SIMULIA电磁仿真| TLM算法仿真5G毫米波手机

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完整的流程如下，先是天线本身的仿真，生成加密模型，然后手机厂商将加密模型和手机整合并仿真，得到电磁场的结果，以场源的形式在I-solver 积分方程求解器环境下做后处理，得到5G FCC报告中要求的仿真结果，比如功率密度的分布。

由于手机厂商无法看到加密天线的内部结构，所以不能对其调整内部网格；加上天线模组在手机里面可能会有一定的旋转角度，所以天线TLM模组在发布之前，供应商对其进行合适的本地加密是保证天线和手机整合后的仿真精度的关键。

下面以一个2x2的毫米波贴片天线为例，背面有馈电线，8个端口正交极化。

天线工作频率为毫米波波段n257, 26.5-29.5GHz, 仿真频率为24GHz-32GHz，也可以更宽的频率范围，比如0-40GHz，包括其他的毫米波段。

推荐本地设置包括，贴片金属厚度上要有一个网格，介质高度上要有三个网格，同轴信号的圆柱形金属直径上要有三个网格。这些都可以在TLM的本地加密功能实现。

注意这里建议用绝对值并且三个方向一样，因为天线将被旋转，绝对值的网格定义才能保证精确度；也正因为这样，网格设置的Specials里面，snapping就可以不勾选。有了本地加密，face refinement可以选择不需要。Smooth mesh with equilibrate ratio为1.25，网格尺寸变化比较平滑。

下面展示的是TLM的Octree网格在lumping之后，比正常的延展的六面体网格会少很多。密集的网格只聚集在结构周围，这样就允许结构旋转而网格数不会剧增。

下面S11 结果展示，用推荐的网格设置，不同旋转角度得到同样的结果，说明网格准确性非常好。

也可以和FEM频域有限元比较一下结果，用来互相验证仿真设置的精确度。下图中两种算法拿到一致的结果：（下图使用的天线矩阵模型不同，所以S11和上图不一样，但TLM和FEM一样）

比较不同频点的远场结果，TLM和FEM的增益误差可控制在0.1dB 以内：

单独天线来讲，仿真时间TLM用GPU加速一般都是十几分钟甚至几分钟之内，内存也就100-200MB左右。而FEM则需要差不多1个小时，内存几个GB甚至几十GB的占用量。

最后对模型进行加密就可以了，这里无需对端口加密，之前的本地加密（网格）设置也会被加密模型内部保留下来。

第二部是手机厂商的仿真，这里我们用两个天线原模型分别放在手机上下两个位置，用加密模型结果也是一样。所以手机模型端口数为16，手机内部结构略有简化，但是多层的PCB板，柔性PCB，各种频段天线仍然是都包括在内。

手机的全局网格设置和天线的基本一致，屏幕为多层结构，需要本地加密一些：

Cell lumping 之后的网格数为千万级，相比Cell lumping之前网格数（亿级）减少差不多10倍。

一般我们在n257波段看三个频点就够了，这里定义三个场源和三个远场监视器。场源是为了导出用于后处理得到功率密度，远场是要看查看天线效果并且在接下来的收敛标准需要用到。这里之所以不直接定义功率监视器或电场磁场监视器，是因为我们要节省三维数据量，5G的波束扫描需要多个端口，加上频点多，如果不加控制，三维场很容易达到上百个，仿真效率大大降低，硬盘也将占据大量空间。

场源是等效的二维数据，只是在用户自定义的盒子表面；远场是三维数据，目前还需要定义。

收敛标准是个时域的小技巧。通常我们都是看能量衰减，比如-40dB甚至更低，但这里能量是指宽频的能量，不是所有频率都容易衰减。所以我们可以用自定义收敛标准替代能量衰减，比如5G天线更关心工作频段的S11反射和辐射功率的准确性，所以我们可以选Reflection S-Parameters和All Radiated Power都是收敛到0.001，或是根据需要设的更低，然后检查两次，确保收敛曲线稳定下来。这里的辐射功率收敛就和之前的远场监视器计算挂钩了。

另外，Maximum Solver Duration的Time=2ns，就是求解器最长仿真时间。一般以手机的尺寸，1ns以内信号是足够传播和辐射开，所以2ns只是确保总时间不要太久。两个收敛标准通常在1-2ns左右就可以将仿真停下，仿真结束之后可以查看收敛曲线，确保结果达到要求，这样就控制仿真总时间，简短而高效。

下图是天线S11在手机中的结果：

同样是手机厂商的工作范畴。下图是8个场源导入到I-solver里面，对应的是4个端口，双极化。实际上场源可以达到上百个。我们提供新的Macro宏脚本可以自动从上一步的手机仿真cst文件中识别并导入所有的场源，还可以自动导入激励的振幅相位表做波束扫描。有需要的用户可联系SIMULIA/CST的技术人员。

导入场源盒子之后，I-solver仿真就非常简单了，全局网格适当加密，求解器精确度不需要很高，网格较少。

还需定义E和H场监视器。这里主要是利用E和H的二维平面定义，比如在手机上方一定距离的平面上，我们关心功率密度的分布。仿真简单，速度也很快。

下图为电场在x=-8位置的结果：

下面就是用后处理算功率密度，磁场的共轭和电场叉积。

另一个后处理可以算局部均值，比如下图是按4cm^2均值后的功率密度图，可见分布更平滑。