ANSYS电磁产品在移动通信设备设计仿真方面的应用

1.移动通信设备面临的设计挑战

移动通信设备硬件作为整个系统的载体,必须足够稳定,但是越来越严格的设计指标也带来了越来越多的设计挑战:

A.芯片功耗越来越大,散热系统/电源平面如何设计,电源噪声如何控制?

B.集成的天线越来越多,手机板上的信号传输数率越来越快,如何在设计时就避免相互之间的干扰?

C.ESD/SI/PI互相关联,相互影响,如何接地,如何布局是设计者必须关注的问题。

D.电磁频谱越来越“脏”,电磁认证指标越来越严格,如何有效处理EMC问题?

2.ANSYS的电磁设计仿真平台

ANSYS的电磁设计仿真平台如下图:

ANSYS的基于上述电磁设计仿真平台的仿真流程如下图:

上述解决方案的主要特点如下:

A.方案完备

• 电磁场仿真工具 HFSS, SIwave,Q3D

• 电路和系统仿真工具 Designer/Nexxim

• 电子设备专业散热仿真工具 Icepak

B.通过设计改善EMI/EMC特性,实现EMC可量化指标

• PCB设计,电磁部件设计

• 屏蔽设计,PCB屏蔽仿真

• 防雷和电磁脉冲设计

C.集成化、整体的EMI/EMC设计

• 通过数据链接,实现部件到整机的集成设计

• 在各个部件之间、功能与性能之间权衡,寻找最佳方案

3.ANSYS在移动通信设备设计中的应用

基于上述平台和流程,ANSYS在移动通信设备设计领域的应用如下图:

3.1 电源与散热系统协同设计

借助SIwave PI模块+Icepak,将电源发热与散热系统联合分析,评估真实工作条件下系统的电源和散热设计质量。

3.2 板级信号质量/电源噪声仿真优化

SI/PI/EMI问题都是相互关联的,因此必须将SI/PI/EMI协同考虑,基于3D电磁场理论仿真,将电源和信号协同起来,全面仿真噪声耦合路径。

A.信号走线的无源隔离度分析:

B.系统时域电路仿真

在DesignerSI中搭建整个系统的电路模型,包括芯片模型(IBIS),封装模型, PCB互连模型等,建立时域分析电路。

多种类型仿真结果如下图:

通道设计仿真分析:

实测与测试结果对比:

电源AC性能仿真优化分析:

优化前后电源阻抗曲线对比:

优化前后电源噪声对比:

3.3 RF射频天线设计

借助ANSYS路仿真工具Designer,与空间场仿真工具HFSS相结合,可一键 “push excitations”将路仿真(如功放等)计算结果放置在HFSS中,得到更加实际准确的远场方向图。

射频匹配电路设计:

实时调节敏感部位的关键尺寸:

只需一次求解,即可获得多种结构参数对天线S参数变化的影响。直观方便,提高效率。并可通过实时调节来得知各结构参数的具体值,减少加工误差,提高合格率:

3.4 人体比吸收率SAR分析:

SAR通常用来衡量人体对电磁波的吸收量,国标对SAR值都很明确的安全限制要求。在移动通信设备的设计中需要平衡天线辐射功率TRP与SAR的关系。

A.HFSS的人体SAR模型:

B.分析不同区域SAR电场分布:

C.人体头部对LTE天线的影响:

D.手持对LTE天线的影响:

E.仿真与测试(括号内)结果的精度对比:

3.5 射频与数字系统干扰噪声耦合分析:

例如FPC与天线之间的噪声耦合:

优化前后噪声结果对比:

例如天线与PCB走线的噪声耦合分析:

3.6 ESD放电分析:

通过在手和手机模型上设置不同的电位差来检查评估系统ESD风险:

发生ESD后的传导电流分析:

ESD枪建模:

ESD防护电路分析:

ESD防护电路仿真优化:

ESD仿真与测试对比:

3.7 设备级EMI分析:

路工具Designer和场工具SIwave协同分析PCB板级辐射:

板级工具SIwave和任意三维结构电磁场工具HFSS协同做系统辐射分析:

HFSS分布设备SIM卡座与射频天线的布局优化:

SIM卡座与射频天线的布局优化分析结果:

HFSS分析系统设备整机的EMI辐射:

总结:

我们可以总结出ANSYS针对移动通信设备设计与仿真的解决方案的优势如下:

(1)完备性

• 仿真对象全面,从部件级直到系统级

• 仿真内容丰富,涵盖时域频域及多物理域

(2)精确性

• 全波仿真引擎确保把握结构细节

• 场路协同准确模拟系统行为

• 部件协同实现虚拟样机设计

(3)操作性

• 支持有源无源仿真设计

• 仿真与量测交互验证