Анализ взаимного влияния радиосистем в EMIT

Аватар пользователя Денисов Дмитрий
0 205

При разработке электронных устройств, которые включают в себя встроенные беспроводные технологии и часто содержит несколько систем радиосвязи для связи, передачи данных и навигации. Необходимо обеспечить правильную работу всех этих беспроводных функций в непосредственной близости друг от друга, которые могут быть источниками радиочастотных помех для беспроводной сети, приводящие к помехам в приемнике или Desense. Desense – это показатель помех, который EMIT может вычислять и отображать. Значение desense указывает, насколько общая мощность внутриполостных помех (узкополосный и широкополосный компоненты) превышает чувствительность Rx.

При анализе электронных устройствах важно наличие точных широкополосных данных электромагнитной связи, которые характеризуют связь между всеми антеннами и между дорожками на печатных платах и антеннах. Все это можно получить из полно-волнового моделирования, выполненного в ANSYS HFSS, который включает антенны, печатные платы и физическую конструкцию самого устройства. Затем модель HFSS может быть динамически связана с EMIT, а порты антенны и дорожки к портам HFSS подключены к RF-системам и эмиттерам EMIT для моделирования.

В этой статье расчеты выполняются с помощью ANSYS EMIT для моделирования взаимодействия электромагнитной связи радиочастотных систем. Рассмотрим упрощенную модель сотового телефона. Телефон включает в себя четыре разные антенны и несколько дорожек на печатной плате, как показано на рисунке ниже.

На практике фактическая печатная плата будет гораздо более сложной, чем упрощенная версия, показанная здесь для демонстрационных целей. Для простоты расчетов внесем допущение, что корпус телефона и другая физическая структура не берутся в расчет и не показаны на рисунке. Для оценки электромагнитной совместимости, в данном проекте будем использовать объектовую оценку группировки РЭС, которая используется в случае расположения РЭС на одном объекте. В ANSYS EMIT был создан проект, который включает себя четыре антенны. Антенна GPS для глобального позиционирования, которая работает только на прием, Wi-Fi и Bluetooth антенны имеющая приемник и передатчик. Отдельно стоит отметить антенны для сотовой связи, она стоит одна и одновременно может работать только на одном стандарте связи. На рисунке ниже представлена диаграмма взаимодействия антенн:

В данном примере при создании радиосистем учитывался пассивный шум (Enable Passive Noise), а усиление уровня теплового шума (Enforce Thermal Noise Floor) отключено. Последний контролирует, допустимо ли падение уровня широкополосного шума ниже минимального уровня теплового шума для текущего проекта. Ниже рассмотрим более подробно настройку радиосистем.


Антенна для GPS работает только на прием и имеет две несущие частоты L1 и L2, конфигурация антенны состоит из передатчика и антенны. Пример настройки GPS в EMIT представлены на двух рисунке ниже:


Следующий узел в дереве проектов это Wi-Fi. Здесь настроен передатчик и приемник для стандарта 2,4 ГГц, так как он на сегодняшний день по-прежнему является популярным и большинство мобильных устройств работает именно на нем. Конфигурация технологии Wi-Fi представлена на рисунке:

Для сотовой связи в современном смартфоне используется только одна антенна для всех стандартов. В созданной радиосистеме передача данных и вызов может происходить с использованием одного из трех стандартов. Большинство операторов не стали отказываться от стандарта GSM и он до сих пор используется в местности, где не очень развита сетевая инфраструктура. В проекте для стандарта GSM передатчик работает на частоте 880-915 МГц, а приемник на 925-960 МГц, данные частоты были выбраны исходя из территориального распределения частот сотовых операторов. В ANSYS EMIT так есть функция автоматического подбора частот для приемника, учитывая уже заданные параметры для передатчика. Для стандарта UMTS были выбраны частоты 1930-1990 МГц для передатчика и 1850-1910 МГц для приемника. Более современный стандарт связи LTE может работать в диапазонах 2600 МГц, 1800 и 800 МГц. Чтобы оценить влияние других радиосистем, были выбраны частоты 2620-2690 МГц. Стандарт 5G не используем в проекте, так как в настоящее время он не внедрен повсеместно. На рисунке ниже представлена радиосистема и конфигурация для технологии LTE:

Радиосистема для технологии Bluetooth представлена на рисунке ниже. Данный стандарт работает в диапазоне 2402-2472 МГц и имеет 79 каналов шириною по 1МГц

После запуска расчетов, механизм EMIT выполняет анализ потока мощности для широкополосных сигналов, исходящих от Tx и проходящих очень сложными маршрутами, к каждому Rx. Каждый Rx EMIT сравнивает спектр принимаемого сигнала с чувствительностью Rx для вычисления нескольких показателей помех EMI Margins, Sensitivity, Desense или Availability, для количественной оценки помех на Rx. Каждый раз, когда спектр сигнала встречается с негативным эффектом, он изменяется широкополосными характеристиками компонента, включая потенциальные нелинейные эффекты. Каждый спектр сигнала в EMIT содержит как узкополосные, так и широкополосные элементы.  Для прогнозирования взаимных влияний от созданных радиосистем EMIT рассчитывает запас EMI, который является метрикой и сравнивает уровень мощности принимаемых помех с чувствительность приемника. EMIT рассчитает три различных поля EMI, чтобы определить причину любых помех: Точка EMI Margin, Peak I n-Band EMI Margin, и Noise I n-Band EMI Margin.

Проект состоит из четырех приемников и трех передатчиков.  Из-за нелинейности таких устройств, как усилитель мощности, могут возникать нежелательные продукты интермодуляции, которые могут вызывать помехи, даже если отдельные сигналы этого не делают. В широком смысле интермодуляция – это взаимодействие между двумя или более частотами, проходящими через активную или пассивную нелинейную электрическую цепь или через любой компонент, который генерирует нежелательные частоты. В матрицу сценариев добавим сценарий N-on-1, где будет оцениваться влияние двух передатчиков на один приемник. Таким образом, всего получится 2,349,881 комбинаций каналов. Произведем расчет проекта и оценим результаты. На рисунке ниже представлена матрицы сценариев созданного проекта:

Матрица сценариев наглядно отображает, где электромагнитная совместимость соблюдается, а где нет. Некоторые технологии при совместной работе не имеют помех, но при одновременном воздействии нескольких передатчиков на приемник, возникают электромагнитные помехи. Помимо этого, на диаграмме взаимодействия отражен путь, который вносит наибольший вклад в ЭМО. На рисунке ниже представлена диаграмма взаимодействий и маршрут прохождения помехи:

Рассмотрим результаты расчетов более подробно. Приемник GPS имеет хорошую электросовместимость с другими технологиями и даже имеет запас в 4,9. Но при работе несколько передатчиков и приемника GPS возникают помехи, о чем нам сигнализирует красный цвет квадрата, на диаграмме взаимодействий. Видно, что происходит смешение частот передатчика для сотовой связи и Wi-Fi, из-за чего возникает частота близкая к несущей для приемника GPS. На рисунке ниже отображено прохождение сигнала при котором возникает помеха, имеющая наибольше влияние на систему:

Более детально можно посмотреть на итоговом графике.  Положительный уровень помех внутриполосного шума указывает на помехи на приеме. Это происходит, когда общая мощность из-за широкополосного шум в канале Rx превышает восприимчивость Rx. В легенде к графику указывается негативное влияние в размере 10.5 dB, из-за совместной работы нескольких передатчиков возникли частоты интермодуляции, а именно на f1-f2, возникла частота 1542 МГц близкая к несущей частоте L1 для приемника GPS. На рисунке ниже представлен результирующий график:

Один из способов для устранения данного вида помехи это поставить фильтр. В данном примере продукты интермодуляции 2-го порядка возникают из-за усилителя в конфигурации антенны для сотовой связи. Из-за нелинейности данного элемента чаще всего возникают помехи и негативное влияние на полезный сигнал. Для устранения продуктов интермодуляции было решено поставить режекторный фильтр после усилителя, а его настройка была произведена относительно результатов графика выше. На рисунке ниже представлена обновленная конфигурация для антенны сотовой связи и графика фильтра:

После пересчета проекта, приемник GPS не испытывает помех и имеет некий запас EMI.  Матрица сценариев показывает, что полосовой фильтр устранил помехи, как показано на рисунке:

Детальный сценарий включают в себя матрицу сценариев, диаграмму взаимодействия, детали сценария, график результатов и классификацию результатов. Еслм выбрать один Rx GPS в правом дереве и «All» в дереве Tx, то EMIT покажет метрику помех и цветовое обозначение, что электромагнитная совместимость соблюдается и есть небольшой запас 4.4:

Таким образом,был создан проект, состоящий из четырех радиосистем, которые часто встречаются в мобильном устройстве. Выявлено, что влиянию подвержены не только радиосистемы, которые используют одни частоты. При расчете электромагнитной совместимости необходимо учитывать весь проект целиком, чтобы оценить все влияние. По результатам диагностики были выявлены передатчики и приемники, которые испытывают помехи при совместной работе. Был создан отдельный сценарий для анализа влияние нескольких передатчиков на один приемник. В качестве примера был выбран приемник GPS, который был подвержен влиянию передатчиков от сотовой связи и Wi-Fi. Также рассмотрены меры устранения помехи. Режекторный фильтр помог устранить нежелательное взаимодействие других передатчиков. В результате для передатчика GPS соблюдается электромагнитная совместимость и имеется запас от негативного влияния в 4.4 дБ.

 

 

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии