Моделирование антенны для умных устройств в сетях 5G

Выполненный проект | 24 мая 2022
Поделиться в социальных сетях

Ansys HFSS позволяет строить большие антенные решетки из одного элемента

Резкий рост числа соединяющихся друг с другом «умных» устройств требует такого же резкого роста полосы пропускания. К сожалению, в реальности радиочастотный спектр увеличивается не так быстро, как этого бы хотелось. С развитием сотовых сетей 5G появился способ решить эту проблему. Речь идет о использовании технологии формирования луча (англ. beamforming), которая позволяет передавать сразу несколько сигналов на одной частоте. Используя такие антенны, оператор не только увеличивает количество подключенных к базовой станции абонентов, но и экономит на оборудовании. Новые антенны на порядок дешевле своих более старых собратьев, не поддерживающих beamforming.

Компания Pivotal Commware занимается разработкой таких антенн с помощью Ansys HFSS. Применение HFSS не только дает возможность разработчикам протестировать различные варианты конструкций, но и существенно снижает время выхода продукции на рынок.

/   Цель проекта

В предыдущих поколениях сотовых сетей (3G и 4G) полосу частот делили на все более и более узкие сегменты, а время на все меньшие и меньшие импульсы, чтобы увеличить число абонентов в сети. Pivotal Commware решает эту задачу с помощью технологии Holographic Beamforming (голографическое формирование луча, HBF), которую используют их новые антенны. В таких антеннах устанавливаются варакторы – компоненты, которые гораздо проще и дешевле сложных электронных систем управления, использующихся в существующих антеннах с технологией beamforming.

Стоимость, размер, вес и мощность – вот четыре кита, на которых держатся все проблемы проектирования современных систем связи. Чтобы решить проблемы традиционным методом, обычно придерживаются следующего алгоритма:

  1. Изготовление физического прототипа;
  2. Тестирование прототипа;
  3. Устранение недочетов;
  4. Изготовление нового прототипа;
  5. Повторное тестирование;
  6. Повторное устранение недочетов.

Повторять до бесконечности.

Такой подход в современном мире, мягко говоря, непродуктивен. Если вы хотите опередить конкурентов, то нужно использовать более современные методы. Инженеры Pivotal Commware придерживаются той же логики, поэтому для проектирования используют Ansys HFSS. Все ключевые компоненты систем 5G – линии передачи, ветвители, антенно-фидерные устройства, передатчики и приемники – компания изготавливает с помощью HFSS.

Голографическое формирование луча помогает Pivotal бороться со всеми четырьмя проблемами систем связи – антенны получаются маленькими, дешевыми и потребляют мало энергии. А проектировать системы с голографическим формированием компании помогает Ansys HFSS.

/   Beamforming – ключ к производительности в 5G

Антенна для базовой станции на частоте 28 ГГц

В сетях 4G LTE сотовая связь достигла теоретических пределов временного и частотного мультиплексирования. В качестве альтернативы, в 5G было предложено использовать физическое разделение пространства. Осуществить это можно с помощью программно-управляемых высоконаправленных антенн. Такой подход позволяет пользователям в разных точках внутри одной сети использовать одну и ту же частоту. Лидирующей технологией в этой области является MIMO – massive input – massive output. В основе этой технологии лежит использование большого числа приемников и передатчиков, которые задействуют различные элементы антенной решетки для передачи данных. Сформированный таким образом поток затем объединяется в один сигнал, несмотря на то что передавался он по разным каналам. Но есть у этой технологии и недостаток – для управления формированием луча нужен сложный и дорогой блок основной полосы частот (BBU, baseband unit), который в ходе работы потребляет много энергии.

Но и эту проблему можно решить, если использовать голографическое формирование луча. Вместо дорогостоящего BBU в этой технологии используются простые и дешевые варакторы (конденсаторы, емкость которых зависит от величины смещения постоянного тока) – по одному на каждый субэлемент антенной решетки. Называется такой способ формирования луча голографическим, потому что принцип управления радиочастотной волной в антенне аналогичен тому, как формируются голограммы. Падающая полна изменяет смещение по постоянному току, из-за чего меняется импеданс варакторов, и меняется диаграмма направленности всей решетки. За счет этого волна направляется в нужную сторону. Еще одним преимуществом таких антенн является то, что варакторы производятся в огромных количествах, и не требуют никакой доработки для работы в антеннах. Это приводит к тому, что антенна с голографическим формированием луча стоит на порядок дешевле аналогичных MIMO-антенн.

/   Проблема проектирования излучателей

При проектировании антенн с HBF возникает одна проблема – излучатели таких антенн должны работать в широком диапазоне частот, имея при этом размеры меньше одной пятой длины волны. Каждая антенная решетка состоит из нескольких тысяч одинаковых элементов. Моделирование каждого из них заняло бы очень много времени. Однако в HFSS есть возможность построить антенную решетку без необходимости прямого моделирования каждого из тысяч элементов.

Опция Tuning позволяет производить точную настройку без дополнительных запусков симуляции

Используя HFSS, инженеры Pivotal могут изменять параметры всей антенны, изменив всего лишь один элемент. Время решения такой модели ничем не отличается от времени решения обычных моделей элементов решетки. Хорошей практикой считается параметризация всех переменных модели. Инженеры Pivotal Commware применяют этот подход при проектировании своих антенн. Это позволяет использовать встроенный в HFSS модуль Optimetrics, который имеет функцию Tuning – точной подстройки каждой переменной. Все изменения происходят в реальном времени без необходимости повторного расчета модели.

К примеру, инженер перемещает ползунок, чтобы изменить толщину элемента на 1 мм. На графике появляется новая пунктирная линия, которую можно сравнить с исходным графиком. Данная опция работает со всеми переменными, которые инженер задал в проекте.

Применение инструментов Ansys позволяет инженерам Pivotal Commware избежать необходимости проведения традиционного физического тестирования. Проведение параметрического анализа устраняет потребность в производстве множества прототипов, так как все изменения отображаются на графиках в реальном времени. Вместо нескольких месяцев разработка антенны занимает всего несколько часов, при этом Pivotal смогли выполнить жесткие требования сотовых операторов и выйти на рынок в максимально сжатые сроки.

Ansys HFSS позволяет строить большие антенные решетки из одного элемента

Резкий рост числа соединяющихся друг с другом «умных» устройств требует такого же резкого роста полосы пропускания. К сожалению, в реальности радиочастотный спектр увеличивается не так быстро, как этого бы хотелось. С развитием сотовых сетей 5G появился способ решить эту проблему. Речь идет о использовании технологии формирования луча (англ. beamforming), которая позволяет передавать сразу несколько сигналов на одной частоте. Используя такие антенны, оператор не только увеличивает количество подключенных к базовой станции абонентов, но и экономит на оборудовании. Новые антенны на порядок дешевле своих более старых собратьев, не поддерживающих beamforming.

Компания Pivotal Commware занимается разработкой таких антенн с помощью Ansys HFSS. Применение HFSS не только дает возможность разработчикам протестировать различные варианты конструкций, но и существенно снижает время выхода продукции на рынок.

/   Цель проекта

В предыдущих поколениях сотовых сетей (3G и 4G) полосу частот делили на все более и более узкие сегменты, а время на все меньшие и меньшие импульсы, чтобы увеличить число абонентов в сети. Pivotal Commware решает эту задачу с помощью технологии Holographic Beamforming (голографическое формирование луча, HBF), которую используют их новые антенны. В таких антеннах устанавливаются варакторы – компоненты, которые гораздо проще и дешевле сложных электронных систем управления, использующихся в существующих антеннах с технологией beamforming.

Стоимость, размер, вес и мощность – вот четыре кита, на которых держатся все проблемы проектирования современных систем связи. Чтобы решить проблемы традиционным методом, обычно придерживаются следующего алгоритма:

  1. Изготовление физического прототипа;
  2. Тестирование прототипа;
  3. Устранение недочетов;
  4. Изготовление нового прототипа;
  5. Повторное тестирование;
  6. Повторное устранение недочетов.

Повторять до бесконечности.

Такой подход в современном мире, мягко говоря, непродуктивен. Если вы хотите опередить конкурентов, то нужно использовать более современные методы. Инженеры Pivotal Commware придерживаются той же логики, поэтому для проектирования используют Ansys HFSS. Все ключевые компоненты систем 5G – линии передачи, ветвители, антенно-фидерные устройства, передатчики и приемники – компания изготавливает с помощью HFSS.

Голографическое формирование луча помогает Pivotal бороться со всеми четырьмя проблемами систем связи – антенны получаются маленькими, дешевыми и потребляют мало энергии. А проектировать системы с голографическим формированием компании помогает Ansys HFSS.

/   Beamforming – ключ к производительности в 5G

Антенна для базовой станции на частоте 28 ГГц

В сетях 4G LTE сотовая связь достигла теоретических пределов временного и частотного мультиплексирования. В качестве альтернативы, в 5G было предложено использовать физическое разделение пространства. Осуществить это можно с помощью программно-управляемых высоконаправленных антенн. Такой подход позволяет пользователям в разных точках внутри одной сети использовать одну и ту же частоту. Лидирующей технологией в этой области является MIMO – massive input – massive output. В основе этой технологии лежит использование большого числа приемников и передатчиков, которые задействуют различные элементы антенной решетки для передачи данных. Сформированный таким образом поток затем объединяется в один сигнал, несмотря на то что передавался он по разным каналам. Но есть у этой технологии и недостаток – для управления формированием луча нужен сложный и дорогой блок основной полосы частот (BBU, baseband unit), который в ходе работы потребляет много энергии.

Но и эту проблему можно решить, если использовать голографическое формирование луча. Вместо дорогостоящего BBU в этой технологии используются простые и дешевые варакторы (конденсаторы, емкость которых зависит от величины смещения постоянного тока) – по одному на каждый субэлемент антенной решетки. Называется такой способ формирования луча голографическим, потому что принцип управления радиочастотной волной в антенне аналогичен тому, как формируются голограммы. Падающая полна изменяет смещение по постоянному току, из-за чего меняется импеданс варакторов, и меняется диаграмма направленности всей решетки. За счет этого волна направляется в нужную сторону. Еще одним преимуществом таких антенн является то, что варакторы производятся в огромных количествах, и не требуют никакой доработки для работы в антеннах. Это приводит к тому, что антенна с голографическим формированием луча стоит на порядок дешевле аналогичных MIMO-антенн.

/   Проблема проектирования излучателей

При проектировании антенн с HBF возникает одна проблема – излучатели таких антенн должны работать в широком диапазоне частот, имея при этом размеры меньше одной пятой длины волны. Каждая антенная решетка состоит из нескольких тысяч одинаковых элементов. Моделирование каждого из них заняло бы очень много времени. Однако в HFSS есть возможность построить антенную решетку без необходимости прямого моделирования каждого из тысяч элементов.

Опция Tuning позволяет производить точную настройку без дополнительных запусков симуляции

Используя HFSS, инженеры Pivotal могут изменять параметры всей антенны, изменив всего лишь один элемент. Время решения такой модели ничем не отличается от времени решения обычных моделей элементов решетки. Хорошей практикой считается параметризация всех переменных модели. Инженеры Pivotal Commware применяют этот подход при проектировании своих антенн. Это позволяет использовать встроенный в HFSS модуль Optimetrics, который имеет функцию Tuning – точной подстройки каждой переменной. Все изменения происходят в реальном времени без необходимости повторного расчета модели.

К примеру, инженер перемещает ползунок, чтобы изменить толщину элемента на 1 мм. На графике появляется новая пунктирная линия, которую можно сравнить с исходным графиком. Данная опция работает со всеми переменными, которые инженер задал в проекте.

Применение инструментов Ansys позволяет инженерам Pivotal Commware избежать необходимости проведения традиционного физического тестирования. Проведение параметрического анализа устраняет потребность в производстве множества прототипов, так как все изменения отображаются на графиках в реальном времени. Вместо нескольких месяцев разработка антенны занимает всего несколько часов, при этом Pivotal смогли выполнить жесткие требования сотовых операторов и выйти на рынок в максимально сжатые сроки.

    Получить консультацию

    Заполните форму прямо сейчас,
    и мы свяжемся с Вами!

    * Обязательные поля для заполнения

    Нажимая кнопку, я даю согласие на обработку моих персональных данных и согласен с политикой конфиденциальности

    Спасибо,

    Ваша заявка принята!

    Мы свяжемся с Вами в ближайшее время и

    ответим на вопросы. Чтобы вернуться к

    просмотру сайта нажмите кнопку

    Продолжить