Ansys 2022 R2

Применение Ansys HFSS для разработки ВЧ датчика

Аватар пользователя Денисов Дмитрий
0 343

В США существует Национальный институт стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology - NIST), основанный в 1901 году, который является одной из старейших лабораторий по физике в США. В институте ведется работа над многочисленными проектами, связанными с беспроводными технологиями, включая некоторые из самых ранних работ над инструментами измерения для сетей 5G следующего поколения.

В статье описываются некоторые интересные работы, которые были проведены в NIST с применением высокочастотного структурного симулятора Ansys HFSS. HFSS применяется для расчета электромагнитных полей в структуре. В одной из работ проходило моделирование датчика на основе атома, который может определять направление входящих радиосигналов, что является ключом к более надежной связи, чем это было достигнуто с помощью традиционных технологий. На рисунке ниже показан найденный определили угол приема входящего радиочастотного сигнала на основе лазерных измерений в двух местах внутри ячейки с парами цезия:

Fig. 1. Researchers determined the angle of arrival of an incoming radio frequency signal based on laser measurements at two locations inside a cesium vapor cell.Tiny glass vial in holding device glows green in dark photo.

Сенсоры на основе атомов в последнее время привлекают к себе большое внимание. В последние годы было принято множество стандартов измерений на основе атомов, это:

  • стандарты длины (м),
  • частоты (Гц),
  • времени (с),
  • массы (кг).

Существует большой интерес к распространению этого принципа измерений на датчики магнитного (H) и электрического (E) полей. Ридберговский атом - это атом, возбужденный до состояния высокой энергии, внешние электроны которого находятся на очень высоких орбитах вокруг ядра. Атомы Ридберга обладают множеством интересных свойств, включая чувствительный отклик на внешние радиочастотные (РЧ) поля. Резонансный отклик этих атомов на внешние радиочастотные поля происходит в широком диапазоне частот от МГц до ТГц.

Спонсируемая Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) программа квантового зондирования и считывания (QuASAR), NIST добился значительного прогресса в разработке датчиков электронного РЧ-поля на основе атома Ридберга. Эти датчики обладают преимуществами по сравнению с существующими технологиями, включая возможность измерения амплитуды, поляризации и фазы радиочастотных полей. Эта технология находит применение в множестве приложений, таких как:

  • обнаружение полей,
  • модулированных сигналов,
  • обнаружение угла прихода (AoA),
  • векторные поля,
  • определение характеристик различных форм сигналов,
  • обнаружение постоянного тока, обнаружение очень слабых и очень сильных полей.

Сотрудники NIST в сотрудничестве с ANSYS исследовали способность датчиков на основе атомов Ридберга определять AoA при измерении падающего радиочастотного поля, что представляет большой интерес для радаров и средств связи. NIST разработал гетеродинный метод, в котором для измерения фазы электрического поля используется смеситель на основе атомов Ридберга. Смеситель на основе атомов принимает входные сигналы и преобразует их в разные частоты. В то время как один сигнал используется в качестве эталона, второй расстраивается на более низкую частоту. Смеситель определяет фазу расстроенного сигнала в двух разных местах внутри атомно-паровой ячейки. Ученые могут рассчитать AoA сигнала на основе разности фаз в этих двух местах.

Чтобы подтвердить применимость предложенного метода, NIST измерил разность фаз в двух местах внутри камеры для различных AoA и сравнил их с расчетами ANSYS HFSS и теоретической моделью. HFSS оказался очень точным инструментом моделирования, способным эффективно согласовывать измеренные и теоретические данные и устранять ошибки, вызванные настройкой измерения. Поскольку ячейка с атомарным паром была сделана из диэлектрика, ВЧ-поле может иметь многократные отражения внутри ячейки и генерировать стоячие волны, возмущающие измеряемое ВЧ-поле. Ученые NIST полагались на моделирование ANSYS HFSS, чтобы исправить отклик атомного сенсора из-за проблем с возмущением поля, чтобы получить лучшую сходимость с теоретической моделью.

Agreement of experimental, Ansys HFSS and theoretical dataAgreement of experimental, Ansys HFSS and theoretical data

Сходимость экспериментальных, результатов моделирования в ANSYS HFSS и теоретических данных

Сходимость между результатами моделирования и измерениями достаточно хорошая. И этому не стоит удивляться, поскольку метрологи проводят свои исследования в лабораториях, а эксперты в области моделирования - на компьютерах. И те и другие имеют дело с уравнениями Максвелла, которые оказались универсальными и уже более 150 лет применяются для описания самых разных радиотехнических решений. В Ansys HFSS тоже происходит расчет с помощью уравнений Максвелла, только с автоматическим адаптивным построением сетки. Эти выдающиеся усилия в области проведенной НИОКР в NIST помогают обеспечить производительность современных радаров и беспроводной связи. В этом и многих других исследованиях Ansys еще раз демонстрирует точность и ценность инструментов моделирования. Моделирование помогает исследователям достигать результатов с высокой точностью за меньшее время, чем когда-либо прежде, тем самым стимулируя развитие передовых технологий.

Ссылки на материалы для более подробного ознакомления

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии