Подложка ИС - подробное объяснение 5 г эмуляции решения

Антенны являются важной частью систем мобильной связи. С развитием технологий мобильной связи формы антенн становятся все более разнообразными, а технологии - все более сложными. В эпоху 5G массовое MIMO и beamforming стали ключевыми технологиями, которые способствуют эволюции антенн в направлении активизации и усложнения. Методы проектирования антенн также должны идти в ногу со временем, использовать передовые методы моделирования, чтобы отвечать сложным требованиям к проектированию и соответствовать постоянно растущим требованиям к производительности антенн в эпоху 5G.

5G и фазированные решетки

Эра 5G будет чрезвычайно богата на приложения. Сети 5G должны адаптироваться к таким сценариям, как большая пропускная способность, высокая надежность, низкая задержка и большие соединения. Это требует от антенн 5G поддержки большего числа каналов, гибкой настройки луча в реальном времени и поддержки высокочастотной связи. Ключевым направлением эволюции является активная антенна с массивным MIMO. По сравнению с традиционным MIMO, массивное MIMO позволяет эффективно повысить производительность, в основе которого лежит технология фазированных решеток.

Так называемая фазированная решетка относится к типу антенной решетки, которая изменяет направление луча диаграммы направленности путем управления фазой сигнала излучающего элемента в антенной решетке.

Основное назначение фазированной решетки - реализация пространственного сканирования луча решетки, так называемого электрического сканирования. На первых порах фазированная решетка использовалась в основном в военных целях - как радар с фазированной решеткой. Благодаря высокой скорости сканирования и широким возможностям многозадачности фазированная решетка получила широкое распространение в военной радиолокации и стала одним из символов военной мощи.

Кроме того, технология фазированных решеток широко используется и в гражданских областях, таких как прогнозирование погоды.

Изображение содержит небо, открытое пространство, описание здания было сгенерировано автоматически Изображение содержит здание, небо, открытое пространство, описание купола было сгенерировано автоматически.

Изображение взято из Интернета. Слева - стратегический радар раннего предупреждения, справа - метеорологический радар.

Оглядываясь на историю развития мобильной связи, можно сделать вывод, что технология фазированных антенных решеток является неизбежным выбором для повышения пропускной способности системы и использования спектра, снижения помех и расширения зоны покрытия в эпоху 5G:

Прежде всего, от пассивных антенн к активным антенным системам - это означает, что антенны могут быть интеллектуальными, миниатюрными (совместное проектирование) и настраиваемыми. В будущем сеть будет становиться все более детализированной, и потребуется настраивать ее дизайн в соответствии с окружающими сценами. Например, развертывание станций в городских районах будет более тонким, а не просто охватывающим. Связь 5G будет использовать высокочастотные диапазоны, и препятствия будут оказывать большое влияние на связь. Индивидуальные антенны могут обеспечить лучшее качество сети.

Во-вторых, систематизация и усложнение конструкции антенн, таких как лучевые решетки (для достижения мультиплексирования с пространственным разделением), многолучевые антенны и много/высокочастотные диапазоны. Все это выдвигает высокие требования к антенне, что влечет за собой проблемы совместимости и работы всей системы. В данном случае антенная технология вышла за рамки концепции компонентов и постепенно входит в проектирование системы.

Имитационное проектирование фазированных решеток

Проектирование фазированной антенной решетки можно разделить на две части: антенная решетка и сеть формирования луча.

Проектирование антенной решетки

При проектировании антенной решетки необходимо определить форму и характеристики диаграммы направленности излучающего элемента, расположение решетки и форму ее фида и т.д. Проектирование решетки непосредственно определяет характеристики излучения фазированной решетки, такие как коэффициент усиления антенны, ширина лепестка, максимальная дальность сканирования и т.д., и является одним из ключевых моментов проектирования фазированных решеток.

1. Проектирование и оптимизация излучающего блока

Поскольку фазированная антенная решетка обладает характеристиками сканирования луча, к выбору ее излучающего блока предъявляются определенные требования и ограничения. В качестве излучающих элементов фазированных решеток обычно используются два типа антенн:

- Апертурные антенны, такие как открытый волновод, волноводно-щелевая антенна, микрополосковая патч-антенна и т.д.;

- Монопольные или симметричные дипольные эволюции, такие как печатный симметричный вибратор, коническая щелевая антенна и т.д. 

В эпоху 5G для получения большей пропускной способности каналов вводится большое количество новых ресурсов спектра, что предъявляет повышенные требования к широкополосным характеристикам излучающего устройства. Помимо добавления новой полосы частот в диапазоне Sub 6 ГГц, был также добавлен высокочастотный диапазон миллиметровых волн, что предъявляет более жесткие требования к форме и технологии обработки излучающего устройства. Кроме того, в условиях тенденции к интеграции миниатюризация и малый вес стали основными требованиями к конструкции антенн. Таким образом, форма излучающего элемента в основном представляет собой микрополосковый патч и полуволновой диполь, а технология - в основном печатную плату и пластиковый вибратор.

Для имитационного проектирования излучающего элемента особенно критично точное решение вопроса о его характеристиках в рабочей полосе частот. Сложные материалы и геометрические характеристики излучающего блока антенны 5G, а также особенности сверхширокополосного и многочастотного диапазонов привели к большим трудностям при моделировании излучающего блока.

Уникальная технология автоматического адаптивного зацепления (Adaptive Meshing) в ANSYS HFSS в сочетании с технологией широкополосного зацепления (BAM) позволяет эффективно и точно получить сетку во всем частотном диапазоне, тем самым получая точный отклик во всем частотном диапазоне.

Очень важно быстро найти оптимальную конструкцию излучающего элемента в процессе имитационного проектирования.

ANSYS HFSS может выполнять производную быструю настройку и анализ чувствительности на основе параметризованной модели.

Быстрое нахождение правильного значения переменной, лучшее понимание того, как переменная влияет на характеристики, и сокращение времени разработки.

Уточните наиболее влиятельные категории параметров и сосредоточьтесь на высокочувствительных расчетных параметрах, чтобы сделать конструкцию надежной.

После анализа производных, по результатам настройки, можно отсеять ключевые переменные и автоматически оптимизировать излучающее устройство в HFSS для получения оптимальных S-параметров, диаграммы направленности антенны, распределения электромагнитного поля и других результативных показателей.

Быстрая оптимизация в условиях большого пространства параметров и многопараметрического пространства всегда была большой проблемой для разработчиков. Метод анализа DoE (численный эксперимент) является передовой технологией для решения такого рода задач. Инструмент DoE DesignXplorer в HFSS позволяет ускорить процесс оптимизации конструкции элементов массива. Перед оптимизацией необходимо полностью изучить и оптимизировать пространство проектирования, чтобы сократить количество симуляций. Быстрое определение реализуемости конструкции.

Кроме того, новейший быстрый режим HFSS позволяет быстро получить результаты моделирования проектных направлений на ранних этапах цикла проектирования изделия без существенного снижения точности решения. По мере приближения к завершению проектирования функция HFSS quasi-precision используется для высокоточной проверки с помощью простых настроек ползунка.

2. Быстрый анализ массива методом элементов

Выбор блока фазированной решетки и оптимизация конструкции являются ключевыми аспектами проектирования фазированных решеток. Этот процесс включает в себя выбор и оптимизацию множества схем и параметров. Поэтому быстрый анализ и соответствующий оптимизационный анализ особенно важны. Например, расстояние между блоками фазированной решетки является одним из важных параметров, влияющих на характеристики излучения фазированной антенной решетки.

При слишком малом расстоянии между блоками увеличивается эффект взаимной связи между ними, что не позволяет точно настроить амплитуду и фазу сигнала элементов фазированной решетки, в результате чего часть энергии будет накапливаться в ближней зоне фронта и не сможет эффективно излучаться; кроме того, будет искажаться диаграмма направленности блоков решетки, а при сканировании антенной решетки под большим углом будут возникать "мертвые зоны" сканирования.

При слишком большом межблочном расстоянии в физически видимом пространстве фазовращателя появляются вредные лепестки решетки. Поскольку уровень лепестка решетки эквивалентен уровню основного лепестка, энергия луча фазированной антенной решетки в основном направлении излучения будет значительно снижена.

Поэтому проектирование и оптимизация расположения решетки особенно важны. При проектировании фронта инженерам необходим метод моделирования, позволяющий быстро проводить многократную итеративную оптимизацию для получения соответствующего расстояния между ячейками.

Метод элементов в ANSYS HFSS может помочь инженерам быстро оценить расстояние между элементами и характеристики элементов в решетке на ранней стадии проектирования антенной решетки.