Progettazione e simulazione di antenne
Simulazione elettromagnetica SIMULIA per una progettazione efficiente delle antenne
In che modo la simulazione aiuta nella progettazione di antenne RF?
La progettazione dell'antenna consiste nella scelta dell'antenna giusta per soddisfare esigenze specifiche quali larghezza di banda, polarizzazione e direttività. La simulazione dell'antenna aiuta a trovare progetti di antenne ottimali e rivela le prestazioni installate e le interferenze negli ambienti reali.
Quali sono i tipi di antenne?
Le antenne costituiscono la base di tutti i dispositivi e sistemi wireless connessi. Smartphone, computer, impianti elettronici, macchinari industriali, veicoli, treni, aerei, veicoli spaziali: praticamente qualsiasi attrezzatura moderna include antenne per i protocolli di comunicazione, come Wi-Fi, Bluetooth e 5G. Le tendenze in arrivo, come il 6G e le mega-costellazioni di Internet via satellite, richiedono nuovi progetti e installazioni di antenne.
Le antenne hanno anche molte applicazioni esterne alla comunicazione. I sistemi radar utilizzano antenne per trasmettere e ricevere onde radio, mentre molti altri sensori utilizzano antenne per raccogliere dati sull'ambiente. Molti dispositivi medici utilizzano antenne per la comunicazione (ad esempio, monitor indossabili), l'imaging (ad esempio, imaging a microonde), il trattamento (ad esempio, ipertermia a radiofrequenza (RF)) e la ricarica (ad esempio, impianti). Il trasferimento di energia wireless e la raccolta di energia utilizzano antenne come parte del sistema rectenna che converte la radiofrequenza in corrente elettrica; questi sistemi costituiscono la base dell'identificazione a radiofrequenza (RFID) e della comunicazione NFC (Near-Field Communication).
Progettazione dell'antenna
La progettazione di un'antenna è fondamentale affinché specifiche quali frequenza centrale, larghezza di banda, efficienza e direttività/guadagno siano soddisfatte. Tuttavia, anche il posizionamento dell'antenna è importante: la piattaforma su cui viene posizionata può influire in modo significativo sulle sue prestazioni. La propagazione in ambienti reali complessi può causare problemi di copertura o interferenze tra i sistemi radio.
Simulazione di antenne
La simulazione può essere utilizzata in tutte le fasi di sviluppo e integrazione delle antenne per produrre progetti di antenne attuabili, ottimizzarli per soddisfare le specifiche e analizzarne le prestazioni una volta installate e l'esposizione RF. SIMULIA offre ai progettisti di antenne una gamma completa di strumenti per la sintesi e la simulazione elettromagnetica, in grado di soddisfare le esigenze di ogni progetto di antenna.
Sistemi di antenne radio
Oltre alle antenne stesse, gli strumenti di simulazione elettromagnetica SIMULIA possono essere utilizzati anche per progettare feed e altri componenti, come circuiti di sintonizzazione, filtri, multiplexer e guide d'onda. Per ulteriori informazioni, consultare la sezione Simulazione microonde e RF.
Flusso di lavoro per la progettazione e la simulazione di antenne
- Selezione
- Procedure guidate di progettazione
- Simulazione 3D
- Simulazione dell'array
- Corrispondenza di impedenza
Selezione dell'antenna
Il successo di qualsiasi sistema wireless inizia con la selezione dell'antenna giusta per l'applicazione. Con così tanti tipi di antenna diversi e nuovi progetti disponibili, può essere difficile trovare l'antenna più adatta per il lavoro. SIMULIA Antenna Magus è uno strumento che permette agli utenti di accedere e consultare un ampio database di antenne.
Procedure guidate di progettazione antenne
La procedura guidata di progettazione di SIMULIA Antenna Magus può suggerire automaticamente i tipi di antenna che si adattano alle specifiche e alle dimensioni necessarie e costruire modelli pronti per la simulazione sintonizzati sulle frequenze specificate. Altri strumenti di sintesi SIMULIA, tra cui CST Studio Suite, WASP-NET e Fest3D, offrono potenti strumenti di automazione della progettazione per applicazioni specifiche di antenna e alimentazione.
Simulazione 3D dell'antenna
Il progetto dell'antenna può essere modificato e analizzato in 3D in CST Studio Suite. È possibile aggiungere altri elementi, ad esempio feed e materiali modificati. L'ottimizzazione può migliorare le prestazioni dell'antenna, tenendo conto degli effetti di accoppiamento e parassiti. Gli utenti possono calcolare i KPI standard dell'antenna, come lo schema di radiazione a campo lontano, la direttività, il guadagno, i parametri S e KPI specifici per applicazioni come il 5G. È anche possibile calcolare ed esportare i campi vicini come sorgenti per la simulazione del posizionamento dell'antenna.
Simulazione dell'array dell'antenna
È possibile creare array di antenne utilizzando la procedura guidata dell'array di CST Studio Suite. Ogni fase della progettazione, dal singolo elemento all'ottimizzazione come array infinito, fino alla simulazione finale di array 3D finiti, può essere combinata in un flusso di lavoro integrato per aiutare gli utenti a creare rapidamente un modello di array. È possibile anche simulare rapidamente array di grandi dimensioni con prestazioni elevate.
Corrispondenza di impedenza dell'antenna
Un'antenna di solito fa parte di un modulo più grande e gli effetti di prossimità dovuti a feed, radome, piani di terra e altri elementi influiscono sulle prestazioni. Un circuito corrispondente può correggere la mancata corrispondenza di impedenza causata dall'installazione di un'antenna su un modulo; la simulazione può trovare i valori del circuito di sintonizzazione che ottengono le prestazioni migliori.
- Componenti di alimentazione ad alta potenza
- Prestazione installata
- Effetti delle interferenze
- Certificazione
Componenti di alimentazione ad alta potenza
Per le applicazioni di vuoto ad alta potenza, in particolare nello spazio, gli effetti multipactor e corona possono danneggiare l'alimentazione. La simulazione rivela possibili modalità di guasto, inclusi gli effetti termici, per garantire che l'antenna funzioni in modo sicuro dopo il lancio.
Analisi delle prestazioni dell'antenna installata
Anche gli effetti della piattaforma sono importanti. La piattaforma su cui è installata un'antenna può riflettere, diffondere o assorbire le onde radio e influire sulle prestazioni dell'antenna, mentre l'accoppiamento tra l'antenna e il corpo in metallo della piattaforma può desintonizzarla. Indipendentemente che la piattaforma sia piccola e complessa come un notebook o uno smartphone o elettricamente molto più grande come un'auto, un aereo o una torretta di celle, la simulazione può calcolare le prestazioni installate e aiutare a trovare il posizionamento ideale dell'antenna.
Analisi dell'interferenza tra siti
È possibile simulare ambienti complessi come strade, uffici e fabbriche per calcolare la propagazione multipercorso e la copertura prevista in scenari realistici. Con la simulazione è inoltre possibile analizzare e mitigare le interferenze tra siti e antenne . Le interferenze tra sistemi di antenne possono essere analizzate con CST Studio Suite Interference Task, che evidenzia i potenziali rischi EMI e aiuta gli ingegneri a mitigarli rapidamente.
Certificazione con la simulazione
Qualsiasi dispositivo con funzionalità di trasmissione deve essere certificato per numerose norme di sicurezza, ad esempio in materia di interferenze elettromagnetiche (EMI) ed esposizione alle radiofrequenze umane. La simulazione rivela modelli di campo all'interno di modelli realistici del corpo umano, calcolando il tasso di assorbimento specifico (SAR) e altri KPI di esposizione alle radiofrequenze in modo più efficiente rispetto alle misure.
Organismi come la Federal Communications Commission (FCC) accettano i dati di simulazione come alternativa alle misurazioni per molti scopi di certificazione. Realizzare e testare un prototipo di antenna virtuale utilizzando la simulazione consente di risparmiare tempo e denaro rispetto ai prototipi fisici tradizionali. I risultati possono essere ottenuti entro ore o giorni invece di settimane o mesi. Se viene identificato un problema, è possibile risolverlo rapidamente ed eseguire una nuova simulazione, riducendo il rischio di costosi errori nelle fasi avanzate.
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Domande frequenti sul software per la progettazione di antenne
Un'antenna a dipolo, spesso considerata il tipo più semplice di antenna, è composta da due elementi conduttivi di uguale lunghezza e allineati lungo lo stesso asse. Un dipolo ha una larghezza di banda relativamente ridotta intorno alla frequenza di funzionamento, determinata dalla lunghezza dell'antenna. Il dipolo classico ha una lunghezza d'onda dimezzata.
Tuttavia, a causa dei campi di frazionamento, la lunghezza effettiva del dipolo è più lunga della metà della lunghezza d'onda, il che determina una frequenza di risonanza leggermente inferiore rispetto a quanto suggerito dalla lunghezza fisica. L'antenna a dipolo funziona applicando il segnale al centro, facendo in modo che gli elementi irradino campi elettromagnetici principalmente perpendicolari all'asse del dipolo. Il dipolo si trova sul piano dell'asse omnidirezionale, determinando il caratteristico schema di radiazione a forma di ciambella per un dipolo a mezza lunghezza d'onda.
Un'antenna opera nell'interfaccia tra i segnali elettromagnetici guidati e la propagazione delle onde radio dello spazio libero. Un'antenna in genere fornisce una struttura conduttiva, dalla quale i segnali alimentati possono staccarsi e spostarsi attraverso lo spazio. La stessa antenna può anche ricevere i campi elettromagnetici e inviarli come tensioni e correnti ai terminali. Lo schema di radiazione determina la direzione di radiazione preferita.
La progettazione di antenne è un campo complesso e impegnativo nell'ambito dell'ingegneria elettrica. La difficoltà deriva dall'interazione tra principi teorici, modellazione matematica e considerazioni pratiche. La progettazione di un'antenna richiede una profonda comprensione della teoria elettromagnetica, delle caratteristiche di propagazione e dei requisiti specifici dell'applicazione. Tuttavia, un software dedicato per la progettazione di antenne può semplificare la vita di un ingegnere addetto alla progettazione di antenne.
Antenna Magus è uno strumento software per l'accelerazione del processo di progettazione e modellazione dell'antenna. Grazie al suo database di oltre 350 antenne, semplifica la scelta del modello di antenna più appropriato per soddisfare i requisiti.
Dalla corrispondenza dei requisiti di base dell'antenna...
Antenna Magus offre progetti affidabili di primo ordine che sono stati convalidati in base ai dati di riferimento. Ogni antenna viene analizzata in modo dettagliato e gli algoritmi di progettazione vengono sottoposti a vari test e routine di convalida per confermarne il corretto funzionamento per un'ampia gamma di obiettivi combinati.
Gli ingegneri possono progettare antenne per specifici obiettivi quali guadagno, larghezza del fascio, larghezza di banda e impedenza semplicemente premendo un pulsante.
La funzionalità "Stima prestazioni" consente di eseguire un'analisi rapida dell'antenna progettata per fornire un'indicazione in merito alla sua idoneità per il progetto finale.
... alla definizione di un modello di antenna ai fini della simulazione elettromagnetica 3D
La funzione di esportazione di Antenna Magus libera il tempo necessario per la progettazione delle antenne, riducendo la necessità di padroneggiare il software di simulazione. Ciò consente di testare rapidamente nuovi concept e idee di progettazione. I modelli di simulazione parametrica "pronti all'uso" consentono agli utenti di sfruttare in modo più efficiente le funzionalità degli strumenti di simulazione dei campi elettromagnetici (EM) 3D supportati. Le combinazioni di modelli possono accelerare la realizzazione di nuove topologie.
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