CST STUDIO SUITE模拟5G智能手机 FCC认证

5G FCC 认证可能是一个漫长而昂贵的过程。仿真可以取代耗时且不切实际的测量，从而显著加快认证速度。

在美国销售的每台无线电设备都需要 FCC 认证才能安全运行。要求它不会产生会干扰其他设备的电磁干扰 （EMI），它可以容忍来自其他设备的干扰（也称为电磁兼容性或 EMC），并且用户不会暴露在超过规定水平的电磁场中。为确保安全，FCC 规定了智能手机的最大允许暴露量 （MPE）。在 5G 频段中，这是通过测量设备的空间功率密度来确定的。这意味着每部智能手机、每台笔记本电脑、每台无线设备都需要经过严格的测试才能出售。认证所需的物理测试可能是一个缓慢且昂贵的过程，如果产品未通过测试，那么最后阶段的重新设计可能会大大增加开发成本并延迟发布。因此，领先的制造商越来越多地使用仿真来取代认证过程中的测试。

仿真具有以下几个优点：

• 比构建原型和物理测试更快的周转时间

• 降低成本，尤其是在更改设计并且原型需要返工的情况下

• 认证测试可以在开发的任何阶段进行模拟，并将结果用于指导设计，从而降低失败风险并增加对最终设计通过的信心

FCC 在用于认证设备的支持文件中接受仿真数据。这篇博文概述了电磁仿真工具CST Studio 套件用于智能手机等 5G 设备的 MPE 认证过程。

通过模拟获得 FCC 认证

传统上，FCC 批准的申请由测试实验室的测量数据提供支持。然而，近年来，仿真结果越来越多地被接受为补充和替代测量，以加快认证过程。如果显示模拟与最坏情况下的测量一致，则可以接受其他情况下的模拟结果来代替测量。

5G 是最新一代的蜂窝数据协议，为认证带来了特殊的挑战。毫米波 （mm-wave） 5G 的工作频率比其他蜂窝频段高得多——从 24 GHz 到 40 GHz，对应于 12.5 毫米到 7.5 毫米的波长。5G 还利用了相当大的天线分集和智能天线阵列，采用波束成形和多输入多输出 （MIMO） 等技术，这些技术使用分布在设备上的多个天线。由于这些天线系统的共址交互，特别是使用最新的调制解调器 RF 系统技术，因此必须模拟整个电话，而不仅仅是天线本身。这需要一个强大的求解器，该求解器具有仿真如此复杂且电气大型系统所需的效率和性能。

在这些条件下测量功率密度需要大量且不切实际的时间 - 在一个频点进行一次测量可能需要数小时，并且需要测量多个频段的许多方向和频点。仿真提供了一种更快的方法来计算功率密度，以便分析 RF 暴露。CST Studio Suite 的高效求解器、高性能计算 （HPC） 和云功能可加速仿真，节省大量时间，并允许用户一次性仿真整个设备。

工作流

该过程的第一步是设计 5G 天线并将其集成到手机中。这超出了本博客文章的范围，但有关更多信息，请参阅我们关于智能手机 5G 天线设计的白皮书.智能手机的 CAD 模型可以直接导入 CST Studio Suite 中，以便快速进行仿真设置。电磁性能的所有方面都可以从同一个 CST Studio Suite 界面进行分析和优化。

CST Studio Suite 包括一个 5G 向导，该向导带有宏，可自动准备认证过程所需的仿真工作流程。这意味着天线端口可以根据密码本进行驱动，并且所有需要的监视器都是自动设置的。我们可以自定义码本转换脚本，以特定客户所需的格式读取和生成数据。

在垂直于智能手机的平面上模拟 sPD。

TLM – 5G 认证工作的最佳解决者

由于毫米波的波长较短，因此 5G 仿真通常需要一个非常精细的网格，其中包含大量网格单元来表示场行为，因此需要大量的计算能力。此外，许多智能手机使用 5G 传输技术，该技术假设多个天线分布在设备上，这意味着模拟需要覆盖整个设备，而不仅仅是包含单个天线的部分。CST Studio Suite 中的传输线矩阵 （TLM） 求解器具有极高的内存效率，可以处理比其他数值方法大得多的仿真。

智能手机上三种不同天线的近场图。

TLM 求解器允许使用和调整非常精细的网格以适应复杂的几何形状，同时将开放空间中的单元聚集在一起，远离感兴趣的细节。下图显示了如何通过集总减少网格渗出，以及模型的每个部分都使用最佳网格分辨率。这降低了详细的大型电气高频仿真的计算要求，意味着 CST Studio Suite 特别适合 5G 认证。GPU、集群和云计算等 HPC 选项可以显著加快仿真速度，以仿真包括所有天线和组件在内的整个设备。

在下面显示的测试案例中，TLM 单元集总能够将高精度智能手机上的网状单元数量从 1.27 亿个单元减少到仅 500 万个。考虑到所有天线端口和所有频率，整个模型在两个小时内就解决了。

TLM 网格翘曲

用于模拟演示 5G 智能手机的网格，在 TLM 网格集总之前（顶部）和之后（底部）。

5G KPI 后处理

用于天线设计的模拟 CDF 与 EIRP

5G 向导会自动创建并执行后处理模板，用于计算天线设计 KPI（如累积分布函数 （CDF） 与等效全向辐射功率 （EIRP））和认证 KPI（如空间功率分配 （sPD）。可以确定最坏的情况，并通过对所有不同的波束求和来计算贡献。可以将模拟的 sPD 与法规中规定的限值进行比较，以确定器件是通过还是失败。

一旦计算出最坏情况下的 sPD，就可以在测试实验室中进行测量。只要最坏情况的测量值与仿真结果紧密一致，则通常可以接受整套仿真结果。这大大减少了所需的总测量次数，从而节省了大量时间。

仿真和分析完成后，仿真结果可以像测量结果一样纳入 FCC 认证的支持文件。您可以在 FCC 网站上本文件的“模拟报告”中看到使用 CST Studio Suite 模拟数据向 FCC 申请 5G 智能手机射频暴露认证的真实示例。

结论

5G FCC 认证可能是一个漫长而昂贵的过程。仿真可以取代耗时且不切实际的测量，从而显著加快认证速度。

CST Studio Suite 非常适合 5G 模拟，具有专用的 5G 向导和用于计算 5G KPI 的工具箱。其 TLM 求解器和 HPC 功能可以在毫米波频率下快速执行具有多个天线的整个智能手机的大型复杂仿真。领先的制造商正在使用 CST Studio Suite 来支持其产品的 FCC 认证，以降低成本并加快其上市速度。