优化天线设计

作者:Michael Hollenbeck,美国犹他州Optisys公司首席技术官

利用工程仿真、大规模计算和3D打印技术,Optisys大幅降低了天线尺寸和重量,同时缩短了研发时间。利用在Rescale大计算平台上运行的ANSYS电磁与结构仿真工具,这家初创公司的工程师可以充分发挥3D打印带来的设计自由度,以充分满足集成阵列天线的射频(RF)性能要求。

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XSITA antenna

“利用具备Rescale大计算平台的工程仿真技术,Optisys公司能够显著提高效率,而且把设计周期从数月缩短到数周。”

antenna array model

阵列模型

 

高频天线过去一直是通过制造和装配上百种单独的组件和硬件而成,以提供所需的RF性能与结构完整性。RF能量是通过接口、接缝阵列模型和不连续点完成从组件到组件的传播,因此必须增加RF路径长度,以补偿这些障碍。每个组件都需要安装多个表面和硬件,这会增加更多不必要的重量与空间。另外,部件材料厚度必须能够满足制造设计约束,而且自始至终都需要额外的空间用于装配间隙。

现在金属3D打印的发展能够以毫米波长所需的尺寸制造天线与RF组件。整个天线能够作为单个组件一次性打印出来。消除接口、接缝和不连续点有助于显著缩短RF路径长度,而消除安装表面和硬件可进一步降低尺寸与重量。减少材料壁面厚度可实现进一步降低。由于不需要装配间隙,工程师能够把所有功能紧密封装到整个3D空间,从而进一步减少尺寸。Optisys工程师采用ANSYS仿真软件大幅降低最新X波段64元SATCOM集成阵列天线(XSITA)的尺寸、重量,并缩短研发时间。为实现上述成果,需要进行大量计算密集型仿真工作,Optisys则是在面向高性能计算(HPC)的Rescale云平台上执行相关仿真,以最大限度减少本地IT占用空间。

天线设计变革

3D打印能够实现远超过传统制造天线的集成度与性能水平,其已经带动了高频天线设计的变革。为发挥3D打印和其他新制造工艺的全部优势,工程师需要重新设计天线。传统的RF设计方法是一项漫长而又费力的任务,其中涉及手动计算初始设计、构建原型、测试原型以及手动调整。这些步骤会一直重复,直到设计满足所有规范要求,这可能需要一年或更长的时间。

为了评估更多的备选设计方案以及在构建原型之前通过迭代获得精心优化的设计,Optisys选择采用仿真技术。通过加入ANSYS初创公司计划,该公司能够利用ANSYS HFSS电磁仿真软件ANSYS Mechanica有限元分析软件来评估设计的RF与结构性能。工程师在本地创建仿真模型,然后把它们上传到Rescale云平台。通过云端平台,工程师能够在本地运行ANSYS软件并利用强大的HPC资源,同时无需维持相关计算基础设施。Rescale遵守《国际武器贸易条例》(ITAR),因此Optisys甚至能够使用该平台设计面向国防和国土安全应用的天线。

antenna radiating elements model

辐射单元的ANSYS HFSS模型

 

E-field inside antenna horn

天线喇叭的内部电场

 

RF设计优化

Optisys工程师将初始概念设计进行参数化,并采用HFSS计算天线各截面的S参数。根据S参数结果,工程师采用ANSYS Optimetrics电磁优化器能够一次评估多个设计变量,主要是考虑发射以及反射的RF输入量优化器按照指向最佳设计(可最大限度减少插入损耗和反射能量)的梯度逐步调整设计空间。工程师经常针对优化器创建的设计生成波导空腔的电场与表面电流图,以查看相关性能并确定最需要进行改进的区域。

XSITA辐射单元由64个方形波导元件组成,其用支撑结构形成扼流圈。根据经典的2端口隔板设计(可把单模输入转换成圆极化输出)生成左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)。LHCP和RHCP网络可确保把完整辐射单元阵列的每个象限分成4单元×4单元子集。偏振器输出连接到16至1共同馈电网络,其把各个象限压低到合成器网络,而合成器网络将馈送到单脉冲比较器。RHCP和LHCP输出具有单独的单脉冲比较器,可用于追踪两种极化,从而生成8个总输出端口。各个极化的单脉冲比较器被紧凑布置在共同馈电网络底部,以尽可能减少额外的体积。

由于集成度水平高而且多个区域的波导间距接近0.020英寸,因此在波导路径布线时必须保持模型的全部组件可见,但是只用仿真几何模型的一部分,以提高优化仿真速度。HFSS能够在仿真中包含或排除几何模型,无需从建模器窗口进行删除。这样,Optisys工程师能够独立设计RHCP和LHCP网络,同时在布线时使其相互缠绕,从而最大限度减少3D体积与波导长度。

antenna array radiation pattern 1
antenna array radiation pattern 2
antenna array radiation pattern 3
在ANSYS HFSS中针对不同仰角与旋转度对天线阵列的辐射图进行仿真。
 

支撑结构的设计

工程师采用ANSYS Mechanical分析栅格支撑结构,以确保其具有足够的机械强度,从而不仅支持减少RF组件厚度,同时还能最小化天线重量。此外,工程师还设计了打印仰角轴,该轴包含摇臂与齿轮并且连接到外部电机。

“Optisys工程师采用ANSYS仿真软件大幅降低最新阵列天线的尺寸、重量,并缩短研发时间。”

XSITA阵列的设计展示了,工程师利用ANSYS HFSS优化复杂RF设计时借助3D打印可以达到的集成水平;以及Rescale云端HPC平台几乎无限的扩展功能。Optisys等初创公司的成功依赖于:比资金雄厚的大公司更快速地向市场推出创新解决方案。利用具备Rescale大计算平台的工程仿真技术同时执行多个项目,Optisys公司能够显著提高效率,而且把设计周期从数月缩短到数周。在3D打印领域的现有天线平均重50磅并且含有100多个组件,然而,Optisys XSITA只有8磅,同时只由单个组件构成。这些功能使Optisys这家初创公司能够进军3D打印这个新领域,其正在迅猛扩张并且实现前所未有的功能。

additive manufacturing an antenna

3D打印机创建的天线

 

3-D printer

用于创建天线的3D打印机

 

面向初创公司的云计算功能

Cloud Computing for the Startup

初创公司越来越多地采用基于云端的仿真平台,因为这是构建新产品数字原型的唯一可行的低成本途径。初创公司偶尔会需要更高的计算容量,但是往往缺乏相关IT员工和/或预算,以进行采购、设置和维护适当的硬件基础设施。ANSYS积极配合Rescale等云托管合作伙伴,以提供对ANSYS仿真与HPC资源的无缝交钥匙访问。利用这种方法,无论是初创公司还是大型企业的ANSYS客户,都能通过精于HPC、远程托管和数据安全业务的ANSYS合作伙伴获得HPC云解决方案。
—Wim Slagter,ANSYS HPC与云联盟总监

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