波承诺在带宽和下载速度方面有巨大的改进。不幸的是，像这样的高频率更容易受到干扰，因此与低于6 ghz的频率相比，毫米波的范围是有限的——后者适合在全市范围内使用(取决于塔的位置和其他因素)，毫米波可能部署在单个社区，或者作为更大的网格型部署的一部分。

这两个标准都包括对多输入多输出(MIMO)通信的支持，以及使用波束成形技术来增加网络容量和信号质量的天线阵列。5G通常被认为比其他替代方案更安全(或更容易安全)，因为它具有更好的加密功能和其他功能，使不良行为者难以跟踪和攻击设备连接。

在设备天线设计、它们的位置和相关高速电子设备的设计方面仍有很大的改进空间。5G设备，即我们每天使用的手机，以及大量支持物联网(iot)的设备、传感器、雷达、激光雷达、摄像头和工业设备，很快将依赖公共或私有5G来运行。

这些设备已经相当复杂了，5G使它们变得更加复杂。例如，今天的大多数手机都需要检测和处理Wi-Fi、GPS、蓝牙和4G蜂窝信号。他们必须在完成这些和其他任务的同时，还要受限于每一个车型年都在缩小的外形尺寸，同时还要处理越来越多的数据和新的安全和排放法规。

5G天线、设备、设计、数字孪生、仿真软件

对于5G，手机制造商现在被要求保留所有现有功能，包括4G功能，同时塞进几个5G毫米波天线和一个Sub-6 GHz天线。

这是一项艰巨的任务。这不是简单地将更多内容塞进固定空间的问题。由于5G天线的功能，特别是由于毫米波信号不愿穿过金属、玻璃甚至人的手指等固体物体，所有5G设备都必须重新设计，以适应大多数人认为挑剔的天线位置。这是获得最佳覆盖率和符合法规的基本考虑因素。

智能手机的数字孪生，一个完整设备的虚拟代表，现在是设计和认证过程的重要组成部分。数字孪生体允许产品工程师在没有风险的情况下进行创新，并确保所有天线和系统按预期工作并符合监管标准。对于5G，先进仿真工具中的仿真和自动化工作流程为早期设计的每次迭代生成关键绩效指标(kpi)，并使工程师对最终产品的性能达到预期充满信心。

这种虚拟设计对于5G毫米波非常重要，因为测试波束覆盖和最坏情况下的功率损耗密度非常耗时，需要在消声室中进行数天的测试。覆盖指标，如累积分布函数(CDF)和调节指标，如空间平均功率密度(sPD)在模拟软件中可用。

手机和其他设备的设计者需要满足苛刻的要求。用于移动设备设计的仿真软件有助于实现最新的无线功能，减少原型设计，优化天线效率，并将移动电话的上市时间缩短35%。

除了电磁性能，相同的数字孪生可以用于结构和热设计。这种整体的多物理场产品设计确保了满足所有地理法规要求的最佳和强大的最终用户体验。

射频(RF)能量的报告要求

设备设计人员可以使用软件来模拟电磁，以优化天线的放置。使用5G的设备不会发射电离辐射(这种辐射会损害人类DNA)，制造商必须向政府机构报告产品发射的射频(RF)能量——特定吸收率(SAR)。由于其更高的频率和功率要求，5G设备也不例外。对毫米波信号的新要求要求制造商满足最大允许曝光(MPE)要求。

好消息是，设计人员可以使用功能强大的软件来模拟这些系统，并指导手机和其他无线设备制造商找到最佳解决方案，并满足关键性能指标(kpi)。例如，现在可以通过累积分布函数(CDF)自动获得诸如空间平均功率密度和球面覆盖等kpi，以确保制造商满足所需的覆盖和认证标准。

5G设计的成功建模

同样，设计人员可以使用该仿真软件来模拟对相同射频场的任何潜在干扰。使用参数值，天线形状和位置在手机上很容易优化性能，功耗和最大接收。设计师可以快速构建虚拟原型，以确定哪种材料和布局能提供最大的信号传输，或者哪种材料和布局能最好地屏蔽用户或限制干扰。

设计师还可以评估不同的频率范围和扫描角度，可视化和实验波束形成技术。多物理场仿真功能允许研究结构和热因素，以及可能需要哪些权衡来适应最佳的电磁性能。这些功能都旨在提高设备的整体性能，减少制造投资，同时消除可能导致保修索赔、产品召回和客户不满的潜在故障。

这种模拟工具广泛可用，为当前和未来5G技术的更快速、更经济地部署铺平了道路。即使你还没有准备好接受新的智能手机、自动驾驶汽车或遥控飞机，先进的仿真软件也可以帮助你应对其他设计挑战，提供一个响亮而清晰的信号。

乔纳森·奥克利高科技产业实施主管是在达索系统系统仿真。编辑:Mark T. Hoske，内容经理，控制工程，CFE媒体与技术，mhoske@cfemedia.com。

关键词:5G，无线设备设计，仿真软件

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关于5G的3个事实

1. 尽管前景广阔，但5G的毫米波频率很容易受到包括人体在内的固体物体的阻挡。
2. 想象一下，有能力模拟手机对人类用户的影响，以及人类对信号强度和方向的影响。
3. 手机制造商面临着越来越复杂和设计上的挑战。5G加剧了这一趋势。

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