Применение Ansys HFSS для расчета антенн

Антенная технология совершила гигантский скачок при переходе систем связи с поколения 4G на 5G. Развитие антенных систем было необходимо для того чтобы приспособиться к более высокочастотным приложениям, обеспечивающим большую полосу пропускания. В 4G традиционная антенна принимает энергию со всех направлений. Например, многие антенны на существующих телефонах 4G являются всенаправленными. Антенна 4G работает на более низких частотах, которые могут преломлять или огибать объекты.

Используя метод формирования луча (объединение двух или более этих антенн вместе, чтобы сформировать антенную решетку и регулировку сигнала таким образом, чтобы они были когерентными), можно направить поступающую энергию и направить ее в определенном направлении. В дополнение к формированию диаграммы направленности в 5G также используется специальный метод обработки сигналов, называемый multi-in multi-out (MIMO), который использует антенную решетку для увеличения полосы пропускания и количества пользователей в конкретном районе. Оба метода формирования диаграммы направленности и MIMO используются для максимального увеличения масштаба и производительности сотовых сетей.

5G работает на частотах 4G, но также и на более высоких частотах (согласно стандарту - до 100 ГГц). Он использует полосу спектра миллиметрового диапазона, которая поддерживает более высокие скорости передачи данных, но легче блокируется препятствиями. В результате 5G использует  технологию beamforming в фазированной антенной решетки для управления диаграммой направленности. Использование фазированных антенных решеток создает новые возможности и проблемы для возбуждения отдельных антенных элементов, входящих в решетку.

Одной из основных проблем при создании антенных решеток 5G является их более высокая частота. Чем выше частота, тем короче длина волны, и тем меньше размер отдельной антенны или антенных элементов. Антенные элементы, из которых состоит фазированная антенная решетка 5G, невероятно малы, но при этом составляют значительную часть всей конструкции антенной решетки.

В портативном устройстве, таком как телефон, также возникают тепловые и механические проблемы. Поскольку устройства 5G нагревается во время использования, мощность и тепло влияют на радиосхемы. Любые изменения размеров, вызванные конструкцией или теплом, выделяемым конкретным устройством, могут изменить резонансную частоту этих элементов, что приведет к снижению производительности.

Используя ANSYS HFSS, инженеры могут проектировать фазированные антенные решетки и оптимизировать конструкцию антенн для моделирования каналов связи, а также развязки между отдельными элементами. Например, технология HFSS 3D Comp Array Technology помогает инженерам преодолевать сложности, связанные с проектированием антенны 5G миллиметрового диапазона. Это многоцелевое программное обеспечение для полноволнового трехмерного электромагнитного (ЭМ) моделирования для проектирования и моделирования высокочастотной электроники - от антенн и антенных решеток до радиочастотных (РЧ) или микроволновых компонентов, высокоскоростных межсоединений, фильтров, разъемов, интегральных схем (ИС).

Используя HFSS SBR +, инженеры могут моделиовать большие электрически задачи, связанные с конструкцией антенны 5G, опираясь на возможность аппарата SBR вычислять характеристики установленной на объект антенны. Аппарат позволяет рассчитать распределение полей в ближней зоне, диаграммы направленности поля в дальней зоны, размязву антенн, поперечное сечение радара - ЭПР.

«HFSS - это чрезвычайно надежный инструмент моделирования, который позволяет сосредоточиться на характеристиках антенны для конкретного приложения 5G», - говорит Ларри Уильямс, Ph.D., инженер и идейный лидер в Ansys. «Он имеет адаптивный процесс, который непрерывно уточняет сетку конечных элементов, пока не будет найдено решение, которое является детерминированно точным. Программное обеспечение также находит свою универсальность в решателе SBR + и других решателях, с возможностью решать гораздо более серьезные проблемы, такие как излучение антенны, установленной на летательном аппарате».

Использование HFSS позволяет поддерживать совместный рабочий процесс, необходимый для работы с антенной решеткой в контексте различных утсройств. Рассмотрим сотовый телефон 5G, поскольку он взаимодействует с вышкой сотовой связи. Используя непрерывную обработку сигнала, он постоянно посылает энергию в сторону вышки сотовой связи. Необходимо учитывать энергию и обработку сигналов. Поскольку 5G также применяет MIMO, есть больше возможностей для управления множеством путей прохождения сигнала. Традиционно для решения этих вопросов при проектировании антенн, обработке сигналов и промышленном дизайне назначаются разные команды. Это сценарий, который часто может привести к тому, что разрозненные команды будут пытаться уложиться в сроки, а также отслеживать и поддерживать документацию по сертификации. HFSS помогает отслеживать и обмениваться точными данными о конструкции компонентов среди инженерных групп, что приводит к более продуктивному сотрудничеству и обеспечивает полноценный рабочий процесс.

В сотовый телефон встроено несколько антенн, встроенных в крошечные модули, включая радио и фазированную антенную решетку, а также некоторое оборудование для обработки аналоговых сигналов. Все вместе они образуют единый пакет интегральных схем для управления этими цепями. При таком большом количестве антенн на одном устройстве очень важно определить оптимальное расположение антенны. Беспроводное устройство не только обеспечивает связи с 5G сетью, но и обеспечивает одновременную работу одновременно с разными технологиями: Wi-Fi и Bluetooth, все они оказывают влияние друг на друга. В связи с этим требуется решение задач электромагнитной совместимости. Решение таких задач возможно также реализовать в Ansys Electronics Desktop (HFSS Design).

HFSS помогает объединить эти входные данные от начала до конца, от первоначального импорта модели автомобиля из файла автоматизированного проектирования (САПР) до написания сценариев и автоматизации этого процесса для очистки геометрии. Используя Ansys SpaceClaim, инженер сможет затем разместить антенны на модели и запустить моделирование, а затем оптимизировать конструкцию и характеристики антенны. Программное обеспечение для моделирования HFSS также можно использовать для получения лучевой модели, чтобы понять, как эти антенны взаимодействуют друг с другом на единой платформе, проанализировать обработку радиочастотных сигналов или определить сбои между антеннами в рамках совместного рабочего процесса. Инженеры используют HFSS для решения серьезных проблем при проектировании антенн 5G.