宏觀/微觀都需考量 混合求解勢在必行
電尺寸的大小，是指電磁領域中的幾何尺寸與工作波長的比值。當物理尺寸遠大于電波長時，如10個波長、100個波長以上，一般就稱之為電大尺寸問題。電尺寸再增加到上千個波長，則可視之為超電大問題。
但在進行5G模擬時，不僅要考慮電尺寸的大小，同時也要考慮到幾何細節結構。因此，5G模擬不僅是個電大尺寸問題，同時也是個電大尺寸複雜問題，亦即待求解的問題不僅僅是一個電大尺寸或超電大尺寸的幾何規模問題，同時還存在複雜的幾何細節結構問題。這意味著模擬工程師要選擇一個適用於大規模問題求解的演算法，同時還要具備複雜問題的精確計算能力。這種情況下面臨的難點與挑戰主要有：
·單一的電磁演算法無法解決電大尺寸與複雜細節並存的問題
·傳統的網格剖分技術無法應對龐大且複雜的幾何細節
·大規模問題的求解，需要高效的平行運算技術與匹配的運算能力
為克服這些挑戰，採用可以結合各種演算法優勢的混合求解法，是必然的選擇。如利用有限元演算法(FEM)對於天線類複雜問題進行精確求解，積分方程法(IE)對於電大尺寸金屬體的電流映射求解，彈跳射線法(SBR)對於超電大尺寸問題的高頻近似求解等。通過幾種演算法的自由組合，可以恰到好處地解決電大尺寸複雜問題的演算法難點。
三維電磁場模擬軟體HFSS恰巧具備上述多種演算法的天然優勢，其內建的主要演算法模組包括有限元演算法、積分方程法、彈跳射線法、物理光學法(PO)及時域演算法。除了時域演算法以外，其他演算法借助於DDM域分解並行技術，均可同時應用於同一個問題或模型的求解，即混合演算法的協同模擬模式(圖1)。
高效網格剖分技術縮短作業時間
電磁模擬軟體的不斷進步，離不開電腦技術的高速發展。若要將複雜的電磁模型，描繪出可以讓電腦識別並自動計算的語言，則離不開數值計算與離散化的網格模型。HFSS電磁模擬軟體支援強大的自我調整網格剖分技術，以自動化與精確化的特點，在模擬領域廣為人知。
HFSS軟體2019 R2版本中，推出了新型的Flex Mesh技術(圖2)，可以極大的提高初始網格的劃分效率，降低演算法對模型幾何體品質的要求，從而大大縮短了大尺寸複雜模型的模擬時間，節省了工程師花費在修模型、簡化模型的大量工作，解決了傳統的單核網格劃分在應對大尺寸複雜模型時的低效率、高耗時問題，如複雜多層饋網的大型微帶陣列天線、大型複雜載體的多天線布局等。
多樣化的平行計算
HPC高性能計算，是所有ANSYS軟體並行技術的統稱。隨著大型叢集運算技術的不斷發展，ANSYS軟體的平行計算也在逐步改善與進步。
HFSS電磁模擬軟體目前支援的平行求解有多執行緒的共用記憶體式計算、分散式記憶體的矩陣計算、區域分解法的平行計算、GPU加速等。
另外，還有一種叫作DSO的任務分散式加速技術，可以實現頻率掃描的多頻點平行模式，以及參數掃描與優化中的多參數平行模型。DSO可以大大加速在頻掃與參掃等多工求解問題，充分利用硬體資源，進一步為設計探索提供更有利的高效加速計算。
合理的硬體資源配置
在進行大規模模擬問題的求解時，硬體資源配置(圖4)是實現軟體高效平行計算的最終執行體。根據模擬軟體的計算特點，配置合理的硬體計算資源，是實現大規模問題的高效率計算的前提，也是資源利用最大化、節省成本必不可少的關鍵。
HFSS軟體在網格剖分、自我調整反覆運算、頻率掃描、參數掃描等一系列的求解過程中，對硬體資源中的CPU、記憶體、硬碟、顯存、網路等的依賴度，理論上，當然是所有的硬體指標都越高越好，但是，如果預算有限，非要取捨的情況下，建議按照以下的優先順序考慮：首先是CPU頻率、其次是CPU數量，然後是記憶體、固態硬碟、機械硬碟、獨立繪圖記憶體、高速網路。值得注意的是，硬體配置需要均衡，因為問題的有效求解，是硬體資源整體平台的能力，不是某個單一元素的能力決定。
在同等求解規模，且資源足夠的情況下，單機求解通常要快於多機求解，工作站的求解速度也比叢集式超級電腦。具體原因主要是網路的資料傳輸問題，以及叢集式電腦的CPU因多核散熱問題，時脈通常都比較低，約在2.2到2.8GHz左右。作為對比，工作站所使用的CPU，目前時脈最高已超過4.0GHz。所以，要採用多機平行處理或使用叢集平台運算的話，一定要配置高速率的交換機或路由，以及高規格的網路等。
典型場景下的模擬詳解
高頻電磁場模擬在5G應用的開發過程中，主要集中在天線布局、訊號覆蓋與場景感知三大領域，以下將簡單介紹在進行這三大類模擬作業時，工程師所遇到的挑戰，以及如何解決問題的方法。
天線布局
將天線裝載到一定的應用環境或場景中，分析載體或環境因素對天線性能指標的影響，驗證天線設計指標是否真正滿足實際需要；並根據模擬或測試結果，調整天線的安裝位置，尋求最佳天線性能的布局方案，稱之為天線布局和優化設計，如機載天線布局、車載天線布局、星載天線布局等。
天線布局分析關注的仍是天線本身。遇到這類問題，我們首先要考慮的，不是天線的載體或環境有多複雜，多徑效應多難分析，模擬規模有多大等，而是我們設計的天線，究竟屬於哪種類型，電尺寸大小如何，敏感度如何，是否容易受到環境干擾。
在進一步討論這個問題之前，必須先對「電小天線」(圖5)的定義進行說明。所謂電小天線，主要指天線的最大幾何尺寸遠小於工作波長的天線。一般來說，天線的最大幾何尺寸若小於工作波長的1/10或1/(2π)，就屬於電小天線範疇。電小天線的種類很多，如手機天線、耳機天線、手錶天線、Wi-Fi天線、GPS天線、北斗導航天線等。
許多工程師可能都遇過電小天線模擬結果不準確的情況，甚至有電小天線「模擬無用」這種極端的說法。會導致電小天線的模擬結果跟實際狀況出現顯著誤差，關鍵原因在於天線設計好之後，裝載到手機、電腦等終端設備上時，性能曲線會「大變臉」，導致原本的天線設計變得毫無用處，不得不用現場「手術」或「切銅皮」的方法來補救。許多熟悉這些工作的資深工程師，也因而成為同事口中的「銅皮大師」或「一刀切」高手。
而其根本原因還是在於電小天線的“小”和敏感變高等。相比於天線的載體或工作環境，天線的尺寸遠小於波長；而載體或環境中的某個金屬結構，反而更接近於工作波長，更易諧振於工作頻率。再考慮到電小天線的方向圖，都屬於類似於蘋果型的全向型，易受干擾，敏感度高。
所以，電小天線布局問題的解決方法，就是把載體與工作環境，當做天線的本身進行一體化設計，在設計天線的時候，就充分考慮天線的PCB結構、殼體、人體模型等環境因素的影響(圖6)。
而天線陣列的布局分析，與電小天線正好相反。由於陣列天線的「地」夠大，陣列元素也多，方向圖波束一般都很窄，容易受到環境影響的因素不多或很少。這樣一來，載體或環境因素對天線本體的性能影響，是非常有限的。
天線布局分析，也僅僅是一種驗證的流程而已。例外的情況也有，主要是天線近場區加裝天線罩問題，如汽車雷達天線罩加上保險桿的模擬等。
信號覆蓋
天線設計完成後，評估其在具體的工作環境中，天線發出電磁波信號的有效覆蓋範圍。如5G領域的基站天線信號覆蓋、星載導航天線的地面覆蓋範圍等。
信號覆蓋問題的分析，關注的不再是天線本體，而是電磁波從天線發出後，到達目的地區域的信號衰減，哪些是在可允許範圍內，哪些超出了這個範圍。
這類超大尺寸問題的模擬分析，全波演算法不再適用，而要借助純光學求解器SBR+。目前SBR+求解器已整合在HFSS軟體，可用于求解天線布局、汽車無人駕駛場景模擬等。
對於一個暫態手機信號訪問量巨大的公共場所來說，如體育場，在常規的基站覆蓋條件下，GSM網路通信的暫態傳輸速率是遠遠不夠的。因此，對於新型的智慧體育場(圖7)來說，有效動態覆蓋的智慧小基地台組合，是一個不錯的解決方案。圖7的案例即是利用ANSYS電磁軟體HFSS中的SBR+技術，進行小基站動態覆蓋的模擬驗證，以滿足最小組合配置的前提下，動態覆蓋效果實現最佳。
另外，除了滿足手機信號傳輸規模以外，更高效的Wi-Fi網路信號覆蓋，是解決公共場所更大規模資料傳輸的必要手段。圖8是智慧體育場Wi-Fi網格布局優化與信號覆蓋的模擬驗證，主要考慮的是，在兩個Wi-Fi天線正常工作的情況下，設計出Wi-Fi信號對下方照射區的信號覆蓋最大化，而且不能產生盲區。
場景感知
接收並檢測天線發射電磁信號的回波資料，通過一定演算法識別或感知場景中的目標特性資訊。如雷達散射截面積RCS與ISAR成像、無人駕駛中的微波場景成像等。
ANSYS HFSS軟體從2018.0版本開始，內建的SBR+求解器就開始應用於RCS模擬。主要針對多金屬結構體或帶塗覆層的金屬體，只要在HFSS建模環境下，設置目標體為SBR-Region，即可進行快速的RCS求解與腳本成像。由於SBR+求解器，依賴於光學射線的彈跳計算，不進行網格反覆運算，對於RCS問題的求解相當快捷。
而自2018.2版本以後，HFSS軟體新增加了SBR單獨的模擬環境，可以建立理想的天線源，也可以導入模擬好的天線方向圖結果，進行道路場景的動態參數掃描與頻率掃描分析。然後通過腳本功能進行IFFT變換為時域資料，得到ISAR、Range Profile、Water Fall、Range Doppler等成像結果。
模擬作業必須選擇最適方法
5G應用場景中的天線布局、信號覆蓋以及場景感知等電大尺寸問題的求解，也要看具體的問題來選擇合適的流程與方法。這裡主要從天線布局、信號覆蓋、場景感知等應用角度，給出了一些模擬的建議與軟體的解決思路探討，供各位業內同仁參考。
(本文作者任職於Ansys)
