5G 智能手机通过 Federal Communications Commission (FCC) 认证可能是一个漫长且昂贵的过程。通过仿真，可以用更快、更经济的方法来替代那些耗时且不切实际的物理测试，从而显著加速认证流程。

为什么需要仿真？

在美国销售的每一个无线设备，都必须获得 FCC 认证，以确保其能安全运行。认证要求包括：

  • 设备本身不会产生会干扰其他设备的电磁干扰 (EMI)；
  • 设备能容忍来自其他设备的干扰（即电磁兼容 EMC）；
  • 用户暴露在电磁场环境中时，其暴露水平不超过法规允许的最大值 (MPE，Maximum Permissible Exposure)。

对于 5G 频段，FCC 对用户暴露的判定通常通过测量设备发出的空间功率密度 (spatial power density, sPD) 来进行。这意味着，任何智能手机、笔记本、无线设备在上市之前，都必须通过严格测试。

然而传统的物理测试：

  • 测试流程缓慢、复杂；
  • 若测试未通过，需返工设计和改造原型机，成本和时间巨大；

因此，越来越多领先厂商开始用仿真方法替代部分 (或全部) 认证测试，以提高成功率、降低成本、缩短上市周期。

仿真相比传统测试，有以下几个主要优势：

  • 比构建原型机 + 物理测试更快；
  • 如果设计发生变更，仿真可重复执行，省去了重制原型机的成本；
  • 仿真可在产品开发的任意阶段运行，及时为设计提供反馈，降低失败风险，提高最终通过认证的可能性。

事实上，FCC 已经接受仿真结果作为认证资料的补充甚至替代传统测量数据。只要在“最坏 (worst-case)”场景下仿真结果与实测数据一致，那么对其它场景的仿真结果也通常被认可。

通过仿真实现 FCC 认证 — 方法与流程

对于 5G 手机这样复杂、高集成度的设备，仅仿真天线本身是不够的 —— 必须对整机 (手机 + 内部天线 + 射频模块 + 天线阵列) 进行模拟。原因在于：

  • 5G（尤其是毫米波 mmWave）频段频率高 (约 24 GHz–40 GHz)，对应波长 12.5 mm 到 7.5 mm，非常短。
  • 手机通常采用多天线 + 天线阵列 + beam-forming / MIMO 技术，这些天线间存在较强的 co-site interaction（共址耦合）问题。仅模拟天线而不考虑整机会忽略关键相互影响。

因此，需要一个高性能求解器 (solver) 来模拟这样一个“电气超大 / 高频 / 多天线 / 整机级”的系统，而不是只模拟单个天线模块。

使用 CST Studio Suite 的流程

  • 将手机的 CAD 模型导入 CST。整机结构 + 内部天线 + 射频模块一并导入，以便全面仿真。
  • CST 提供专门的 “5G Wizard” (向导) 和宏 (macros)，自动生成认证所需仿真工作流 (workflow)。这包括将天线端口 (antenna ports) 设为 codebook 驱动 (codebook-driven)，自动配置所有必需的监测 (monitors)，简化仿真准备过程。可以根据客户要求定制 codebook 转换脚本 (codebook-conversion scripts)，输出符合客户/规范要求的数据格式。

在垂直于智能手机平面的截面上所模拟的空间功率密度（sPD）分布

  • 在 mmWave 情况下，波长短，对几何结构要求高，网格 (mesh) 精度要求高。CST 的 TLM (Transmission Line Matrix) 求解器非常适合这种情况：它对复杂几何结构可以使用细网格 (fine mesh)，对于开阔空间 (free space) 则进行网格合并 (lumping)，显著降低求解规模，同时保证关键结构的仿真精度。

智能手机上三种不同天线的近场分布图

 

  • 借助高性能计算 (HPC)、GPU、云计算等资源，可对包含所有天线和组件、整机级的 5G 手机进行快速仿真。举例来说，在一个测试中，一部高精度智能手机的网格单元数从 1.27 亿 (127 million) 减少到 500 万 (5 million)，全模型 (所有天线 + 所有频率点) 求解时间低于 2 小时。

TLM 网格变形处理（Mesh Warping）

用于演示型 5G 智能手机仿真的网格：上图为处理前，下图为进行 TLM 网格合并（lumping）后的网格

用于天线设计的模拟结果：CDF（累积分布函数）与 EIRP（等效全向辐射功率）的对比图

仿真结果后处理 (Post-processing) 与认证判定

  • CST “5G Wizard” 会自动生成后处理模板 (post-processing templates)，用于计算关键 KPI (关键性能指标)，包括天线设计相关 KPI，如 EIRP (等效全向辐射功率, equivalent isotropic radiated power) 的累计分布函数 (CDF)；以及认证相关 KPI，例如空间功率密度 (sPD, spatial power distribution)。
  • 仿真可识别最坏情况 (worst-case scenario)，将多个波束 (beams) 的贡献叠加 (sum)，计算整体 sPD。然后将模拟的 sPD 与法规要求的限值进行对比，判断设备是否满足认证要求。
  • 如果仿真得到的最坏情况结果通过测试，再在实验室进行一次实际测量 (lab-based measurement) 并与仿真进行对比；只要二者 “相近一致 (close agreement)” 即可，剩余情形可直接以仿真结果代替物理测量，大幅减少测试量、节省时间与成本。
  • 最终，仿真报告 (simulation report) 可以作为 FCC 认证提交材料中的一部分，与传统测量数据一样被接受。实际上在 FCC 的公开申请案例中，已经有提交包含 CST 仿真数据 (RF 暴露认证) 的实例。

总结

  • 5G 的 FCC 认证流程传统上缓慢且昂贵。通过仿真 (virtual testing + simulation) 可以大幅提高认证效率、降低成本。
  • CST Studio Suite 是非常适合 5G 手机仿真的工具 — 它提供专门的 5G 向导 (wizard) 和 KPI 工具箱 (toolbox)，其 TLM 求解器 + HPC / 云计算 能快速处理包含多天线、整机结构、毫米波频率的大规模仿真任务。
  • 领先厂商正利用 CST 仿真支持产品认证 (FCC) —— 这样他们可以更快地将产品推向市场，同时降低因为后期不合规导致返工、延迟发布的风险。
1 月142026
通讯设备 (5G/6G)
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