В данной статье мы расскажем об уникальном проекте антенны, созданном благодаря инструментам синтеза и оптимизации, встроенным в программное обеспечение NIAWR.
Синтез антенны
Для демонстрации возможностей программных инструментов был создан проект трёхмерной решётчатой антенны (рис.1) для синтеза и оптимизации при помощи AntSyn – уникального продукта, позволяющего на основе заданных спецификаций синтезировать конструкцию антенны и провести полноценное трёхмерное электромагнитное (ЭМ) моделирование на удалённых серверах Amazon (доступны и локальные версии).
Рисунок 1: прототип трёхмерной решётчатой антенны, покрытый серебром.
Трёхмерная решётчатая антенна – это переплетение цилиндрических проводников, состоящих из прямых отрезков и 90-градусных перегибов, конструкция которых синтезируется при помощи программного обеспечения. Полученный результат можно импортировать в любой доступный 3D ЭМ симулятор наподобие Analyst для верификации и подстройки.
AntSynсоздавался для того, чтобы использовать его могли инженеры с любым опытом работы с антеннами: от экспертов в области до абсолютных новичков. Ввод спецификаций производится через дружелюбный и интуитивно понятный интерфейс, в котором, можно задать все необходимые параметры антенны, такие как частотный диапазон или несколько диапазонов, диаграмма направленности, целевой импеданс и физические размеры. Помимо того, можно указать желаемые типы и конструкции антенн из обширной библиотеки, включающей как распространённые типы антенн (патч-антенны, антенны Вивальди и т. д.), так и нестандартные конструкции.
Для генерации конструкции, соответствующей заданным спецификациям, AntSynпредлагает пользователю указать физические ограничения, включающие ось антенны, максимальный объём, занимаемый конструкцией, ограничения на размеры самой антенны, минимальные и максимальные размеры заземления и параметры диэлектриков.
Синтез производится на основе эволюционных алгоритмов для всех выбранных потенциальных конструкций, после чего разработчик может наглядно сравнить полученные результаты и оценить, какие из них наилучшим образом отвечают заданным требованиям. Все результаты отображаются в AntSyn, после чего конструкция антенны может быть экспортирована в ЭМ симуляторы для дальнейшего анализа. К примеру, на рисунке 2 показана синтезированная конструкция антенны и диаграмма направленности (ДН) на графике.
Рисунок 2: синтезированная антенна импортируется в Analystдля дальнейшего анализа.
3DЭМ симулятор на основе метода конечных элементов Analyst, встроенный в NIAWRDesignEnvironment, позволяет производить трёхмерное ЭМ моделирование с адаптивным построением тетраэдрической сетки, прямым и итеративным солверами, а также с дискретной и быстрой развертками по частоте. Симулятор способен точно и быстро промоделировать сложные структуры, включая антенны любых типов, в том числе патч-антенны и антенные решётки на диэлектриках конечной толщины, построить ДН в ближней и дальней зоне (рис. 3), и рассчитать такие параметры антенн, как коэффициент усиления, направленность, КПД, уровень боковых лепестков ДН, возвратные потери, поверхностные токи и т.п.
Рисунок 3: ДН антенны в дальней зоне, полученная в Analyst.
Изготовление
Трёхмерная решётчатая антенна, ввиду своей сложной структуры, может быть достаточно дорогой и непростой в изготовлении традиционными методами, однако дело значительно упрощается при использовании технологии 3D-печати. Данный проект был рассчитан на изготовление на принтере, доступном авторам статьи, однако при наличии более технологически совершенных принтеров возможно создание антенн меньшего размера и большей сложности конструкции. В данном случае спецификации антенны были заданы следующим образом: частотный диапазон 5.0-5.1 ГГц, усиление более 5 дБн вдоль электрической оси антенны и более 3 дБн при θ = 45°. Для θ = 135° усиление задано менее -10 дБн (рис. 4); уровень возвратных потерь в заданном диапазоне не менее 10 дБ, совокупные размеры антенн – не более 6 Х 6 Х 6 см.
Рисунок 4: интерфейс ввода диаграммы направленности
Стоит отметить, что размеры самой антенны были ограничены до 3 Х 3 Х 6 см, заземление – до 6 Х 6 Х 0.3 см, а радиус проводника антенны ограничен между 0.02 и 0.04 длин волн (на 5 ГГц) для упрощения изготовления конструкции.
Одна из настроек AntSynпозволяет выбирать глубину поиска возможных конструкций антенны. Выбор опции быстрого поиска “Fastresults” позволил получить удовлетворительные результаты всего за 15 минут, тем самым подтвердив возможность создания выбранной конструкции при заданных параметрах. Для финального синтеза была выбрана опция максимальной точности “BestPerformance”. Во время синтеза было проведено более 50000 симуляций, проводившихся параллельно на 4 процессорах. Каждая итерация занимала от 1 до 11 секунд, при этом общее время синтеза и оптимизации составило 10 с половиной часов.
В результате синтеза была получена конструкция антенны высотой 2.31 Х 2.24 Х 2.31 см. Процесс изготовления прототипа изображен на рисунке 5. Синтезированная в AntSynмодель с незначительными модификациями порта питания может быть использована напрямую для 3D-печати.
Рисунок 5: этапы создания антенны: а) модель в САПР, б) распечатанная антенна, в) антенна после покрытия серебром, г) тестируемый прототип (авторы изображения: Д. Шен и Д.С. Рикеттс)
Входной порт антенны на симуляционной модели (рис. 5а) был отсоединён от заземления для ручного добавления коаксиального коннектора, разработанного на основе стандартного SMA-коннектора. Модель была распечатана на 3Dпринтере с цифровой оптической обработкой из акрилатного пластика. Разрешение печати составило 50 Х 50 Х 50 мкм. Как видно из рисунка 4б, была выбрана ориентация заготовки под 45 градусов для сокращения числа поддерживающих конструкций. Распечатанная антенна была металлизирована (рис. 5в) методом химического восстановления, в результате чего была получена пленка серебра толщиной 100 нм. Толщина металлизации была увеличена до 30 мкм за счёт электролитического покрытия медью.
Измерения
Изготовленная антенна была установлена поворотную площадку в безэховой камере для измерений ДН (рис. 5г). На рисунке 6 показаны измеренные данные в сравнении с результатами ЭМ моделирования. Уровень возвратных потерь указывает на полученное широкополосное согласование от 4.6 до 5.4 ГГц; коэффициент усиления максимален в области 5 ГГц. Полученные ДН в Е- и Н-плоскостях соответствуют результатам моделирования. Отклонения от данных симуляции объясняются либо погрешностями процесса печати, либо влиянием коаксиального коннектора, который не учитывался при моделировании.
Рисунок 6: сравнение результатов моделирования и измерений (авторы изображения: Д. Шен и Д.С. Рикеттс).
Заключение
Уникальный проект антенны, основанный на использовании инструмента синтеза и оптимизации AntSyn, доказывает, что функционал программных решений NIAWRпозволяет создавать высокопроизводительные антенны нестандартных конструкций, что было бы невозможно при использовании стандартных методов проектирования антенных устройств. Применение методов 3D печати позволило получить технологический процесс, начинающийся с ввода спецификаций в пользовательском интерфейсе и заканчивающийся получением работоспособного и отвечающего заданным требованиям прототипа с первой попытки.