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天線/訊號處理越靠越近 設計模擬面臨新挑戰

文‧黃繼寬 發布日期:2018/10/11 關鍵字:AiPSimulationAnsys毫米波

對無線通訊設備而言,天線是一個必要卻必須小心處理的元件。傳統上,為了避免訊號收發受到干擾,天線周圍多半會有淨空區,讓天線跟其他電子元件或金屬保持安全距離。而隨著技術進步,天線周圍的淨空區越來越小,甚至發展出無淨空區的天線方案,使得天線得以跟其他元件比鄰而居。然而,天線跟訊號處理單元越靠越近,在工程上仍是一大挑戰。

安矽思(Ansys)產品管理總監Larry Williams表示,相信所有從事無線通訊應用開發的工程師都能感受到天線跟訊號處理單元越靠越近的產品設計趨勢。展望即將到來的5G通訊時代,由於導入毫米波通訊技術,巨大的線路損失使得天線必須跟射頻前端(RF Frontend)整合在同一個封裝中,這為晶片設計跟封裝業者帶來極大的設計挑戰。

Williams進一步解釋,因為採用Antena in Package(AiP)技術,工程師在開發毫米波通訊解決方案時,將更依賴精確的模擬工具,而不是等到產品設計完成,原型(Prototype)裝置生產出來後再來針對實物進行量測。因為這種整合了射頻前端跟天線的複雜模組,除了只能用OTA手法來測試之外,還有很多行為參數根本無法用實測的方式取得,只能靠模擬工具估算。

事實上,回顧無線通訊的發展歷史,模擬跟模型在工程師研發的過程中,扮演的角色越來越吃重的。在西元2000年前後,無線通訊業界開始探討用CMOS設計RF電路的可行性,但當時由於缺乏準確的模擬工具跟模型,設計工程師很難掌握RF CMOS元件的行為模式,因此設計開發的速度難以取得突破。直到可靠的RF CMOS模型出現後,RF CMOS元件的開發才得以加速。如今,用CMOS製作RF電路,對業界已經幾乎不成問題。

Williams認為,AiP將會循著RF CMOS發展的歷史軌跡前進。因為目前讓業界感到棘手的AiP設計難題,答案也是模擬工具跟模型。有鑑於此,Ansys早早就已經投入開發相關工具跟解決方案,並已經有產品可以提供給客戶。

目前對Ansys來說,下一個挑戰是天線、射頻前端跟訊號處理單元的終極整合。有些走得比較快的毫米波通訊技術開發商,已經在著手挑戰這個難題。Williams也坦言,目前Ansys還沒有對應的工具可以滿足這類客戶的需求。但這是無線通訊未來必然的發展方向,因此Ansys將會跟這些前瞻型的客戶密切合作,以推出相關對策。

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