Antennenkonstruktion und -simulation
SIMULIA elektromagnetische Simulation für effiziente Antennenkonstruktion
Wie hilft die Simulation bei der HF-Antennenkonstruktion?
Bei der Antennenkonstruktion wird die richtige Antenne ausgewählt, um Spezifikationen wie Bandbreite, Polarisierung und Richtwirkung zu erfüllen. Die Antennensimulation hilft bei der Suche nach optimalen Antennenkonstruktionen und zeigt die standortabhängige Leistung und mögliche Störungen in realen Umgebungen auf.
Welche Antennenarten gibt es?
Antennen bilden die Basis für alle Drahtlossysteme. Smartphones, Computer, elektronische Implantate, Industriemaschinen, Fahrzeuge, Züge, Flugzeuge, Raumfahrzeuge – nahezu alle modernen Maschinen verwenden Antennen für Kommunikationsprotokolle wie WLAN, Bluetooth und 5G. Kommende Trends wie 6G und Satelliteninternet-Megakonstellationen erfordern neue Antennenkonstruktionen und Installationen.
Antennen sind auch außerhalb der Kommunikation vielseitig einsetzbar. Radarsysteme verwenden Antennen zum Senden und Empfangen von Funkwellen und viele andere Sensoren verwenden Antennen, um Daten über die Umgebung zu sammeln. Viele medizinische Geräte verwenden Antennen für Kommunikation (z. B. tragbare Monitore), Bildgebung (z. B. Mikrowellenbildgebung), Behandlung (z. B. Hyperthermie mit Hochfrequenz) und Aufladung (z. B. Implantate). Drahtlose Energieübertragung und Energiegewinnung verwenden Antennen als Teil des Rectenna-Systems, das Funkfrequenzen in elektrischen Strom umwandelt – diese Systeme bilden die Grundlage der Funkfrequenzerkennung (RFID) und Nahfeldkommunikation (NFC).
Antennenkonstruktion
Die Konstruktion einer Antenne ist entscheidend, um sicherzustellen, dass sie Spezifikationen wie Mittenfrequenz, Bandbreite, Effizienz und Richtwirkung/Gewinn erfüllt. Ebenso wichtig ist jedoch die Platzierung – die Umgebung, in der sie platziert ist, kann die standortabhängige Leistung erheblich beeinträchtigen. Die Ausbreitung in komplexen realen Umgebungen kann zu Abdeckungsproblemen oder zur Interferenz zwischen Funksystemen am gleichen Standort führen.
Antennensimulation
Die Simulation kann in allen Phasen der Antennenentwicklung und -integration verwendet werden, um brauchbare Antennenkonstruktionen zu erstellen, sie im Hinblick auf die Einhaltung der Spezifikationen zu optimieren und ihre standortabhängige Leistung und HF-Belastung zu analysieren. SIMULIA Tools für die Antennensynthese und elektromagnetische Simulation bieten Antenneningenieuren die Werkzeuge, die sie für jede Anwendung benötigen.
Funkantennensysteme
Neben den Antennen selbst können die elektromagnetischen Simulationstools von SIMULIA auch für die Entwicklung von Einspeisungen und anderen Komponenten wie Abstimmkreise, Filtern, Multiplexern und Wellenleitern verwendet werden. Weitere Informationen finden Sie unter Mikrowellen- und HF-Simulation.
Antennenkonstruktions- und Simulations-Workflow
- Auswahl
- Konstruktionsassistenten
- 3D-Simulation
- Array-Simulation
- Impedanzanpassung
Antennenauswahl
Der Erfolg eines drahtlosen Systems beginnt mit der Auswahl der richtigen Antenne für die Anwendung. Da es so viele verschiedene Antennentypen gibt und ständig neue Konstruktionen in der Literatur auftauchen, kann es schwierig sein, die am besten geeignete Antenne für die jeweilige Aufgabe zu finden. SIMULIA Antenna Magus ist ein Tool, mit dem Anwender eine Antennendatenbank durchsuchen und erkunden können.
Antennenkonstruktionsassistenten
Der SIMULIA Antenna Magus Konstruktionsassistent kann automatisch Antennentypen vorschlagen, die den erforderlichen Spezifikationen und Abmessungen entsprechen, und simulationsfähige Modelle erstellen, die auf die angegebenen Frequenzen abgestimmt sind. Andere SIMULIA Synthesetools wie CST Studio Suite, WASP-NETund Fest3D bieten leistungsstarke Konstruktionsautomatisierungstools für spezielle Antennen- und Einspeisungsanwendungen.
3D-Antennensimulation
Die Antennenkonstruktion kann in 3D in CST Studio Suite geändert und analysiert werden. Andere Elemente wie Einspeisungen können hinzugefügt und Materialien geändert werden. Die Optimierung kann die Antennenleistung unter Berücksichtigung von Kopplungs- und parasitären Effekten genauer abstimmen. Benutzer können Standard-Antennen-KPIs wie Fernfeld-Strahlungsmuster, Richtwirkung, Antennengewinn und S-Parameter sowie speziell definierte KPIs für Anwendungen wie 5G berechnen. Nahfelder können ebenfalls berechnet und als Quellen für die Simulation der Antennenplatzierung exportiert werden.
Antennenarray-Simulation
Antennen-Arrays können mit dem Array Wizard der CST Studio Suite aufgebaut werden. Jede Phase der Konstruktion, von der individuellen Komponente über die Optimierung als unendliches Array bis hin zur endgültigen Finite-3D-Array-Simulation, kann in einem integrierten Workflow kombiniert werden, damit Anwender schnell ein Array-Modell erstellen können. Selbst sehr große Arrays können mit hoher Leistung schnell simuliert werden.
Antennen-Impedanzanpassung
Eine Antenne ist in der Regel Teil eines größeren Moduls und Näherungseffekte von Einspeisungen, Radomen, Bodenebenen und anderen Elementen wirken sich auf die Leistung aus. Ein passender Schaltkreis kann die Impedanz-Fehlanpassung korrigieren, die durch die Installation einer Antenne auf einem Modul verursacht wird. Die Simulation kann die Werte für den Abstimmkreis ermitteln, die die beste Leistung erzielen.
- Hochleistungs-Einspeisungskomponenten
- Standortabhängige Leistung
- Interferenzeffekte
- Zertifizierung
Hochleistungs-Einspeisungskomponenten
Bei Hochleistungs-Vakuumanwendungen, insbesondere im Raumfahrtbereich, können Multipactor- und Koronaeffekte die Einspeisung beeinträchtigen. Die Simulation zeigt mögliche Fehlerquellen,einschließlich thermischer Auswirkungen, um sicherzustellen, dass die Antenne nach dem Start sicher funktioniert.
Analyse der standortabhängigen Antennenleistung
Umgebungseffekte sind ebenfalls wichtig. Die Umgebung, in der eine Antenne installiert ist, kann Funkwellen reflektieren, beugen oder absorbieren und so die Antennenleistung beeinflussen, während die Kopplung zwischen der Antenne und dem Metallgehäuse der Umgebung zu Verstimmungseffekten führen kann. Egal, ob die Umgebung klein und komplex ist, wie ein Laptop oder Smartphone, oder ob es sich um eine elektrisch sehr große Umgebung handelt, wie z. B. ein Auto, Flugzeug oder Mobilfunkmast, die Simulation kann die standortabhängige Leistung berechnen und dabei helfen, die ideale Antennenposition zu finden.
Interferenzeffekte am Standort
Komplexe Umgebungen wie Straßen, Büros und Fabriken können simuliert werden, um die Mehrfachausbreitung und die erwartete Abdeckung in realistischen Szenarien zu berechnen. Auch die Interferenz am Standort und der Antennen-Empfindlichkeitsverlust können analysiert und durch Simulation gemindert werden. Störungen zwischen Antennensystemen können mit dem "Interference Task" von CST Studio Suite analysiert werden, die potenzielle EMI-Risiken aufzeigt und Ingenieuren hilft, diese schnell zu reduzieren.
Zertifizierung durch Simulation
Jedes Gerät mit Übertragungsfunktionalität muss für zahlreiche Sicherheitsvorschriften zertifiziert sein, die Themen wie elektromagnetische Interferenz (EMI) und HF-Exposition des Menschen abdecken. Die Simulation zeigt Feldmuster in realistischen menschlichen Körpermodellen, wobei die spezifische Absorptionsrate (SAR) und andere HF-Expositions-KPIs effizienter berechnet werden, als es mit Messungen möglich wäre.
Einrichtungen wie die Federal Communications Commission (FCC) akzeptieren für viele Zertifizierungszwecke Simulationsdaten als Alternative zu Messungen. Der Bau und das Testen eines virtuellen Antennenprototyps mithilfe von Simulation spart Zeit und Kosten im Vergleich zu herkömmlichen physischen Prototypen. Ergebnisse können innerhalb von Stunden oder Tagen, statt Wochen oder Monaten erzielt werden. Wenn ein Problem erkannt wird, kann es schnell gelöst und die Simulation erneut durchgeführt werden, wodurch das Risiko kostspieliger Testfehler in einer späten Phase reduziert wird.
Beginnen Sie Ihre Reise
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Häufig gestellte Fragen zur Software für Antennenkonstruktion
Eine Dipolantenne, die oft als einfachste Art von Antenne bezeichnet wird, besteht aus zwei leitfähigen Elementen, die gleich lang sind und entlang derselben Achse ausgerichtet sind. Ein Dipol hat eine relativ geringe Bandbreite im Bereich der Betriebsfrequenz, die durch die Länge der Antenne bestimmt wird. Der klassische Dipol ist eine halbe Wellenlänge lang.
Aufgrund der Streuungsfelder ist die effektive Länge des Dipols jedoch länger als eine halbe Wellenlänge, was zu einer etwas niedrigeren Resonanzfrequenz führt, als die physische Länge vermuten lässt. Die Dipolantenne arbeitet, indem das Signal in der Mitte angelegt wird, wodurch die Elemente elektromagnetische Felder abstrahlen, die hauptsächlich senkrecht zur Dipolachse liegen. Der Dipol befindet sich in der omnidirektionalen Ebene der Achse, was zu dem charakteristischen ringförmigen Strahlungsmuster für einen Dipol mit halber Wellenlänge führt.
Eine Antenne arbeitet an der Schnittstelle zwischen geführten elektromagnetischen Signalen und der Funkwellenausbreitung im freien Raum. Eine Antenne bietet in der Regel eine leitfähige Struktur, von der sich die eingespeisten Signale lösen und durch den Raum bewegen können. Dieselbe Antenne kann auch elektromagnetische Felder empfangen und als Spannungen und Ströme an den Anschlüssen ausgeben. Das Strahlungsdiagramm bestimmt die bevorzugte Strahlungsrichtung.
Die Antennenkonstruktion ist ein komplexes und anspruchsvolles Gebiet in der Elektrotechnik. Die Schwierigkeit ergibt sich aus dem Zusammenspiel zwischen theoretischen Grundlagen, mathematischer Modellierung und praktischen Überlegungen. Die Entwicklung einer Antenne erfordert umfassende Kenntnisse der elektromagnetischen Theorie, der Ausbreitungsmerkmale und der spezifischen Anwendungsanforderungen. Eine geeignete Software für Antennenkonstruktion kann jedoch das Leben eines Antennenkonstruktionsingenieurs einfacher machen.
Antenna Magus ist ein Softwaretool zur Beschleunigung von Antennenkonstruktion und -modellierung. Mit einer Datenbank, die über 350 Antennen umfasst, vereinfacht es die Auswahl des für die Anforderungen am besten geeigneten Antennenmodells.
Von der Erfüllung der grundlegenden Antennenanforderungen ...
Antenna Magus bietet zuverlässige Konstruktionen erster Ordnung, die anhand von Referenzdaten validiert wurden. Jede Antenne wird gründlich überprüft und die Konstruktionsalgorithmen werden verschiedenen Tests und Validierungsabläufen unterzogen, um zu bestätigen, dass sie für eine Vielzahl von Zielkombinationen ordnungsgemäß funktionieren.
Ingenieure können per Knopfdruck Antennen für bestimmte Zwecke wie Antennengewinn, Strahlbreite, Bandbreite und Impedanz entwickeln.
Die Funktion zur Leistungsschätzung ermöglicht eine schnelle Analyse der entwickelten Antenne, die Aufschluss darüber gibt, ob ein Element ein geeigneter Kandidat für die endgültige Konstruktion ist.
... zur Definition eines Antennenmodells für die Zwecke der elektromagnetischen 3D-Simulation
Die Exportfunktion in Antenna Magus ermöglicht es, mehr Zeit für die Antennenkonstruktion und weniger Zeit für die Beschäftigung mit der Simulationssoftware aufzuwenden. Dadurch können schnell neue Konzepte und Konstruktionsideen getestet werden. Dank der „sofort einsatzbereiten“ parametrischen Simulationsmodelle erhalten Anwender die Möglichkeit, die Funktionen der unterstützten 3D-Simulationswerkzeuge für elektromagnetische Felder (EM) effizienter zu nutzen. Modellkombinationen können die Umsetzung neuer Topologien beschleunigen.
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