HFSS SBR+. Настройка сценария многолучевого распространения при въезде автомобиля в гараж

Аватар пользователя Денисов Дмитрий
0 301

Сценарий, рассматриваемый в этой статье, имитирует заезд транспорта в гараж. На машине, в районе зеркала заднего вида, расположена антенна, излучающая электромагнитные волны на несущей частоте 4.7 ГГц (5G band n79). Антенна аналогичной частоты расположена в гараже. Все материалы приближены к реальным – корпус машины представлен в качестве проводника (металл), стены постройки выполнены из кирпича, а параметры плоскости на котором находятся модели, выступает в качестве асфальта. В данном сценарии представляет интерес влияние городских построек на распространение радиоволн и самого корпуса беспилотного транспорта. Для упрощения модели, другие источники не рассматриваются. Расчеты будут проводиться в два этапа:

  • моделирование с учетом гаражной двери на пути у сигнала, представленной в виде проводника.
  • моделирование без учета гаражной двери.

Для расчетов и моделирования будет использоваться программный пакет ANSYS Electrpnics Desktop (HFSS Design), метод расчета SBR+, готовые модели гаража и машины, материалы изделий взяты из существующей доступной библиотеки. Исходный вид моделируемой ситуации изображен на рисунке ниже:

В данном ПО необходимым условием является добавление систем координат, относительно которых будет проводиться расчет. Всего необходимо три системы координат: машина, антенна в машине, антенна в гараже. Удобно перевести единицы измерения проекта в метры, и придерживаться их в дальнейшем. На рисунке ниже изображен пример настройки систем координат для антенн, в данном случае, для той, которая находится в гараже:

Все системы координат создаются при помощи инструмента «Offset Origin» в панели «Draw». Сразу после нажатия левой кнопки мыши по иконке, возникает окно настройки системы координат. Всплывающие подсказки кратко описывают предназначение инструмента:

Такая настройка упростит дальнейшую подготовку проекта к расчетам. Следующим важнейшим этапом является назначение материалов и их свойств объектам. Если в библиотеке ANSYS нет подходящих доступных материалов поверхностей для проекта, то их можно создать самостоятельно, назначив необходимые свойства. Для этого, в панели «Draw», из предыдущего примера, существует раздел «Material». Затем нажав на базовый материал «vacuum», можно открыть список последних использованных, в котором будет вариант «Select», при активации которого откроется окно настройки нового материала «Edit material».
Существует другой способ создания и редактирования материалов. Для этого в выпадающем меню «Tools» в главной панели управления проектом, перейти к вкладке «Edit Libraries > Materials…». Вновь появится окно «Edit Material» в котором далее, можно выбрать «Add Material». Для нового материала возможно назначить множество свойств, такие как относительная диэлектрическая, магнитная проницаемость, тангенс угла потерь, проводимость и т.д.. Для примера, создадим имитацию бетона:

Остальные материалы создаются аналогично, либо выбираются из уже существующей библиотеки. Следующим шагом является применение свойств материалов к объектам. Для этого, необходимо использовать навигацию окна «3D Modeler Tree». Оно содержит иерархичную структуру всех объектов проекта, которые доступны для оперирования, и, настроенные ранее системы координат, вкупе с глобальной. 
Таким образом, выбрав объект «body» в иерархической структуре, или кликнув правой кнопкой по нему самому в окне моделирования, в выпадающем меню выбирается функция «Assign Boundary». Эта функция отвечает за настройку материалов для объектов, граничных условий для электромагнитных полей. Следующие материалы использованы в проекте:

- поверхность, на которой находятся модели, бетон;
- стены гаража, сэндвич панель;
- окна, двойное стекло;
- крыша гаража, брезент;
- корпус машины, нержавеющая сталь;
- диски машины, алюминий, идеальный проводник.
Окна машины в данном проекте не учитываются, и представляются в виде идеальной прозрачной среды. Пример настройки проводящего материала для корпуса машины приведен на рисунке ниже:

Когда все граничные условия заданы, применены необходимые объектам материалы и построены дополнительные системы координат, можно переходить к заданию области расчетов и параметров излучателей. Для задания области расчетов и выбора математического метода применяется функция «Assign Hybrid», находящаяся рядом с «Assign Boundary» в окне «3D Modeler». В выпадающем окне назначается регион для расчета методом SBR, после данной манипуляции лучше сохранить проект:

Для данного сценария необходимо настроить две антенны, на частоте из диапазона 5G. В качестве передатчика выступает антенна типа PIFA. Это плоская инвертированная-F патч-антенна с всенаправленной диаграммой. Она невосприимчива к излучению близко расположенных излучателей и с успехом применяется в портативных устройствах, таких как смартфон – идеальный выбор при плотной компоновке. В роли приемника, расположенного в гараже, можно использовать обычный диполь.
Для создания антенн в HFSS разработан специальный набор инструментов «HFSS Antenna Toolkit». Синтез обязательно сопровождается созданием отдельного проекта, но весь процесс автоматизирован, инженеру достаточно выбрать необходимый тип излучателя, ввести расчетную частоту, математическую область и нажать кнопку «Synthesis». Физические параметры будут рассчитаны автоматически, а после нажатия кнопки «Finish» запустится процедура расчета диаграмм направленности и других характеристик:

Для синтезированной антенны также необходимо настроить область расчетов, чтобы она не конфликтовала с основной, настроенной в главном проекте. В таком случае используется команда «CreateRegion» в окне «3D Modeler». Параметры области зависят от частоты функционирования антенны. Рекомендуется задавать размеры по осям таким образом чтобы они были приблизительно равны λ/10. В данном случае, используется частота 4.7 ГГц, что соответствует λ/10 = 0.683 см

Синтезированная антенна преобразуется в готовый компонент, путем выделения всех её элементов и выполнения команды «Create 3D Component». Все характеристики материалов, области расчетов и параметры антенны в виде диаграмм направленности сохранятся и будут доступны для использования в следующих проектах. Аналогичную процедуру синтеза антенны необходимо повторить для диполя.
Вернувшись обратно в основной проект, можно добавить получившиеся синтезированные антенны, в панели «Draw» необходимо выбрать «3D Component > Browse…», возникнет окно поиска проекта, в котором необходимо выбрать требуемую антенну. Затем программа выводит список параметров компонента и систему координат, к которой он будет привязан. В случае с PIFA антенной, необходимо привязаться к системе координат, созданной специально для этого. Если ближе рассмотреть модель машины, можно убедиться в том, что антенна размещена правильно:

После того, как аналогичным образом синтезирован и настроен диполь, можно приступать к настройкам расчетов. Чтобы определить, как HFSS будет осуществлять расчет структуры поля, необходимо произвести установку параметров решения задачи. Для одного проекта можно задать несколько разных установок. Каждая установка параметров включает следующую информацию:
- общие данные о решении задачи;
- параметры адаптивного измельчения сетки, если необходимо изменить характер измельчения сетки при плохой сходимости решения;
- параметры частотной развертки, если необходимо получить решение в диапазоне частот.
Чтобы произвести установку параметров решения задачи для данного проекта выполняются следующие действия. В дереве проекта выделяется узел «Analysis», и, из контекстного меню активируется команду «Add Solution Setup». Появится диалоговое окно установок Solution Setup. 
На закладке General задаются общие данные о решении:
- Setup Name - имя данной установки, под которым она будет фигурировать в дереве проекта (по умолчанию – Setup1);
- Solution Frequency - частота, на которой выполняется поиск решения;
- Maximum Number of Passes - максимальное число итераций (максимальное число циклов измельчения сетки) для получения решения с точностью;
- Maximum Delta S - параметр, который определяет критерий сходимости решения.
Поиск решения будет осуществляться по следующему алгоритму:
1) на заданной частоте производится начальная генерация сетки. В результате чего весь объем модели разбивается на конечные элементы. Конфигурация сетки и размер элементов определяются установками параметров, заданными в закладках «Options» и «Advanced»;
2) в узлах сетки вычисляется электромагнитное поле, которое удовлетворяет уравнениям Максвелла и граничным условиям;
3) рассчитывается обобщенная матрица рассеяния проекта;
4) выполняется процесс измельчения сетки, в соответствии с установками;
5) вычисляется параметр «Maximum Delta S», который характеризует степень различия матриц рассеяния, рассчитанных для двух соседних итераций. Если величина этого параметра становится меньше заданного значения, вычисления прекращаются. В противном случае они продолжаются вплоть до достижения заданного максимального числа итераций «Maximum Number of Passes».
Перед запуском процедуры вычисления, необходимо проверить все настройки и запустить проверку на наличие конфликтов:

Процесс расчетов занимает довольно продолжительное время, особенно, на портативном компьютере. Нет необходимости устанавливать максимально достоверные параметры, от данной модели требуется получить характер многолучевого распространения и поведение радиоволны при столкновении с препятствием. В результате работы алгоритма SBR, ANSYS HFSS строит множество лучей, исходящих из источника и имитирующих электромагнитную волну. Количество отражений в симуляции лучше ограничить до шести, тогда будет возможность построить однолучевую, двухлучевую и шестилучевую модели распространения.
Удобно рассмотреть и проанализировать двухлучевую модель. Изначальное условие задачи – дверь гаража закрыта, её материал является проводником, следовательно ожидается высокое количество отраженных лучей в сторону источника, так как волны сантиметровые, сверхвысокой частоты. Аналогичные расчеты можно провести для частот диапазона 2.4 ГГц Wi-Fi систем (дециметровые волны). В симуляции, обозначим зеленые лучи первичными, прошедшими без отражений, синие лучи являются отраженной от объекта частью основного луча. Сравнение лучей разных диапазонов, исходящих от источника в машине приведено на рисунках ниже:

Трассировка лучей частоты 4.7 ГГц от источника в машине

Трассировка лучей частоты 2.4 ГГц от источника в машине

Как видно при сравнении рисунков, отличия на разных частотах для данного сценария незначительны. Большое количество отражений происходит внутри корпуса машины, от двери и козырька крыши гаража. Часть лучей проходит через стыки материалов и проникает во внутрь.
От диполя, расположенного под потолком в гараже, исходит большое количество первичных лучей, их концентрация достигает максимума у самого потолка. Лучи отраженные тоже проникают сквозь стыки материалов, а также, часть и них проникла через сэндвич-панели:

Трассировка лучей от источника в гараже (4.7 ГГц)

На окончательном этапе эксперимента этого сценария из модели гаража удаляется дверь, которая препятствует проникновению большого количества лучей. При этом, программе нет необходимости пересчитывать проект с самого начала, учитываются внесенные изменения и алгоритм перестраивает результаты в соответствии с ними.
Большое количество лучей от излучателя, находящегося в районе лобового стекла машины, беспрепятственно достигает внутреннего помещения гаража, и, соответственно, приемника. Происходит множественные отражения от стен, но это не должно помешать связи. В первом случае, даже с учетом того, что дверь была закрыта, связь удастся наладить за счет проникновения электромагнитных волн сквозь стыки элементов и отражений от препятствий. В этом случае, высокая стабильность соединения не требуется, машина будет стоять неподвижно, пока не откроется дверь. Напротив, когда дверь уже открыта, беспилотному транспорту необходима качественная связь, чтобы осуществить парковку. Конечно, первичные радиоволны, которые сосредоточены в направления главного лепестка диаграммы направленности обеспечат такую связь, но отраженные волны будут вносить определенный уровень помех. Борьба с этими помехами лежит в основе планирования электромагнитной совместимости.
Результаты расчетов при открытой двери для двух источников приведены на рисунках ниже:

Трассировка лучей от источника в машине при открытой двери

Трассировка лучей от источника в гараже при открытой двери

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии