Преимущества ФАР перед всенаправленными антеннами включат более высокую направленность и скорость управления лучом (перемещение может быть осуществлено за несколько миллисекунд), а также возможность излучения нескольких лучей одновременно. С точки зрения применения в радиолокации, ФАР обеспечивают возможность управления видом диаграммы направленности и формирования луча, включая адаптивное подавление интерференции, лучший динамический диапазон и внутриполосную линейность, более низкие фазовые шумы и высокую точность угловых измерений.

 

В совокупности, преимущества ФАР позволяют находить новые применения в таких областях, как системы связи 5G и умные системы автомобилей, для которых в настоящее время перспективной считается область миллиметровых волн. Как и в системах аэрокосмического и оборонного назначения, ФАР коммерческих систем должны отвечать строгим требованиям по эффективности и надёжности даже при работе в жёстких и неблагоприятных условиях. Отличием же от военно-аэрокосмических применений заключается в необходимости массового производства и учёта экономической рентабельности проекта.

 

Рисунок 1: область миллиметровых волн перспективна для коммерческих систем связи и радиолокации, основанных на широком распространении ФАР и технологий «многоканальный вход – многоканальный выход» (MIMO).

 

В этой статье мы рассмотрим основы работы ФАР и наиболее важные факторы, которые необходимо учитывать при разработке антенных систем нового поколения, а также представим инновационные технологии и методы моделирования и проектирования таких систем, созданные специально для разработчиков высокоэффективных устройств и ВЧ трактов, отвечающих требованиям по размерам и стоимости. Для успешного проектирования систем и их компонентов, инженеру необходим надёжный набор инструментов, способных работать с данными, описывающими поведение различных составляющих решётки и связанных с ней цепей, и точно смоделировать результат взаимодействия всех этих элементов в целом для оценки основных характеристик антенны. Помимо прочего, у разработчика должна быть программная возможность простой передачи готового проекта в производство, включая и изготовление самой антенной решётки.

 

Почему ФАР?

С точки зрения разработчика системы связи или радиолокации, антенная решётка – это компонент с определёнными входными и выходными характеристиками и набором требуемых параметров. С точки зрения проектировщика антенной решётки, она является набором элементов с определёнными физическими и электрическими ограничениями, накладываемыми системой в целом, с учётом которых разработчик должен оптимизировать этот сложный компонент системы. Модуль NIAWRDesignEnvironment под названием VisualSystemSimulator (VSS) предназначен для решения обоих типов задач, позволяя проводить каскадный анализ трактов для определения требований к антенной решётке со стороны проектируемой системы, а также предлагая инструменты для проектирования компонентной базы ФАР.

Как было отмечено ранее, для сетей 5 поколения и автомобильных радаров перспективной является область миллиметровых волн, обеспечивающая более широкую рабочую полосу, однако с большой частотой приходят и большие потери на распространение в свободном пространстве (действительно, изотропное поглощение обратно пропорционально квадрату длины волны излучения). К тому же, при уменьшении длины волны становится более существенным влияние потерь на дифракцию, рассеяние и поглощение в материалах, что в совокупности значительно усложняет модель канала распространения сигнала в пространстве. Таким образом, одной из причин выбора ФАР для использования в системах миллиметрового диапазона является возможность электронной перестройки диаграммы направленности (т.н. электронного сканирования).

Рисунок 2: Частотная зависимость ослабления сигнала в воздухе в расчёте на 1 километр пути сигнала на кислороде (красная линия) и водяных парах (синяя линия)

 

В сетях 5 поколения параметры канала распространения сигнала зависят от свойств среды и конкретной области применения системы. Требования к антеннам определяются числом пространственных кластеров и продуктов многолучевого распространения в каждом из них. Если канал распространения насыщен, то способность управлять лучом антенны становится менее важной по сравнению с каналом низкой плотности, в котором хоть и будет меньшее затухание, однако потребуется более качественное управление лучом.

В результате разработчикам необходимо учитывать при разработке, помимо прочего, и параметры среды применения систем. По этой причине инструменты разработки должны обеспечивать простые и быстрые методы оценки всех возможных вариантов реализации проекта, при этом позволяя проводить точный схемный, системный и электромагнитный (ЭМ) анализ. Высокий уровень интеграции всех необходимых для этого инструментов нужен для точного расчёта ДН антенны и учёта взаимодействия между ней и активными компонентами ВЧ тракта на этапе, предваряющем создание первых прототипов системы.

В идеальном случае все инструменты проектирования являются интегрированной платформой, поддерживающей совместное моделирование, совместимость данных симуляторов и лёгкий доступ к ним при переходе от одного инструмента к другому. Примером такой среды проектирования является NIAWRDesignEnvironment, объединяющая ключевые элементы проектирования ФАР (синтез, анализ и оптимизацию) и функционал отдельных компонентов NIAWR (рисунок 3) для успешного прохождения маршрута проектирования с первой попытки (рисунок 4).

 

Рисунок 3: Применение различных модулей и инструментов в проектировании ФАР

 

Перечислим основные этапы предлагаемого маршрута проектирования системы с ФАР:

•      Определение требований к ФАР на основе каскадного анализа

•      Синтез антенны

•      Расчёт ДН при помощи ЭМ симуляторов

•      Привязка рассчитанной ДН к антенному элементу

•      Оптимизация конфигурации решётки

•      Автоматизированное создание схемы (системной диаграммы) на основе введённых параметров

•      Создание файла данных ФАР

•      Создание тестовой системной диаграммы

•      Создание эквивалентной схемы ЭМ структуры решётки

•      Верификация характеристик ФАР при помощи ЭМ моделирования

•      Анализ ФАР с учётом обвязки на системном уровне

•      Переход на компонентный уровень в MicrowaveOffice

 

Рисунок 4: Модуль синтеза ФАР в составе VSSсоздаёт антенную решётку, элементы сдвига фазы/амплитуды и цепи делителя/сумматора сигнала на основе введённых пользователем данных.

 

Проектирование элементов антенной решётки

При разработке антенн основную роль играют значения таких её параметров, как требуемый частотный диапазон, рабочая полоса, коэффициент усиления, импеданс и поляризация. Без поддержки процесса средствами автоматического проектирования разработчикам, пытающимся определить отправную точку в новом проекте, приходится полагаться исключительно на общепринятые выкладки и опыт создания аналогичных проектов в прошлом, чтобы в результате получить заданные характеристики антенны. Разумеется, вероятность успеха в таком случае невелика, поскольку речь не идёт ни о какой оптимизации конструкции антенны для достижения требуемых показателей с учётом ограничений по стоимости и размерам, которые становятся всё более и более существенными и строгими в условиях развития систем нового поколения.

 

Всё изменилось с появлением AntSyn™ — модуля синтеза и оптимизации антенных устройств от NIAWR, благодаря которому разработчик может получить готовый проект антенны, просто введя её спецификации и позволив мощным эволюционным алгоритмам провести оптимизацию конструкции при помощи полноценного ЭМ анализа. Такой подход позволяет не только существенно сэкономит время, но и исследовать гораздо больше возможных вариантов конструкции антенны, а значит – и с большей вероятностью добиться требуемых параметров устройства.

 

AntSyn был разработан профессионалами в проектировании антенн и предназначен для использования инженерами с любым опытом – от абсолютных новичков в области до экспертов с многолетним опытом. Интерфейс AntSyn прост и понятен в использовании и позволяет синтезировать совершенно различные конструкции: от спиральных и патч-антенн до антенн Яги и Вивальди. Маршрут проектирования сводится к заполнению листа спецификации антенны, где можно задать требуемый частотный диапазон, параметры согласования импеданса, диаграмму направленности антенны, а также учесть ограничения по используемым материалам и физическим размерам устройства.

 

 

Рисунок 5. Часть окна ввода спецификации антенны в AntSyn, в котором можно выбрать частотный диапазон, в том числе и из числа предустановленных стандартов.

Отдельно стоит упомянуть о диаграммах направленности, являющихся одним из самых важных параметров антенн. ДН задаёт распределение уровней мощности сигнала в различных направлениях распространения от антенны. Изотропные антенны излучают одинаково во всех направлениях, но не существуют в природе; тем не менее, их поведение используется для сравнения с реальными антеннами, как, например, для всенаправленной антенны, ДН которой изотропна в одной плоскости – примером могут быть дипольные и щелевые антенны. В отличие от них, антенны с определённой направленностью обладают ДН с выраженным пиком в одном из направлений.

В AntSyn разработчики могут вводить требования к ДН при помощи угла места и азимута (рисунок 6). Трёхмерные ДН формируются на основе одного из их двумерных сечений (по азимуту или углу места) и указания углов, на которые это сечение распространяется в другом направлении. Другой способ – задать требуемое значение усиления в одном или нескольких заданных направлениях. Помимо этого, можно задать границы коэффициента усиления: больше, равен или меньше указанного значения.

 

Ширина главного лепестка ДН – ещё один из управляемых параметров, задающий все углы, на которых коэффициент усиления превышает заданный уровень в основном направлении. Перед запуском моделирования заданная ДН строится на полярном графике в правой части окна.

 

Конструкции антенн, синтез и экспорт результатов

Для создания конструкции антенны, удовлетворяющей заданным требованиям, AntSynпозволяет разработчику ввести основные физические параметры антенны: ось, максимальный размер, ограничения заземляющей плоскости и наличие диэлектрических материалов.

 

После этого пользователь может задать качество синтеза, то есть уровень точности и производительности расчётов при оптимизации конструкции антенны. Для этого в AntSyn встроена запатентованная технология стохастической оптимизации при помощи 3D ЭМ расчётного алгоритма, обеспечивающая быстрый и точный анализ произвольных металлических и диэлектрических/магнитных структур.

Стохастичный подход, лежащий в основе технологии, обеспечивает большое разнообразие конструкций антенн, анализируемых в процессе синтеза оптимальной геометрии устройства. Мощный численный ЭМ симулятор на основе метода моментов вкупе с четырёхгранной сеткой и базисными функциями высших порядков (HOBF) позволяет получать самые точные результаты расчётов – в том числе распределения токов по поверхностям, расчёты полей в ближней и дальней зонах, а также параметры цепей антенны.

 

Результатом синтеза и оптимизации будут несколько вариантов конструкций антенны, каждая из которых будет оценена по 5-бальной шкале соответствия введённым спецификациям. Полученные результаты можно экспортировать для дальнейшего анализа в ЭМ симуляторах или включения антенны в состав ФАР. Среди доступных возможностей экспорта – Analyst (3D симулятор NIAWR на основе метода конечных элементов), AXIEM (3D планарный симулятор NIAWR), HFSS (Ansys), MicrowaveStudio (CST), WIPL, а также форматы работы с 3D объектами: DXF, STEP, FreeCAD и SolidWorks.

 

В описанном в нашей статье маршруте проектирования AntSyn используется для создания начальной конструкции антенны, которая затем импортируется в ЭМ симулятор (Analyst, AXIEM, HFSS, CST или др.) для дальнейшего анализа и, возможно, оптимизации. Для того, чтобы применить полученные в AntSyn результаты в модуле синтеза ФАР, пользователю необходимо экспортировать антенну в одном из форматов, с которыми работают вышеупомянутые ЭМ симуляторы. В случае работы с AXIEM или Analyst, специальный алгоритм создаст XML-файл, который сможет воссоздать планарную или трёхмерную антенну после того, как будет загружен при помощи команды “EMsocketdata ..” в новый ЭМ документ в дереве проектов NIAWRDesignEnvironment.

 

После импорта и моделирования антенны её диаграмма направленности может быть сохранена в проекте как файл данных соответствующего формата, что позволит использовать её в модуле синтеза ФАР в качестве входных данных для задания ДН решётки (рисунок 6). Это позволяет оптимизировать ФАР и разработать цепь питания на основе уже полученной диаграммы направленности отдельного элемента; модуль синтеза ФАР поможет рассмотреть практически неограниченное количество конфигураций решётки благодаря отображению поведения ФАР в режиме реального времени при изменении таких параметров, как угол сканирования, уровень мощности и частота сигнала, а также возможности учесть влияние цепи питания, краевых эффектов и взаимного влияния элементов решётки.

 

 

Рисунок 6: Алгоритм синтеза отдельных элементов антенны, создания файла ДН по результатам ЭМ моделирования и конфигурации ФАР на его основе

 

Проектирование ФАР

Модуль синтеза ФАР в составе VSS позволяет настраивать конфигурацию элементов решётки, включая их количество, форму решётки (сеточную, треугольную, радиальную или произвольную), а также другие ключевые электрические и физические параметры:

 

o   Количество элементов

o   Расстояние между элементами

o   Взаимодействие между элементами

o   Частота

o   Форма решётки

o   ДН каждого элемента или группы элементов

 

Одной из особенностей модуля является возможность объединения излучающих элементов в группы, что облегчает работу с крупными ФАР: можно выделить определённые элементы (например, угловые или краевые) и назначить им различные параметры излучения или ВЧ трактов.

 

Чтобы сгруппировать элементы, пользователь создаёт новую группу (кнопка New), которая появляется в списке групп под стандартным названием «GroupN». Название можно изменить на более содержательное: например, «edgeelements» или «cornerelements»; для этого нужно придумать новое название и дважды кликнуть по названию группы. Следующий шаг – выбор элементов группы, для чего пользователь зажимает клавишу Shift и выбирает элементы новой группы, затем кликает по одному из них правой клавишей мыши, выбирает «ChangeGroup» и кликает по названию нужной группы в выпадающем меню.

 

Рисунок 7: Элементы можно группировать и назначать им пользовательские конфигурации (ElementAntenna и ElementRFLink)

 

Если решётка радиальная или сетчатая, то можно использовать функцию AutoGroup, автоматически объединяющую элементы в предустановленные группы. В сетчатой ФАР функция AutoGroup создаст до 9 групп элементов (в зависимости от их количества в решётке): по одной группе для каждого из угловых элементов (до 4 групп), группы по краям решётки (4 группы) и группа всех остальных (внутренних) элементов. В радиальной конфигурации функция AutoGroup объединит элементы каждой из составляющих решётку окружностей. Разумеется, в ручном режиме можно создать совершенно любые комбинации групп и элементов.

 

Отображение конфигурации решётки и результирующей ДН происходит в реальном времени (рисунок 8).

Рисунок 8: (слева) – отображение конфигурации и топологии решётки; (справа) – модуль позволяет строить ДН решётки в реальном времени и учитывать зависимости от частоты, уровня мощности сигнала и углов сканирования.

 

Цепи питания

Модуль синтеза ФАР позволяет задать параметры цепи питания в виде потерь между общим портом и портами элементов решётки, а также характеристический импеданс (или S11, КСВН или возвратные потери).

 

Ряд настроек позволяет ввести характеристики делителя/сумматора в питающей цепи. При создании системных диаграмм пользователи могут либо добавить единственный блок SPLITTER для всей цепи, либо построить каскад из отдельных делителей. Параметр “Lossbetweencommonandelementport” определяет общие потери между общим портом цепи питания и портом отдельного элемента решётки.

 

По умолчанию, характеристический импеданс задаётся таким же, как и на вкладке RFOptionsв окне SystemSimulatorOptions в VSS. Параметр S11/ReturnLoss/VSWRпо умолчанию соответствует значению S11=0.
Частотная зависимость может быть задана для любого из параметров делителя/сумматора следующим образом: значение параметра задаётся массивом частотно-зависимых значений, после чего в поле Frequenciesforfrequencydependencies вводится массив, содержащий требуемые значения частот (рисунок 9).

 

Рисунок 9: Ввод параметров цепи питания в модуле синтеза ФАР

 

Цепь питания можно настроить и для работы в режиме «многоканальный вход-многоканальный выход»: элементы решётки рассматриваются как отдельные элементы без каких-либо ВЧ трактов и соединений. В режиме “Combined” излучаемый сигнал представляет собой суммарное излучение всех элементов решётки одновременно в одной точке пространства. В режиме “Separate” излучаемый сигнал – это результат мультиплексирования сигналов от каждого отдельного элемента.

 

Параметры трактов элементов решётки можно задать на вкладке ElementRFLink, указав коэффициент усиления, коэффициент шума, точку однодецибельной компрессии, точки пересечения 2 и 3 порядка, а также входной/выходной характеристический импеданс. Набор доступных для ввода параметров зависит от режима работы ФАР – это может быть режим передачи, режим приёма, или же можно использовать один и тот же набор параметров для описания обоих режимов одновременно.

 

 

Рисунок 8_2: ввод параметров трактов в модуле синтеза ФАР

 

Разработчик может создать несколько конфигураций трактов, после чего назначать их элементам или группам элементов. За исключением группы [Default], всем элементам группы в таком случае будет соответствовать один и тот же набор параметров тракта. В группе [Default] отдельным её элементам можно назначить индивидуальные конфигурации.

 

Наборы параметров создаются нажатием клавиши New, при этом в список доступных конфигураций добавляется новый набор, название которого также можно изменить для удобства. Другой способ – выбрать одну или несколько групп элементов на топологии ФАР, кликнуть правой клавишей и выбрать Assign RF Link Configuration > Create Configuration.

 

Параметры трактов можно задать как набором параметров, так и при помощи текстового файла данных. Отметим ещё несколько ключевых особенностей модуля:

·         Выбор конфигурации тракта в таблице Configurationsвыделит все элементы на топологии, которым назначена эта конфигурация.

·         На топологии ФАР можно выделить все элементы с определённой конфигурацией, выбрав её в меню Select RF Link Configuration

·         Выбор отдельного элемента на топологии, принадлежащего какой-либо группе, кроме [Default], выделит все элементы, принадлежащие той же группе.

·         Выбрав ExtendSelectiontoAllwithRFLinkConfiguration, можно выделить все элементы с заданной конфигурацией.

Модуль синтеза позволяет разработчику задавать амплитудное распределение решётки. В цветовом виде это отображается на топологии ФАР. Существует возможность использования не только стандартных, но и произвольных распределений. По аналогии с вводом характеристик антенны и трактов, для каждого элемента решётки или группы элементов можно задать значения коэффициента усиления и фазы.

Важной особенностью модуля является возможность анализа влияния отказа одного или нескольких элементов на параметры решётки. Можно выбрать определённые или случайные элементы, которые будут промоделированы как не пропускающие управляющий сигнал. При каждом запуске анализа отказов случайных элементов будут выбраны новые комбинации неработающих антенн в составе ФАР.

 

Экспортрезультатовдлядальнейшегоанализа

Одна из основных задач модуля синтеза ФАР – облегчить жизнь разработчиков благодаря простому и интуитивно понятному процессу ввода конфигурации решётки, параметров излучения и трактов, цепей питания, учёта амплитудного распределения и возможного отказа элементов; в результате пошагового выполнения всех этих шагов пользователь получает оценку ДН с учётом изменения частоты, мощности и углов сканирования в режиме реального времени. Тем не менее, на этом дело не останавливается – следующим шагом становится моделирование на схемном или системном уровне с учётом вопросов физической реализации устройства. Весь процесс от синтеза антенны, генерации ДН путём ЭМ анализа, конфигурации решётки и цепей питания до перехода к схемному или системному анализу схематично представлен на рисунке 9.

  

Рисунок 9_2: этапы проектирования ФАР в NIAWRDesignEnvironment – синтез антенного элемента (слева вверху), моделирование ДН (слева внизу), ввод ДН в модуль синтеза ФАР (посередине внизу), настройка структуры (посередине вверху) и создание решётки из отдельных элементов (справа)

 

Дополнительный анализ может включать одновременное ЭМ моделирование антенной решётки и симуляцию цепи питания ФАР на схемном или системном уровне на основе поведенческих блоков элементов с характеристиками, заданными в модуле синтеза ФАР. В зависимости от необходимости, модуль может создать подходящие выходные файлы для дальнейшей работы в MicrowaveOffice, VSS или выбранном ЭМ симуляторе (AXIEM, Analyst или в сторонних инструментах вроде ANSYSHFSS).

 

Модуль генерирует набор системных диаграмм в VSS, включающий все параметры и подсистемы созданной ФАР, включая:

·         Файл полноценной ФАР с входным и выходным портом, который может быть использован в качестве подсхемы. Помимо этого, создаётся текстовый файл данных с координатами и параметрами каждого из антенных элементов.

·         Цепь питания для ФАР или мультиплексор/демультиплексор для режима MIMO.

o   В случае ФАР цепь питания может состоять из одной или нескольких каскадированных подсхем делителей.

·         Подсхема для каждой созданной группы элементов.

·         Подсхема для каждой конфигурации ВЧ трактов и антенных элементов.

·         Подсхема для фазовращателя, задающего усиления и фазу каждого элемента. Данная подсхема рассчитывает требуемый фазовый сдвиг для заданной пары углов THETA/PHIдля элемента с определёнными координатами.

·         В случае, если не предполагается работа в режиме MIMO, возможна генерация полноценной тестовой схемы, включающей:

o   Системную диаграмму с блоком созданной ФАР и развёрткой переменных для углов THETA/PHI.

o   График с каскадными измерениями параметров с учётом заданной развёртки.

 

Опция создания схемного представления сгенерирует набор схем и ЭМ структуру для моделирования ФАР, включая ВЧ тракты, фазовращатели и цепи питания, представленные в виде схем, и саму ФАР в виде ЭМ документа. Опция недоступна в режиме MIMO и при вводе параметров отдельных элементов в виде ЭМ документа. Генерируется следующий набор схем: основная схема ФАР, подсхема цепи питания, подсхемы каждой из групп элементов, подсхемы каждой конфигурации ВЧ трактов и параметров излучения для каждой из групп элементов, а также подсхема фазовращателя.

 

Третий вариант – текстовый файл данных, который может быть использован встроенным в VSSблоком для работы с ФАР: PHARRAY_F. Как и в случае с генерацией системных диаграмм, есть возможность создания полноценной тестовой схемы, если речь не идёт о работе в режиме MIMO.

 

Некоторые из типичных генерируемых модулем подсхем показаны на рисунке 10. Эти предустановленные подсхемы полностью готовы для дальнейшего анализа на схемном/системном уровне, а также замене идеальных компонентов на реальные.

 

 

Рисунок 10: Вид окон подсхем решётки и цепей питания в NIAWRDesignEnvironment, созданных автоматически при помощи модуля синтеза ФАР

 

Заключение

В статье представлены инструменты, автоматизирующие и упрощающие процесс проектирования фазированных антенных решёток с учётом цепей питания и параметров ВЧ трактов. Новый модуль синтеза ФАР, входящий в состав программного обеспечения NIAWR, позволяет перейти от создания отдельного антенного элемента и электромагнитного расчёта его диаграммы направленности к генерации конструкции решётки на основе полученных результатов и задаваемых пользователем параметров ФАР с возможностью контроля влияния различных параметров на характеристики решётки в режиме реального времени. На основе этих параметров рассчитывается ДН и генерируется набор схем и ЭМ структур для дальнейшего анализа и перехода к физической реализации проекта.

Читать/скачать статью в пдф