技术专栏 | 虚拟原型开发如何助力实现理想化的5G设计？

在5G频率下，人体的存在对移动设备的性能有很大的影响

5G作为一种新一代的广播技术，受到政府监管条例的约束，其中包括：

• 电磁兼容性（EMC），设备对外部射频信号的敏感性

• 设备自身产生的电磁干扰（EMI）

• 人体受到的电磁辐射（EMF）

要保持组件之间实现高速、可靠的通信，确保设备上的信号完整性（SI）和电源完整性（PI）也是一个需要考虑的主要问题。

采用5G技术扩展或代替传统的有线工业网络需要对网络设备、工业物联网（IIOT）设备和边缘计算基础设施进行大量投资。此外，工业制造环境既庞大又具有动态性，这可能会导致覆盖差或信号阻塞，而这种问题可能在完成部署后才能发现。

       

虚拟测试        

       

早期阶段，建模和仿真可以通过补充物理测试降低风险和成本。工程师能够进行各种多物理厂仿真，从而在物理部署前确保设计的稳健性，包括：

• 电磁方面：天线模式、覆盖范围、共址干扰、信号完整性和对人体的电磁辐射

• 结构方面：设备的强度和耐久性，疲劳、跌落和冲击测试

• 热：电子加热和冷却

5G移动设备和工业物联网（IIoT）设备以及基站设备都必须在具有挑战性的环境中可靠地工作，这些环境包括人口稠密而且复杂的城市与工业环境，其中包含许多可能阻挡信号的障碍物，例如人、机器和其他移动设备。

为了可靠地运行，5G设备需要利用大规模多输入多输出（MIMO）技术有效地利用多路径效应，例如从物体反射的信号可以帮助填补盲区并增加网络容量。这意味着单个设备上需要安装更多的天线，在减少占用空间的同时却带来了更多电磁兼容性/电磁干扰、比吸收率和热管理问题。

安装在工业机械上的以3.6 GHz运行工业物联网（IIoT）设备，在某些方向上显示出较差的信号覆盖

       

利用虚拟原型开发应对5G设计挑战        

       

众多开发移动设备、物联网产品和蜂窝基础设施的公司正在利用由达索系统SIMULIA品牌开发的现实仿真工具克服这些行业挑战。借助逼真的3D虚拟原型，综合天线工程、设备电磁兼容性/电磁干扰性能、电子器件设计，以及设备结构与热性能，均可以快速、准确地进行建模、分析和优化。

       

可靠的电磁设计        

       

SIMULIA CST Studio Suite是SIMULIA多物理场仿真系列产品的组成部分，专门用于电磁（EM）仿真。这款业经验证的电磁仿真软件提供了完整的电磁与附属的多物理场求解器，以及满足5G产品开发与部署的设计和工程挑战所需的强大的自动网格划分与优化工具。这款旗舰瞬态求解器可以用最少的模型准备对极其庞大和复杂的问题进行仿真，并且能够利用图形处理器（GPU）、集群和云计算来进一步提高仿真速度。

此外，借助这款软件还能够以虚拟方式进行合规测试，因为某些量（例如人体内的电场）无法进行实际测试，只能通过仿真来表征。CST Studio Suite带有经过美国无线通信和互联网协会（CTIA）认证的手部和头部模型，这些模型可用于虚拟的比吸收率（SAR）测试。这有助于降低交付逾期或测试失败的风险，从而保护5G开发的巨大投资。

可以利用CST Studio Suite生成的典型移动、工业物联网（IIoT）和基站的关键性能指标（KPI）包括：

•      总辐射功率（TRP）

•      各向同性辐射功率 （EIRP）

•      总的各向同性灵敏度（TIS）

•      累积分布函数 （CDF）

•      空间平均功率密度 （sPD）

•      比吸收率（SAR）