Мир наполнен разговорами об интеллектуальных беспроводных системах пятого поколения. Разработчики стандартов утверждают, что системы 5G будут иметь еще большую скорость передачи данных, высокую скорость установления соединения и низкую задержку при передаче данных, что позволит эффективно обрабатывать данные в режиме реального времени. В связи с этим у инженеров должен быть инструмент, позволяющий производить разработку широкополосных антенных систем. С помощью HFSS инженеры могут достаточно легко и наглядно произвести разработку антенной системы для 5G сети за восемь шагов. Кроме того HFSS может помочь оптимизировать такие параметры антенны как:
Gain (коэффициент усиления) - характеристику, показывающую направление с максимальным уровнем излучения сигнала;
Beam steering (управление перемещением луча) - характеристику, показывающую способность изменять направление основного лепестка диаграммы направленности. Управление лучом осуществляется как правило путем измерения относительных фаз радиочастотных сигналов, управляющих элементами антенной решетки:
Return loss (обратные или возвращаемые потери) - это количество энергии, отраженной от антенны обратно в сторону источника питания.
Side lobe level (уровень боковых лепестков) - нежелательные направления, в которые посылается сигнал.
Как правило в результате проектирования антенной системы, инженеры получают управляемую антенную решетку, имеющую определенный коэффициент усиления с требуемым минимальным уровнем боковых лепестков и требуемыми обратными потерями.
Этапы проектирования антенной решетки в HFSS
Шаг 1. Нахождение оптимального элемента антенной решетки с использованием HFSS Antenna Toolkit
Первым этапом при создании антенной решетки для приложений 5G является нахождение оптимального элемента антенной решетки. Достаточно легко и наглядно это можно сделать с использованием HFSS Antenna Toolkit, включающего в себя несколько десятков моделей типовых антенн, готовых к расчету в HFSS. Выбранный элемент в дальнейшем будет продублирован и включен в конечный массив антенн:
При работе с Antenna Toolkit инженер выбирает нужное семейство антенн из библиотеки и наиболее подходящую конструкцию. Затем следует ввести рабочую частоты и свойства подложки. После этого инструментарий автоматически предоставит инженеру начальную геометрию антенного блока. HFSS также рассчитает усиления и обратные потери выбранного устройства.
Шаг 2. Добавление элемента решетки в массив
После выбора элемента решетки, его можно преобразовать в периодический массив. Размещение элементов решетки в массиве увеличивает усиление. На усиление антенной решетки, обратные потери и уровень боковых лепестков также влияет близость элементов антенны в решетке. Изменяя относительное положение антенн, инженеры могут оптимизировать характеристики решетки.
После выбора оптимальной конфигурации массива, инженеры могут преобразовать бесконечный (идеализированный массив) в массив конечного размера. На скриншоте ниже создается квадратная антенная решетка размером 16 на 16 элементов:
Шаг 3. Создание антенной решетки конечного размера с помощью метода Domain Decomposition Method (DDM)
На следующем этапе производится описание характера взаимодействия элементов антенной решетки друг с другом в массиве. Здесь производится настройка краевых граничных условий. Это моделирование выполняется с использованием метода DDM (декомпозиции доменов).
Если у вас есть доступ к пакету высокопроизводительного вычисления HPC (High-Performance Computing), то вы сможете распараллелить вычислительные нагрузки каждой клетки антенного массива. После создания сетки, HFSS можно использовать для оптимизации параметров антенн: коэффициента усиления, боковых лепестков и т.д.
Шаг 4. Расчет угла луча антенной решетки
В HFSS есть встроенный калькулятор углов для определения фазовых сдвигов, которые необходимо задать для определения направления формирования луча. В качестве исходных данных калькулятор принимает частоту сигнала и углы сканирования:
Приведенный выше калькулятор определяет соотношение между антеннами в решетке и конкретными углами сканирования луча на основе сетки, созданной на третьем этапе.
Шаг 5. Разработка схемы антенной решетки
На пятом шаге производится разработка способа распределения энергии по всему массиву. Сначала инженер определяется с соотношением фаз и амплитуд, а затем происходит разработка сети электропитания массива в рамках HFSS. Схема питания антенной решетки приведена на рисунке ниже:
Так как инженеры могут менять схему распределения мощности массива, они могут видеть, как каждая итерация влияет на амплитуду и фазу. После того как каждый элемент массива подключен и проведена оптимизация, можно приступать к объединению проекта в единую симуляцию.
Шаг 6. Объединение всей модели в единую симуляцию
Теперь инженеры могут подключить модель конечных элементов (созданную на третьем шаге) к расчетам угла пучка (четвертый шаг) и сети электропитания (пятый шаг). Фазовращатели могут быть выбраны из библиотеки компонентов на основе фазовых углов, вычисленных на четвертом шаге. Затем инженеры могут выполнить линейный анализ сети LNA (Linear Network Analysis), чтобы оценить возвратные потери для этого почти завершенного моделирования.
Шаг 7. Пушим антенную решетку в HFSS
Теперь инженерам необходимо перенести результаты возбуждения от LNA в HFSS. Другими словами, несоответствие потерь из питающей сети передается в HFSS в виде значений амплитуды и фазы. Результаты затем наносятся на график как системное усиление. Ниже приведен рассчитанные график коэффициента усиления gain:
Шаг 8. Тестирование разработанной антенны в реальной среде
Последним шагом в проектировании антенной системы является оценка ее характеристик в реальной среде. Для этого им необходимо провести исследование системного уровня с использованием технологии стрельбы и прыгающего луча (SBR) HFSS. В этом исследовании проверяется способность антенны отправлять и принимать сигналы в большой среде, например в условиях городской застройки.
Последний этап проектирования можно реализовать в программном пакете ANSYS SAVANT, либо в HFSS с использованием решателя SBR.
CAE Expert Интегратор технологий ANSYS в России и СНГ
Поставляем программное обеспечение ANSYS, оборудование и технологии. Проводим обучение специалистов предприятия. Производим инженерные расчеты.
