Сегодня в мире ведется множество разговоров о сетях 5G. Эксперты утверждают, что это новое поколение технологий беспроводной связи обеспечит более низкую задержку и высокую скорость передачи данных, а также стремительный рост количества беспроводных устройств. Перед инженерами стоит задача по разработке совершенно новых антенных решеток, которые не применялись ранее в сетях прошлых поколений.

Технологии Ansys HFSS позволяют инженерам проектировать антенные решетки сетей 5G и оптимизировать их конструкцию по таким характеристикам как: форма диаграммы направленности, коэффициент усиления, потери на рассогласование. Весь этот процесс можно разбить на 8 шагов.

ШАГ 1: Выбрать тип антенного элемента из имеющихся шаблонов в HFSS Antenna Toolkit

Первым шагом к созданию антенной решетки для 5G является разработка ее элементарной ячейки с помощью приложения HFSS Antenna Toolkit.

Для этого нужно выбрать тип антенны из библиотеки приложения, а затем задать рабочую частоту и свойства подложки антенны (опционально). После этого HFSS Antenna Toolkit сгенерирует начальную геометрию ячейки, а также выполнит расчет ее коэффициента усиления (КУ) и потерь на рассогласование.

ШАГ 2: По единичному элементу создать антенную решетку

Следующим шагом после создания антенного элемента будет создание периодического массива из этого элемента – той самой антенной решетки, которая будет обладать увеличенным коэффициентом усиления по сравнению с единичным антенным элементом.

На первом шаге был проведен расчет характеристик отдельного антенного элемента. Теперь этот процесс необходимо повторить, но  в условиях бесконечной антенной решетки, состоящих из тех же элементов.

Стоит отметить, что на характеристики антенны, такие как КУ, потери на рассогласование и форму диаграммы направленности существенное влияние оказывает расстояние между  элементами антенны в массиве решетки. Изменяя ориентацию и положения этих элементов относительно друг друга, можно управлять характеристиками всей антенной решетки. После выбора оптимальной ориентации и положения элементов антенной решетки инженерам нужно будет задать коэффициент решетки, чтобы преобразовать бесконечную антенную решетку в идеализированную антенную решетку конечных размеров.

ШАГ 3: Промоделировать решетку конечных размеров с помощью метода доменной декомпозиции

Далее необходимо перейти от идеализированной модели к модели, учитывающей особенности реального объекта. Таким образом, следующим шагом является проведение численного моделирования, которое более детально учитывает взаимодействие антенных элементов друг с другом и краями решетки.

Такое моделирование возможно с применением метода доменной декомпозиции (DDM). Данный метод клонирует сетку одного антенного элемента по всей геометрии антенны, определенной на шаге 2. Границы сетки каждого антенного элемента связаны с сетками смежных элементов. Таким образом обеспечивается целостность модели всей антенны.

Вычисления методом DDM могут быть распараллелены на ядрах центрального процессора.

После того как сетка антенной решетки готова, можно провести моделирование в HFSS для анализа и оптимизации характеристик антенны с большей точностью, чем на шаге 2.

ШАГ 4: Рассчитать угол луча антенной решетки конечного размера

Антенна будет бесполезна, если ее характеристики не будут соответствовать тем требованиям, под которые ее проектировали. Инструмент Finite Array Beam Angle Calculator для расчета фазовых сдвигов, необходимых для определения направления луча с учетом частоты сигнала, может быть использован для ориентации решетки в сферических координатах.

Калькулятор определяет фазовый сдвиг между антеннами в массиве для конкретных углов сканирования луча на основании сетки, созданной на третьем шаге.

ШАГ 5: Спроектировать схему распределения мощности антенной решетки

Следующим шагом является  решение задачи распределения мощности по всему массиву антенных элементов.

Сначала инженеры должны определиться с необходимым целевым фазовым распределением и амплитудой. Затем они должны перейти к проектированию сети питания в HFSS и проводить моделирование в итерационном режиме пока не будут достигнуты необходимые показатели. На каждой итерации расчета сети распределения мощности антенной решетки видно, как внесенные в схему изменения влияют на амплитудное и фазовое распределение по массиву антенных элементов.

После того, как схема сформирована, необходимо перейти к проверочному моделированию, в котором в качестве исходных данных будут задействованы данные и результаты расчетов из предыдущих шагов.

ШАГ 6: Использовать результаты расчетов в качестве исходных данных для постановки проверочного моделирования

Теперь инженеры могут дополнить конечно-элементную модель (созданную на третьем шаге) данными, полученными при вычислении углов лучей (из четвертого шага) и схемы распределения мощности (из пятого шага).

Для того, чтобы управлять направление излучения сигнала необходимо добавить фазовращатели из библиотеки компонентов с учетом фазового распределения, вычисленного на четвертом шаге. Затем инженеры должны выполнить линейный анализ системы (LNA), чтобы оценить потери на рассогласование.

ШАГ 7: Провести проверочное моделирование в HFSS

Далее инженеры должны перенести результаты LNA в HFSS. А именно – передать в HFSS данные по рассогласованию схемы распределения в виде значений амплитуды и фазы. По итогам моделирования будет получено графическое представление коэффициента усиления антенной решетки.

Данная диаграмма направленности (ДН) отображает работу антенной решетки во всех ее направлениях с учетом всех особенностей и процессов, характерных реальным антеннам.

ШАГ 8: Протестировать антенну 5G с учетом места ее установки

Последний шаг заключается в оценке характеристик антенны с учетом влияния на них окружающей среды и месторасположения.

Для этого нужно выполнить исследование на системном уровне с помощью технологии SBR. В этом исследовании проверяется способность антенны передавать и принимать сигналы в реальной среде, например, в городском квартале.

Хотите узнать больше о применении Ansys HFSS? Запишитесь на наши онлайн-курсы по электромагнетизму! Ознакомиться с программой курсов Вы можете по ссылке в разделе «Электромагнетизм».

Источник статьи: https://www.ansys.com/blog/how-to-design-antenna-array-5g-applications