Автоматизация проектирования фазированных антенных решеток в NI AWR Design Environment

Введение

Фазированная антенная решетка (ФАР) — это антенна, состоящая из нескольких отдельных излучающих элементов, каждый из которых возбуждается высокочастотным сигналом, контролируемым при помощи фазовращателей таким образом, чтобы радиоизлучение от отдельных антенн суммировалось и увеличивалось в выбранном направлении, а в нежелательных направлениях — подавлялось.

По сравнению со всенаправленными антеннами, ФАР имеют такие преимущества, как более высокая направленность и скорость управления лучом (перемещение может быть осуществлено за несколько миллисекунд) и возможность излучения нескольких лучей одновременно. С точки зрения применения в радиолокации ФАР обеспечивают управление 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 сферы применения — это, например, системы связи 5G и «умные» системы автомобилей, для которых в настоящее время перспективной считается область миллиметровых волн (рис. 1). Как и в системах аэрокосмического и оборонного назначения, ФАР коммерческих систем должны отвечать строгим требованиям по эффективности и надежности, даже при работе в жестких и неблагоприятных условиях. Отличие же от военно-аэрокосмических применений состоит в необходимости массового производства и учета экономической рентабельности проекта.

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

В статье мы рассмотрим основы действия ФАР и наиболее важные факторы, которые следует обязательно учитывать при создании антенных систем нового поколения, и представим инновационные технологии и методы моделирования и проектирования таких систем, предназначенные специально для разработчиков высокоэффективных устройств и ВЧ-трактов, отвечающих требованиям по размерам и стоимости. Для успешного проектирования систем и их компонентов инженеру необходим надежный набор инструментов, способных работать с данными, описывающими поведение различных составляющих решетки и связанных с ней цепей, и позволяющих точно смоделировать результат взаимодействия всех элементов в целом, чтобы оценить основные характеристики антенны. Помимо прочего, у разработчика должна быть программная возможность простой передачи готового проекта в производство, включая и изготовление самой антенной решетки.

Почему ФАР?

С точки зрения разработчика системы связи или радиолокации, антенная решетка — это компонент с заданными входными и выходными характеристиками и конкретными параметрами. С точки зрения проектировщика антенной решетки, она является набором элементов с определенными физическими и электрическими ограничениями, накладываемыми системой в целом, с учетом которых разработчик должен оптимизировать этот сложный компонент системы. Модуль NI AWR Design Environment под названием Visual System Simulator (VSS) предназначен для решения обоих типов задач, помогая выполнять каскадный анализ трактов для определения требований к антенной решетке со стороны проектируемой системы и предлагая инструменты для проектирования компонентной базы ФАР.

Как было отмечено ранее, для сетей пятого поколения и автомобильных радаров перспективной считается 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 итоге значительно усложняет модель канала распространения сигнала в пространстве. Поэтому одной из причин выбора ФАР для использования в системах миллиметрового диапазона является возможность электронной перестройки диаграммы направленности — так называемого электронного сканирования.

В сетях пятого поколения параметры канала распространения сигнала зависят от свойств среды (рис. 2) 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 понадобится более качественное управление лучом.

Рис. 2. Частотная зависимость ослабления сигнала в воздухе в расчете на 1 км пути сигнала на кислороде (красная линия) и водяных парах (синяя линия)

В результате при разработке инженерам надо учитывать, помимо прочего, и параметры среды применения систем. Вот почему инструменты разработки должны обеспечивать простые и быстрые методы оценки всех возможных вариантов реализации проекта, одновременно позволяя проводить точный схемный, системный и электромагнитный (ЭМ) анализ. Высокий уровень интеграции всех необходимых для этого инструментов нужен для точного расчета ДН антенны и учета взаимодействия между ней и активными компонентами ВЧ-тракта на этапе, предваряющем создание первых прототипов системы.

Рис. 3. Модуль синтеза ФАР в составе VSS создает антенную решетку, элементы сдвига фазы/амплитуды и цепи делителя/сумматора сигнала на основе введенных пользователем данных

В идеальном случае все инструменты проектирования являются интегрированной платформой, поддерживающей совместное моделирование, совместимость данных симуляторов и легкий доступ к ним при переходе от одного инструмента к другому. Примером такой среды проектирования служит NI AWR Design Environment, объединяющая ключевые элементы проектирования ФАР (синтез, анализ и оптимизацию) и функционал отдельных компонентов NI AWR (табл.) для успешного прохождения маршрута проектирования с первой попытки (рис. 3).

Перечислим основные этапы предлагаемого маршрута проектирования системы с ФАР:

• Определение требований к ФАР на основе каскадного анализа.
• Синтез антенны.
• Расчет ДН при помощи ЭМ-симуляторов.
• Привязка рассчитанной ДН к антенному элементу.
• Оптимизация конфигурации решетки.
• Автоматизированное создание схемы (системной диаграммы) на основе введенных параметров.
• Создание файла данных ФАР.
• Создание тестовой системной диаграммы.
• Создание эквивалентной схемы ЭМ-структуры решетки.
• Верификация характеристик ФАР при помощи ЭМ-моделирования.
• Анализ ФАР с учетом обвязки на системном уровне.
• Переход на компонентный уровень в Microwave Office.

Проектирование элементов антенной решетки

При разработке антенн основную роль играют значения таких ее 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 идет ни о какой оптимизации конструкции антенны для достижения заданных показателей с учетом ограничений по стоимости и размерам, которые становятся все более существенными и строгими в условиях развития систем нового поколения.

Все изменилось с появлением AntSyn™ — модуля синтеза и оптимизации антенных устройств от NI AWR, благодаря которому разработчик может получить готовый проект антенны, просто введя ее спецификации и позволив мощным эволюционным алгоритмам провести оптимизацию конструкции при помощи полноценного ЭМ-анализа. Такой подход позволяет не только значительно сэкономить 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 данной сфере до экспертов с многолетним опытом. Интерфейс AntSyn прост и понятен в применении 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 (рис. 4).

Рис. 4. Часть окна ввода спецификации антенны в AntSyn, в котором можно выбрать частотный диапазон, в том числе и из числа предустановленных стандартов

Особо следует упомянуть диаграммы направленности — один из самых важных параметров антенн. ДН задает 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, чья ДН изотропна в одной плоскости — примером могут быть дипольные и щелевые антенны. В отличие от них антенны с определенной направленностью обладают ДН с выраженным пиком в одном из направлений.

В AntSyn разработчики могут вводить требования к ДН при помощи угла места и азимута (рис. 5). Трехмерные 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. Еще один способ — задать нужное значение усиления в одном или нескольких конкретных направлениях. Помимо этого, можно определить границы коэффициента усиления: больше, равен или меньше указанного значения.

Рис. 5. Алгоритм синтеза отдельных элементов антенны, создания файла ДН по результатам ЭМ-моделирования и конфигурации ФАР на его основе

Ширина главного лепестка ДН — еще один из управляемых параметров, предопределяющий все углы, на которых коэффициент усиления превышает заданный уровень в основном направлении. Перед запуском моделирования необходимая ДН строится на полярном графике в правой части окна.

Конструкции антенн, синтез и экспорт результатов

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

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

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

По итогам синтеза и оптимизации будет создано несколько вариантов конструкций антенны, каждый из которых оценивается по пятибалльной шкале соответствия введенным спецификациям. Полученные результаты можно экспортировать для дальнейшего анализа в ЭМ-симуляторах или включения антенны в состав ФАР. Среди доступных возможностей экспорта — Analyst (3D-симулятор NI AWR на основе метода конечных элементов), AXIEM (3D планарный симулятор NI AWR), HFSS (Ansys), Microwave Studio (CST), WIPL, а также форматы работы с 3D-объектами: DXF, STEP, FreeCAD и SolidWorks.

В маршруте проектирования, описанном в нашей статье, AntSyn используется для создания начальной конструкции антенны, затем импортируемой в ЭМ-симулятор (Analyst, AXIEM, HFSS, CST или т. д.) 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 взаимодействуют упомянутые ЭМ-симуляторы. При работе с AXIEM или Analyst специальный алгоритм сформирует XML-файл, способный воссоздать планарную или трехмерную антенну после того, как будет загружен при помощи команды EM socket data в новый ЭМ-документ в дереве проектов NI AWR Design Environment.

По окончании импорта и моделирования антенны ее диаграмму направленности можно сохранить в проекте как файл данных соответствующего формата, чтобы использовать ее в модуле синтеза ФАР в качестве входных данных для задания ДН решетки (рис. 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 решетки благодаря отображению поведения ФАР в режиме реального времени при изменении таких параметров, как угол сканирования, уровень мощности и частота сигнала, и предоставит возможность учесть влияние цепи питания, краевых эффектов и взаимное воздействие элементов решетки.

Рис. 6. Элементы можно группировать и назначать им пользовательские конфигурации (Element Antenna и Element RF Link)

Проектирование ФАР

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

• количество элементов;
• расстояние между элементами;
• взаимодействие между элементами;
• частота;
• форма решетки;
• ДН каждого элемента или группы элементов.

Одна из особенностей модуля состоит в объединении излучающих элементов в группы, что облегчает работу с крупными ФАР: можно выделить определенные элементы (например, угловые или краевые) и назначить им различные параметры излучения или ВЧ-трактов.

Для того чтобы сгруппировать элементы, пользователь создает новую группу (кнопка New), которая появляется в списке групп под стандартным названием Group N. Название можно изменить на более содержательное — например, edge elements или corner elements. Для этого надо придумать новое имя и дважды кликнуть по названию группы. Следующий шаг — выбор элементов группы. Пользователю нужно зажать клавишу Shift и выбрать элементы новой группы, затем кликнуть по одному из них правой клавишей мыши, указать Change Group и кликнуть по названию нужной группы в выпадающем меню (рис. 6).

Если решетка радиальная или сетчатая, следует использовать функцию Auto Group, автоматически объединяющую элементы в предустановленные группы. В сетчатой ФАР функция Auto Group создаст до девяти групп элементов (в зависимости от их количества в решетке): по одной группе для каждого из угловых элементов (до четырех групп), группы по краям решетки (четыре группы) и группу всех остальных (внутренних) элементов. В радиальной конфигурации функция Auto Group объединит элементы каждой из составляющих решетку окружностей. Разумеется, в ручном режиме можно создать совершенно любые комбинации групп и элементов.

Отображение конфигурации решетки и результирующей ДН происходит в реальном времени (рис. 7).

Рис. 7. Отображение конфигурации и топологии решетки (слева); модуль позволяет строить ДН решетки в реальном времени и учитывать зависимости от частоты, уровня мощности сигнала и углов сканирования (справа)

Цепи питания

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

Рис. 8. Ввод параметров цепи питания в модуле синтеза ФАР

Ряд настроек предусматривает введение характеристик 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 Loss between common and element port определяет общие потери между общим портом цепи питания и портом отдельного элемента решетки.

По умолчанию характеристический импеданс задается таким же, как и на вкладке RF Options в окне System Simulator Options в VSS. Параметр S11/Return Loss/VSWR по умолчанию соответствует значению S11 = 0.

Частотная зависимость может быть определена для любого из параметров делителя/сумматора следующим образом: величина параметра задается массивом частотно-зависимых значений, после чего в поле Frequencies for frequency dependencies вводится массив, содержащий требуемые значения частот (рисунок 9).

Рис. 9. Ввод параметров трактов в модуле синтеза ФАР

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

Параметры трактов элементов решетки можно задать на вкладке Element RF Link, указав коэффициент усиления, коэффициент шума, точку однодецибельной компрессии, точки пересечения 2‑ и 3‑го порядка, а также входной/выходной характеристический импеданс. Набор доступных для ввода параметров зависит от режима работы ФАР — это может быть режим передачи, режим приема, или же можно использовать один и тот же набор параметров для описания обоих режимов одновременно (рис. 9).

Разработчик имеет возможность 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 ее элементам можно назначить индивидуальные конфигурации.

Наборы параметров формируются 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 еще несколько ключевых особенностей модуля:

•  Выбор конфигурации тракта в таблице Configurations выделит все элементы на топологии, которым назначена эта конфигурация.
• На топологии ФАР можно выделить все элементы с определенной конфигурацией, выбрав ее в меню Select RF Link Configuration.
• Выбор отдельного элемента на топологии, принадлежащего какой-либо группе, кроме [Default], выделит все элементы, относящиеся к той же группе.
• Выбрав Extend Selection to All with RF Link Configuration, можно выделить все элементы с заданной конфигурацией.

Модуль синтеза позволяет разработчику задавать амплитудное распределение решетки. 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 решетки или группы элементов можно указать значения коэффициента усиления и фазы.

Важной особенностью модуля является возможность анализа влияния отказа одного или нескольких элементов на параметры решетки. Можно выбрать определенные 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.

Экспорт результатов для дальнейшего анализа

Одна из основных задач модуля синтеза ФАР — облегчить жизнь разработчиков благодаря простому и интуитивно понятному процессу ввода конфигурации решетки, параметров излучения и трактов, цепей питания, учета амплитудного распределения и возможного отказа элементов; в результате пошагового выполнения всех этих этапов пользователь получает оценку ДН с учетом изменения частоты, мощности и углов сканирования в режиме реального времени. Тем не менее на этом дело не заканчивается — следующим шагом становится моделирование на схемном или системном уровне с учетом вопросов физической реализации устройства. Весь процесс от синтеза антенны, генерации ДН путем ЭМ-анализа, конфигурации решетки и цепей питания до перехода к схемному или системному анализу схематично представлен на рис. 10.

Рис. 10. Этапы проектирования ФАР в NI AWR Design Environment – синтез антенного элемента (слева вверху), моделирование ДН (слева внизу), ввод ДН в модуль синтеза ФАР (посередине внизу), настройка структуры (посередине вверху) и создание решетки из отдельных элементов (справа)

Дополнительный анализ может включать одновременное ЭМ-моделирование антенной решетки 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 Microwave Office, VSS или выбранном ЭМ-симуляторе (AXIEM, Analyst или в сторонних инструментах вроде ANSYS HFSS).

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

•  Файл полноценной ФАР с входным и выходным портом, который может быть использован в качестве подсхемы. Помимо этого, создается текстовый файл данных с координатами и параметрами каждого из антенных элементов.
  • Цепь питания для ФАР или мультиплексор/демультиплексор для режима MIMO. 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/PHI для элемента с определенными координатами.
• В случае если не предполагается работа в режиме MIMO, возможна генерация полноценной тестовой схемы, включающей:
  • системную диаграмму с блоком созданной ФАР и разверткой переменных для углов THETA/PHI;
  • график с каскадными измерениями параметров с учетом заданной развертки.

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 VSS блоком для работы с ФАР: PHARRAY_F. Как и в случае с генерацией системных диаграмм, есть возможность создания полноценной тестовой схемы, если речь не идет о работе в режиме MIMO.

Некоторые из типичных генерируемых модулем подсхем показаны на рис. 11. Эти предустановленные подсхемы полностью готовы для дальнейшего анализа на схемном/системном уровне, а также для замены идеальных компонентов на реальные.

Рис. 11. Вид окон подсхем решетки и цепей питания в NI AWR Design Environment, созданных автоматически при помощи модуля синтеза ФАР

Заключение

В статье представлены инструменты, автоматизирующие и упрощающие процесс проектирования фазированных антенных решеток с учетом цепей питания и параметров ВЧ-трактов. Новый модуль синтеза ФАР, предусмотренный в составе программного обеспечения NI AWR, позволяет перей­ти от создания отдельного антенного элемента и электромагнитного расчета его диаграммы направленности к генерации конструкции решетки на основе полученных результатов и задаваемых пользователем параметров ФАР с возможностью контроля влияния различных параметров на характеристики решетки 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.