AntSyn – технология синтеза и оптимизации антенных устройств. Эволюция разработки антенн

Рост потребности в беспроводных сетях тесно связан с созданием интегрированных антенных систем, обеспечивающих оптимальную производительность, стоимость и размеры. Оптимизация таких характеристик, как согласование импеданса, коэффициент усиления, КПД излучения антенны и рабочей полосы пропускания – очень трудоёмкий процесс, требующий многократного повторения симуляций и хороших профессиональных знаний.

В ходе исследований в области применения эволюционных алгоритмов (ЭА) – программных методов изучения проектных параметров и автоматического нахождения оптимальных конструкций антенны – были предложены средства ускорения процесса проектирования. ЭА подтверждают свою эффективность при создании конструкций антенн с более высокой производительностью по сравнению с антеннами, разработанными стандартными методами.

AntSyn™ – комбинация ЭА и ВЧ/СВЧ­симуляции, успешно проверенная при проектировании различных типов антенн для аэрокосмической отрасли, теперь доступная в виде коммерческого продукта компании National Instruments (NI). Созданный продукт – это автоматизированный инструмент проектирования, синтеза и оптимизации антенн, позволяющий пользователям вводить технологические требования и получать на выходе готовый проект антенны. AntSyn был разработан таким образом, чтобы им могли пользоваться как эксперты, так и новички в области проектирования антенных устройств.

Трудности при разработке антенн

Правильно спроектированная антенна обычно характеризуется несколькими важными параметрами, определяемыми назначением устройства. Наиболее существенными из них являются пространственные характеристики излучения (т.е. диаграмма направленности антенны) и результирующий коэффициент усиления. Таким образом, число возможных вариантов конструкции антенны оказывается достаточно велико, т.к. варьируются размеры, формы, требования и виды применения. Проектирование и оптимизация антенн вручную требует серьёзного опыта работы в этой области. Процесс является крайне трудоёмким и напрямую зависит от навыков и опыта разработчика в подборе подходящей базовой конструкции, которую затем нужно оптимизировать для достижения требуемых результатов.

Зачастую даже опытным разработчикам может потребоваться несколько месяцев для создания новой конструкции антенны, в зависимости от требований к устройству. Время и усилия, затраченные на разработку, существенно увеличиваются при рассмотрении таких факторов, как взаимодействие антенны с платформой, беспроводным устройством или расположенными рядом объектами. Задержки в проектировании увеличиваются, если изменяются требования как на ранней стадии разработки, так и в случае, если интеграция антенны требует оптимизации «на месте». Возможность быстрого проектирования и перепроектирования антенн становится важнейшей задачей в условиях быстро растущего числа беспроводных устройств.

В начале 1990­х гг., в качестве альтернативы и дополнения ручного проектирования, исследователи начали изучать эволюционные методы разработки и оптимизации антенн. Одна из наиболее успешных методик National Instruments основана на эволюционных алгоритмах. Технология была превращена в полноценный инструмент синтеза антенн AntSyn и успешно применяется частными компаниями и государственными организациями в аэрокосмической, телекоммуникационной и беспроводной областях электронной промышленности для создания антенных устройств, работающих на частотах от нижней границы S­диапазона (2 МГц) до высших частот K_a (40 МГц). В противовес ручному проектированию, требующему десятки часов для разработки готовой конструкции антенны, AntSyn способен создавать проект в течение нескольких часов, при этом находя оптимальное решение, удовлетворяющее требованиям разработки, часто предлагая нестандартные конструкции, по производительности превосходящие традиционные.

Разработка по требованиям

AntSyn работает по принципу «получите то, что вам нужно», т.е. пользователь вводит требования к антенне вместо физического (параметризованного) проекта. Такие параметры антенны, как полоса частот, согласование целевого импеданса (обратные потери), диаграмма направленности и другие, задаются при помощи интуитивного интерфейса «SpecSheet», который автоматически создаётся в файле проекта, как показано на рисунке 1а. После запуска AntSyn предлагает одну или несколько конструкций антенны, выходные параметры которой отображены на настраиваемой информационной панели для быстрой оценки результатов (см. рис. 1б).

Информационную панель по желанию пользователя можно настроить на отображение:

AntSyn применялся для создания широкого спектра различных типов антенн, таких как:

Примеры проектирования

Среди типов антенн, которые можно использовать для обеспечения достаточного коэффициента усиления с хорошей характеристикой линейной или круговой поляризации в широком диапазоне, можно выделить:

Выбор конфигурации антенны, позволяющей достичь лучшей производительности при наименьших размерах и затратах – непростая задача, особенно в текущих реалиях, когда на рынки беспроводных устройств Интернета вещей (IoT) и малых спутников Земли (CubeSat, NanoSat) выходят компании, ранее не связанные с ними. NI решает эту задачу, предлагая технологии интеллектуального проектирования и тестирования для всего процесса разработки: от раннего концепта до финальных тестов.

Разработчики имеют возможность сравнить преимущества разных типов антенн, а также исследовать более обширную часть проектного поля благодаря интеллектуальной оптимизации. После получения антенны с заданными параметрами, результаты AntSyn могут быть переданы для проверки в NI AWR Design Environment (см. рис. 2), в частности, в планарный электромагнитный симулятор AXIEM, симулятор Analyst™, основанный на 3D­методе конечных элементов, или в другие сторонние пакеты электромагнитного анализа, такие как Sonnet, ANSYS HFSS или CST MICROWAVE STUDIO. Такая функция расширяет возможности проектировщика и повышает качество результата.

Заключение

AntSyn – это автоматизированный инструмент проектирования, синтеза и оптимизации антенных устройств, который использует инженерные требования в качестве входных данных и создаёт на их основе готовые конструкции антенны. AntSyn был разработан таким образом, чтобы им могли пользоваться как эксперты, так и новички в области проектирования антенных устройств: