Специалистами группы компаний «ПЛМ Урал» было произведено моделирование многолучевой антенной системы на базе линзы Люнеберга для 5G в Ansys HFSS. По результатам работы было опубликовано две статьи конференции APEIE 21, IEEE Xplore. Презентации прилагаются:
Аннотация к статьям и используемые инструменты Ansys для расчетов:
Одной из ключевых технологий новой мобильной связи 5G является система миллиметрового диапазона с несколькими входами и выходами (MIMO). Однако практическая реализация MIMO в миллиметровом диапазоне все еще сложна. Тем не менее, это делает задачу популярной. Одной из распространенных подзадач является моделирование антенны, которая позволяет эффективно генерировать множество лучей с точки зрения потребляемой мощности и используемых радиочастотных областей. В качестве такой системы моделирования мы использовали зарекомендовавший себя программный продукт - Ansys HFSS.
Линзовая антенна Люненбурга кажется оптимальным вариантом для решения задачи многолучевого распространения. Это дает возможность формировать направленный пучок в широком диапазоне углов с малыми требованиями к производительности. В статье показана многофункциональная многослойная линзовая антенна Люненбурга. Важным моментом для сетей пятого поколения в области миллиметровых волн является использование многолучевых антенн. Существует множество реализаций многолучевых антенных систем. В настоящее время наиболее популярной является реализация, используемая в массовых системах MIMO, а именно создание унифицированной планарной антенной решетки. Однако по нескольким параметрам, таким как энергопотребление и стоимость реализации, линзовая антенная решетка может превзойти однородную планарную антенную решетку. Изменение конфигурации антенны влияет не только на передачу и прием энергии сигнала, но и на другие параметры системы. Например, оптимальный способ интерполяции оценки канала в системах MIMO-OFDM на основе однородной планарной антенной решетки и в системах линзовых антенных решеток будет отличаться. Подобную оценку позволяет произвести связка программных продуктов в Ansys Electronics Desktop - это HFSS Designer (высокочастотный структурный симулятор) и Circuit Designer (решатель на уровне схем).
Объединить возможности нескольких решателей в рамках одного проекта внутри Ansys Electronics Desktop позволяет опция Linked Field, которая обеспечивает возможность передать данные расчета из одного подпроекта в другой. В статье оценка канала MIMO-OFDM основана на линзовой антенной решетке. В качестве многолучевой линзы используется сферическая антенна Люненбурга. Чтобы оценить канал в MIMO-OFDM на основе линзовой антенной решетки с тестом пилот-сигнала, сравнивается производительность четырех методов интерполяции. Это следующие методы: линейная интерполяция, сплайн-интерполяция, интерполяция на основе ДПФ, тригонометрическая интерполяция, сплайн-интерполяция Акима и интерполяция Ланцоша.
Результаты моделирования
Таким образом, в материалах статьи промоделирована:
1. В программном пакете Ansys Electronics Desktop (HFSS Design) создана электродинамическая модель сферическо линзовой антенны с системой MIMO. В качестве первичных облучателей используются прямоугольные волноводы, созданные с помощью встроенного в Electronics Desktop инструмента автоматического синтеза антенн - ACT Antenna Toolkit:
2. Полученная электродинамическая модель позволяет оценить различные режимы работы антенной системы. Изменение режимов работы не требует пересчета модели, а происходит путем изменения режимов возбуждения волноводов. На рисунке ниже представлена генерация специфической угловой диаграммы путем переключения прямоугольных волноводов:
3. Проанализирована установка модели линзы Люнеберга на светофоре с движущимся транспортным средством. В этой модели используется инструмент SBR+ для расчета размещения антенн на крупных объектах сложной формы. SBR+ ранее был доступен в программном продукте Savant, а в настоящее время реализован в виде граничных условий в Ansys HFSS:
4. Несмотря на то, что SBR+ основан на лучевых методах расчета, он позволяет рассчитывать поля в ближней зоне. Результат расчета полей в области автомобиля показан ниже. Информация о полях в ближней зоне позволяет проводить анализ задач электромагнитной совместимости более качественно:
5. В статье также для нескольких видов интерполяции была проведена оценка канала связи в городской среде при использовании многолучевой линзовой антенны. Оценка производилась путем расчета S-параметров при различных условиях работы антенной системы и изменения направления приема сигнала.
 |
 |
 |
 |
Выводы
Компания Ansys предлагает весь спектр инструментов моделирования, которые позволяют решать достаточно сложные задачи анализа работы систем связи в сложных городских средах. В представленных статьях использовались следующие расчетные возможности продуктов Ansys:
- Анализ методом конечных элементов (FEM) в Ansys Electronics Desktop (HFSS Design);
- Инструмент ACT Antenna Toolkit для автоматического синтеза элементарных антенн для требуемого диапазона частот;
- Аппарат SBR+ для расчета размещения антенных систем на объектах, доступный в Savant и HFSS.