多射頻系統共存及抗干擾設計面臨新挑戰
從射頻的角度來看，5G技術先進性的原因之一是因為5G通訊設備工作在更高的頻率，擁有更多頻寬。根據3GPP的定義，5G包括了如下圖所示的兩個頻譜範圍，分別是Sub-6GHz和毫米波(mmWave)頻段，在每個範圍內又細分了數十個頻段號，分配給不同國家的不同電信運營商使用。
以中國為例，中國移動得到了2515MHz~2675MHz和4899MHz~4900MHz兩個頻段，中國電信得到了3400MHz~3500MHz頻段，而中國聯通則被分配到了3500MHz~3600MHz頻段，放眼全球則各個電信運營商頻段的分配就更加複雜。
不同頻段在5G通訊設備裡，都對應著特定的射頻前端系統的硬體支援，對於5G通訊設備而言，如何在擁擠而複雜的頻譜環境中讓自己不被其他頻段設備干擾就成為了設計師必須要考慮的問題。
此外，5G移動終端設備除了支持5G通訊制式以外，還必須向下相容老的移動通訊制式，比如2G GSM、3G WCDMA/CDMA2000/TDSCDMA、4G TD-LTE/FD-LTE等在未來相當長時間內仍然會繼續提供服務，所以隨著通訊技術的不斷發展，通訊設備上務必會搭載越來越多種類的通訊系統(圖1)。
比如華為推出的Mate 30 Pro 5G手機，便採用了最先進的5G天線設計，機身共有21根天線，搭載了包括5G、4G、3G、2G、Wi-Fi、BT、GPS、NFC等在內，多達8種無線通訊系統，這些系統在單獨工作的時候不會產生干擾問題，但當不同的通訊系統同時工作的情況下，產生的互調/交調頻譜分量或者雜訊信號很可能被抬高，導致某些極度敏感的無線系統(比如GPS)被嚴重干擾到無法正常工作。
5G通訊技術下，物聯網應用場景大量爆發，除了移動通訊設備外，在汽車、工業設備，國防設備等平台上也會搭載包括5G通訊在內的導航、探測、通訊、測控、數傳等眾多射頻系統，豐富多樣的系統特性包括了複雜的調製類型、超寬的頻率範圍、豐富的功率電平等。
這些平台上往往包含數十個射頻發射設備，這些發射設備中的倍頻器、混頻器、功率放大器等由於諧波洩漏、雜散輻射等會產生大量的交調產物，而擴頻調製、調頻工作等使雜散輻射頻譜大量增加。
同時這些平台上還包括了相當數量的射頻接收設備，這些接收設備的工作頻段各有不同，其敏感頻率(如鏡像頻率、諧波頻率等)也各有不同，隨著軟體無線電、數位化中頻、寬頻接收等技術的採用，使這些接收系統受到干擾的潛在風險大大增加，這些複雜的電磁干擾以及與電磁頻譜相關的軍事力量、設備、系統和平台的影響，成為決定整體系統和平台效能至關重要的因素。
射頻系統抗干擾模擬方案需具備五大要素
ANSYS射頻系統抗干擾模擬方案提供了一個複雜射頻環境中電磁干擾模擬的資料管理與分析的整體框架，將尖端的模擬引擎與多保真參數化模型相結合，實現對任何環境下共址干擾的準確預測，如運載平台、通訊基地台以及個人電子設備的共存和靈敏度降低等。並且針對不同傳真度登記的已知數據，可以進行不同層級的模擬分析。
這套模擬解決方案的設計理念是允許設計師在設計早期階段就開始模擬，直至整個系統設計完成後的維護階段。在設計和整合的早期就可定位出共址干擾問題，當定位出干擾問題，在對設備或系統進行否認和修改之前，便可以在軟體中進行改善策略的探索對比，從而說明客戶節省大量成本。
射頻系統共址及抗干擾模擬解決方案，所需要注重的能力包括以下幾個方面。
內建無線電模型庫和RF部件庫
多通訊系統共存情況下的射頻抗干擾模擬的第一步是對射頻系統的建模，射頻系統包含了收發機、濾波器、雙工器、放大器、混頻器、天線等諸多元件，能夠支援用戶方便快捷地實現射頻系統建模成為抗干擾模擬工具的重要技術要求。
ANSYS EMIT內置了多種通用的無線電模型庫(圖2)，包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、GPS、Wi-Fi、藍牙、VHF/UHF通訊、SINCGARS、CDL等許多通用的無線電模型，使用者可以直接調出使用。對於實現特殊功能的定制化無線電模型，客戶也可以通過參數化輸入對其發射頻譜和接收頻譜進行定義，也可通過導入測試資料的方式實現對未知無線電模型的建模。
EMIT軟體中的無線電模型(Radio)可以是收發信機(Tranceiver)、發射機(Transmitter)或接收機(Receiver)，一個無線電模型中可以定義多個頻段(Band)，EMIT可對每個頻段配置相應的頻率、功率電平、調製方式等無線系統參數。對於發射機頻譜可以配置頻譜類別、發射功率、近端相位雜訊、遠端相位雜訊、諧波、雜散等指標，對於接收機頻譜則可以配置帶內敏感度閾值、混頻器產物、帶外雜散、飽和電平等參數。
ANSYS EMIT是用於複雜環境中射頻干擾(RFI)模擬的軟體。EMIT與ANSYS HFSS緊密配合，將射頻系統干擾分析與產業領先的電磁模擬相結合，能夠對天線到天線耦合進行建模，能夠可靠地預測多天線環境(具有多個發射器和接收器)中的RFI影響。眾所周知，在測試環境中診斷複雜環境內的RFI非常困難而且成本高昂，但是，利用EMIT的動態連結結果視圖，就可以通過圖形化信號跟蹤和診斷總結功能顯示干擾信號的源頭以及其到達接收器的路徑，從而快速確定任何干擾的根源。一旦找到干擾原因，EMIT就能快速評估各種RFI緩解措施，從而實現解決方案優化。
除了對無線電模型的快速參數化建模外，EMIT還內置包含濾波器、多工器、環形器、隔離器、功分器、放大器、線纜等在內的全面RF部件庫，這些寬頻部件模型可以生成搭建射頻系統所用的模組，這些部件模型可以利用EMIT內置參數化模型指定指標，或者通過其他模擬工具或測量獲得的特性資料生成模型。射頻系統模型中用到的無線電模型、RF部件和天線等模型的定義可保存在EMIT部件庫中以供將來使用，也可以共用給其他用戶使用。
支援多種傳真度的天線耦合模型
射頻系統的干擾路徑主要基於各系統天線之間的空間耦合，所以天線耦合資料成為決定射頻系統抗干擾模擬準確性的重要組成部分。對於設計初期的系統共存模擬驗證工作而言，該階段一般尚不具備搭載通訊系統的平台設備模型以及各系統天線的具體設計模型，所以此時並不能通過傳統電磁場模擬工具得到天線耦合資料。
而EMIT有多種天線耦合資料的定義方式，提供包括恒定耦合、路徑損耗、路徑損耗+增益、以及S參數等在內的多傳真度天線耦合資料供使用者選擇，耦合資料的精度隨之增加。
定耦合是指天線耦合量為使用者設定的與頻率無關的常數，用於系統設計初期的天線耦合度指標分配。路徑損耗天線模型的耦合量為基於自由空間內天線之間的路徑損耗，用於在設計初期考慮天線放置的不同位置對干擾程度的影響。
EMIT還可以考慮自由空間內天線之間路徑損耗以及相對方向上的增益計算得到的耦合量，用於獲悉天線設計類型之後的更準確的天線耦合資料提取，最準確的方法則是通過測試或電磁場模擬得到的寬頻S參數資料用於表徵耦合量，此資料充分考慮搭載通訊系統平台和天線的相互影響，適合用於系統設計完成後的最終抗干擾性能模擬驗證(圖3)。
EMIT內置了多種近似天線耦合模型，用於在具備更精確的天線隔離資料之前進行系統共址的抗干擾分析，在缺乏特定耦合資料的情況下，EMIT也可以用來計算避免產生干擾所需的天線間的耦合量。
快速準確的天線耦合模擬演算法
為了實現更準確的系統抗干擾模擬，使用者需要用到更準確的天線耦合資料來實現對射頻系統的建模，EMIT能夠導入天線測試資料作為耦合模型，支援使用工業標準Touchstone檔案格式描述的寬頻多埠隔離資料，而無需將所有的資料容納在單個Touchstone檔中，因為EMIT會將所有待考慮天線間的多組資料自動整合在一起。
EMIT還可以與ANSYS高頻電磁場模擬工具HFSS聯合工作，使用其商業化的電磁求解器對多天線、大尺寸的問題進行快速準確求解得到天線耦合資料。
HFSS具有的增強彈跳射線法(SBR+)求解器，利用射線追蹤技術求解天線在載入到大型平台上以後的輻射性能和耦合資料，而且SBR+在傳統的彈跳射線法基礎上添加了多種改良演算法，可以計算以前SBR演算法無法求解的邊緣電流修正、入射波衍射、陰暗區電流分佈、以及平台表面爬行波等各方面的影響，是業界最精準的射線法求解工具，可以輕鬆得到多副天線的互耦資料。
除了演算法層面，HFSS作為專業的電磁場模擬軟體還具有其他方面的巨大優勢，整合了天線設計庫，包含有數十種實際工程中常見的天線種類，使用者可以直接方便快捷地調用各種天線形式，還具備其他射線追蹤工具所不具備的物理模型，擁有與業界主流三維MCAD軟體的介面，準確高效地實現大型平台模型的導入匯出。
軟體具有強大的圖形介面，可以直觀地瞭解天線在大型平台上的輻射場圖，以及表面電流的分佈情況等。絕大多數任務都在不超過8G記憶體下完成求解，再配合HPC，利用硬體多核CPU和GPU加速，實現快速模擬得到結果。
考慮多射頻系統所有干擾因素
EMIT的1對1收發系統模擬對一對單獨Tx/Rx通道進行模擬，同時包括了收發系統相關的元件(如濾波器、電纜、放大器等)和天線的耦合度(ATA)，最後計算出接收機Rx的射頻干擾冗餘度(圖4)。
EMIT寬頻射頻干擾冗餘度模擬結果如圖5所示，上面的線條為接收機的敏感度閾值，該線條代表了接收機的寬頻敏感度指標。
由於接收通道上混頻器的非線性效應，所以不僅接收帶內的干擾信號會影響靈敏度，在帶外某些頻點的干擾信號與接收混頻器進行高階互調，產生的互調產物也可能落在接收帶內，從而引起接收機敏感度惡化，所以接收通道需要同時考慮頻道內和頻道外干擾信號對靈敏度的影響。
圖5下面的線條是從發射系統耦合至接收埠的頻譜分量，低於上方敏感度閾值的頻點表示不會對接收機靈敏度造成干擾，而對超過閾值的頻點則是引起接收通道性能惡化的來源。
EMIT還能計算帶內的峰值射頻干擾餘量。由於混頻器、放大器等通道上的多個非線性器件，導致經過多次複雜交調互調後可能落在接收帶內的干擾信號譜非常豐富，如果分別考慮這些信號對接收敏感度的影響，從上面的寬頻射頻冗餘度結果來看都不會對接收系統靈敏度造成干擾。
但是，這些信號疊加起來產生的頻道內雜訊電平就很有可能超過接收機敏感度閾值，造成靈敏度惡化。所以如圖6所示，EMIT的頻道內峰值射頻干擾餘量則把多個落在接收帶內的干擾信號疊加起來，觀察是否超越了接收機閾值。
EMIT還可以模擬當多個發射系統同時工作時，在多通道之間產生的有源互調交調產物，這些產物主要來源於兩個方面。
第一是多發射機同時工作，產生的發射頻譜耦合到接收機後與接收通道上的射頻前端非線性器件(如低雜訊放大器、混頻器等)產生的交叉調試。
第二是不同發射通道之間的互調，發射頻譜耦合到其他發射通道中，與其他通道內的非線性元件(如功率放大器、隔離器等)發生互調，得到的互調產物會由該發射通道往外二次耦合至接收通道，從而影響接收機靈敏度。
直觀的結果顯示和干擾診斷功能
EMIT提供不同層級的直觀結果顯示，通過場景矩陣結果可快速查看平台上哪個射頻系統受到了干擾，而通過電磁干擾邊限圖(圖7)，則可以完整的獲得收發通道的寬頻干擾情況，並能夠自動識別每種類型干擾的根源。
利用結果分組篩檢程式，用戶很容易從結果中排除特定類型的干擾(如共通道干擾)，這樣便可以看到最關心問題的結果，從結果的角度快速定位出干擾因素，從而可建議採取合適的改善措施。
EMIT的快速“what if”分析功能可以快速評估可用的干擾改善措施。例如，在調頻系統干擾分析中，可以從庫中快速拖放一個可調濾波器加入接收機通道，從而可以立即評估該濾波器的干擾改善效果。
在EMIT先進的介面下，通過高層級和低層級的分析匯總，以及內置的自動化診斷功能，用戶可以輕而易舉地把射頻系統間的干擾情況顯現出來。
常見的射頻系統抗干擾模擬案例介紹
汽車
如今，汽車總體通常搭載多個無線通訊系統，這些通訊系統的天線往往被放置得比較靠近，天線之間的相互耦合會帶來共址干擾問題，惡化部分敏感系統的接收性能，甚至使其功能徹底喪失，這就使得在汽車上的多通訊系統共址干擾影響的研究十分必要。
使用HFSS對各個天線進行三維空間輻射場性能模擬，將通過模擬得到的各天線輻射場結果搭載在汽車的相應位置上，使用HFSS的增強彈跳射線法求解器計算得到考慮汽車平台效應的各天線之間的寬頻耦合S參數結果。
圖8是汽車天線模擬結果的可視化結果。左側矩陣圖的最右側一列則反映了三個發射通道同時工作時的受干擾情況，對GPS接收設備而言，每個發射系統單獨工作時都不會影響其敏感度，但是三個發射系統同時打開後，矩陣中的深色單元框表示GPS接收設備受到干擾了。而右圖顯示出影響GPS頻道內敏感度的雜散頻譜以及其來源。
為了消除受擾影響，在VHF收發機和FM接收系統通道都加上帶通濾波器，可以濾除帶外雜散的影響，也可以減小不同發射通道間的互調產物，改善GPS接收帶內敏感度。
圖9為使用抗干擾方案後的抗干擾分析結果，所有矩陣單元都變回淺色，這表明所有干擾效應都已被消除。
無人機與基地台
5G時代，萬物互聯，無人機的使用將會越來越普及，在給人們生活帶來便利的同時，無人機作為工作在複雜電磁環境裡的設備可能對其他設備產生干擾，也可能被其他高功率發射的設備(如同通訊基地台)干擾，設計師需要知道無人機和基地台需要至少保持多遠的距離，才能確保無人機能夠正常工作而不被基地台干擾。
EMIT可以對基地台和無人機兩個系統的所有發射和接收通道進行建模，通過功率流的分析方法對接收系統是否受擾進行模擬，生成如圖10所示的豐富的結果報告。
圖10右上方的矩陣圖清晰地顯示LTE基地台的發射信號對C2接收通道產生了干擾，而且當LTE基地台和無人機視頻下載系統兩個發射通道同時工作時會使GPS接收通道的靈敏度冗餘量不足(矩陣中用粗線框起的儲存格所示)。
在圖10的正上方的系統交互框圖中，EMIT用線條明確指出了干擾的源頭和產生的路徑，對C2接收機造成的干擾來源於900MHz的LTE基地台發射系統，基地台的發射功率經過基地台與無人機之間的天線耦合進入了C2接收機的接收通道，直接惡化了接收機的靈敏度。
圖10正下方的頻譜曲線則顯示了造成干擾的所有頻點，以及造成干擾的雜訊類型，此案例中對C2接收機的干擾是因為LTE基地台的發射功率超過了接收機的頻道外飽和電平。
為解決該干擾問題，直接在系統原理圖裡通過簡單拖曳的方式，在C2接收機通道前端添加帶通濾波器，元件的頻道內損耗、頻道外抑制度等指標都可參數化定義，也可通過導入實際濾波器S參數的形式對其進行配置，重新模擬即可在矩陣中觀察到，C2接收機通道的干擾問題已被解決(圖11)。
以上案例展示了利用模擬的必要性，在日益互聯的世界中，無線系統的數量激增，其發生干擾和性能劣化的可能性也隨之增加。工程師可以在設計過程的早期階段評估盡可能多的備選方案，然後評估設計空間以優化關鍵設計參數。通過利用專業模擬軟體在研發早期階段確定有可能發生干擾的位置，企業能夠避免干擾問題，減少後期修復問題的成本和降低風險。
(本文作者任職於Ansys)
