3D Component Antenna Arrays

Здесь мы рассмотрим некоторые функции, введенные в версии 2020 R1 для HFSS. Речь пойдет о 3D Component Antenna Array, которую впервые внедрили в 2019 R3. Это довольно производительный подход для расчета антенных решеток. Он расширяет возможности многих приложений, в частности антенных решеток миллиметрового диапазона, которые стремительно внедряются в системы 5G. Это нововведение по сути является расширением или усовершенствованием давно внедренной технологии DDM, известной как декомпозиция доменов:

Технология DDM была введена примерно восемь-десять лет назад, открыла новые возможности и позволила считать более крупные размеры моделей антенных решеток с помощью HFSS. Она также позволила масштабировать моделирование и производить расчеты и распараллеливать их на нескольких машинах. В примере выше приведен пример моделирования для антенной решетки с 256 элементами для частоты 28 гигагерц, которая состоит из четырех секций 8х8 элементов, т.е. 64 элемента в под массиве. В этой антенной решетке учтены основные элементы конструкции:

• структура обтекателя конечного размера;
• боковые стенки;
• заземляющая плоскость антенн.

В 2019 году стало возможным использовать несколько типов ячеек в DDM-анализе. Другими словами, это позволяет вам определять разные антенные ячейки. Вы можете задать ячейки, которые представляют структуру обтекателя, боковые стенки в обтекателе и даже конечную протяженность плоскости заземления антенны, так что это действительно открывает возможность решать с помощью этой мощной технологии DDM очень сложные и большие конструкции, и, что особенно важно этот конкретный пример был решен менее чем за два часа на 128-ядерной кластерной системе HPC.

Таким образом, это довольно мощная технология позволяет решать сложные и большие модели на довольно скромных вычислительных ресурсах. Менее чем за два часа извлекаются поля и возбуждения для всех 256 элементов в этом массиве, поэтому, как только расчеты будут закончены, вы фактически получите всю необходимую информацию для этой модели на заданной частоте. В обновленной технологии декомпозиции доменов для решения антенных решеток произошло ослабление требований сетки. Этот анализ больше не требует наличия конформного соответствия по всей структуре. Нет абсолютного требования, чтобы сетка была конформной от элемента к элементу.
 

В дополнении к расширению общих возможностей решателя DDM были также сделаны некоторые улучшения, касающиеся настройки проекта:

• Теперь каждая из элементарных ячеек в антенной решетке определяется как 3D-Component. Но это просто способ взять своего рода подмножество вашего проекта и записать его в компактный файл проекта. Этот подход позволит собирать проекты более оптимально.
• Таким образом, вы создаете элемент массива, определяется его как 3D-Component и можете собрать сложную модель из системы различных 3d-компонентов. Допустим у вас будет часть 3D-компонентов для антенных элементов, часть 3D-компоненты для пустого пространства, 3D-компоненты излучающего обтекателя для боковых стенок и так далее. Затем вы сможете собрать эту систему воедино.

Теперь настройка 3D-компонентов для этого анализа не требует сложного определения периодических граничных условий. Сейчас вы можете сделать это, определяя набор, который мы называем последней парой, вы на самом деле просто выбираете две параллельные фазы вашей элементарной ячейки. И вы просто определяете пару решеток и координаты вектора UV, и все автоматически выполняется и этого будет достаточно для определения конечной геометрий.

Раньше требовалось много кликов, чтобы назначить границы Master-Slave. Сейчас требуется буквально пара щелчков мыши, чтобы настроить новое граничное условие для антенной решетки - Lattice Pair. Таким образом, с помощью этого подхода упростили назначение периодических граничных условий. И оно упрощает всю настройку проекта в целом.
 

Выше показано еще одно улучшение в работе с антенными решетками. Разработчики улучшили диалоговое окно «Маска антенны – Antenna Mask», теперь это диалоговое окно «Antenna Properties», по сути, является конструктором системы, где создаются наборы 3D-компонентов с решеткой и это помогает определить, из каких компонентов устройство будет собираться. А затем в диалоговом окне вы начинаете выбирать из выпадающего меню различные компоненты, чтобы заполнить различные части конструкции будущей антенной решетки.

В этом примере элемент номер один представляет собой массив 8 на 8 компонентов, а затем различные компоненты вплоть до 14 просто представляют и выполняют различные функции в общей системе. То есть вы можете просто сделать щелчок и перетащить элемент, заполнив нужные площади будущей решетки. Например, чтобы определить этот массив 8x8, просто щелкните и перетащите из верхнего левого угла в нижний правый угол после выбора компонента номер один. Здесь была добавлена цветовая кодировка, чтобы вам было проще понять, какие элементы где расположены в системе. Кроме того, можно разворачивать компоненты внутри массива и под массивов. Таким образом, работа с антенной решетка стала удобнее и позволяет создавать разные комбинации и проверять какая схема имеет лучшие характеристики.

Кроме того, после создания решетки мы больше не ограничены каркасным представлением виртуальных ячеек. Виртуальные ячейки можно визуализировать, что делает всю топологию антенны гораздо более наглядной (см. рисунок выше). И теперь обратите внимание на то, что после запуска этого моделирования можно визуализировать поля во всем массиве так же, как в стандартном подходе моделирования. И поэтому у нас есть все функциональные возможности для исследования полей модели и того, как они распространяются в проекте. Таким образом, у вас есть та же возможность, что и при стандартной настройке решения:

Ниже приведено сравнение этой технологии со своего рода стандартным явным решением. В этом примере массив шестнадцать на шестнадцать мы можем создать в явном представлении без применения 3D-компонентов, а затем с использованием DDM с 3D-компонентами. Справа изображены поля в дальней зоне, которые имеют хорошую сходимость. А для этой технологии 3D-компонентов DDM экономия памяти составляет 67%, а время моделирования меньше на 37%:

Конечно в сегодняшних вычислительных реалиях, доступны такие мощности и алгоритмы, что можно рассчитать массив 16 на 16 менее чем за час, используя явный решатель. И этот решатель DDM может решить эту проблему также с хорошей эффективностью, а также памятью и временем моделирования. Но если вернуться к массиву, который рассматривался ранее, состоящий из 256 элементов, который гораздо более сложный. Его можно было бы решить с помощью прямого матричного решателя, но это заняло бы очень и очень длительное время моделирования.

Это очень большая проблема, но DDM технология с поддержкой трехмерного компонентного решения, смогла решить этот очень сложный проект менее чем за два часа. И по мере того, как ваш дизайн становится все более сложным и становится все больше и больше, экономия, которую вы получаете от решающей технологии, существенно возрастает по экспоненте. Таким образом, вы действительно можете начать исследовать гораздо более масштабный дизайн, используя эту технологию DDM с 3D-компонентами.