Conception et simulation d'antenne
Concevoir efficacement des antennes grâce à la simulation électromagnétique SIMULIA
En quoi la simulation aide-t-elle à concevoir des antennes RF ?
La conception d'antenne consiste à choisir l'antenne adaptée pour répondre à des spécifications telles que la bande passante, la polarisation et la directivité. La simulation aide à trouver des conceptions d'antenne optimales et à déterminer les performances après installation et les interférences dans des environnements réels.
Quels sont les différents types d'antennes ?
Les antennes sont à la base de tous les appareils connectés et systèmes sans fil. Smartphones, ordinateurs, implants électroniques, machines industrielles, véhicules, trains, avions, navettes spatiales : presque tous les équipements modernes intègrent des antennes pour les protocoles de communication tels que le Wi-Fi, le Bluetooth et la 5G. Les tendances à venir, telles que la 6G et les méga-constellations de satellites Internet, nécessitent de nouvelles conceptions et installations d'antennes.
Les antennes ont également de nombreuses applications en dehors de la communication. Les systèmes radar utilisent des antennes pour émettre et recevoir des ondes radio, et de nombreux autres capteurs utilisent des antennes pour recueillir des données sur l'environnement. De nombreux appareils médicaux utilisent des antennes pour la communication (par exemple, les moniteurs portables), l'imagerie (par exemple, l'imagerie hyperfréquence), le traitement (par exemple, l'hyperthermie par radiofréquence) et la recharge (par exemple, les implants). Le transfert sans fil et la récupération d'énergie utilisent une antenne redresseuse (rectenna) qui convertit la fréquence radio en courant électrique. Ces systèmes sont à la base de l'identification par radiofréquence (RFID) et de la communication en champ proche (NFC).
Conception d'antenne
La conception d'une antenne est essentielle pour garantir qu'elle répond aux spécifications telles que la fréquence centrale, la bande passante, l'efficacité et la directivité/le gain. Cependant, son positionnement est tout aussi important : la plate-forme sur laquelle elle est placée peut avoir un impact significatif sur ses performances après installation. La propagation dans des environnements réels complexes peut entraîner des problèmes de couverture ou des interférences de coexistence entre les systèmes radio.
Simulation d'antenne
La simulation peut être utilisée à toutes les étapes du développement et de l'intégration d'antennes pour produire des conceptions viables, les optimiser conformément aux spécifications et analyser leurs performances après installation et leur exposition aux RF. Les outils de synthèse d'antenne et de simulation électromagnétique SIMULIA offrent aux ingénieurs les outils dont ils ont besoin pour n'importe quelle application.
Systèmes d'antenne radio
Outre les antennes elles-mêmes, les outils de simulation électromagnétique SIMULIA peuvent être utilisés pour concevoir des sources et d'autres composants, tels que des circuits de syntonisation, des filtres, des multiplexeurs et des guides d'ondes. Pour plus d'informations, reportez-vous à la section Simulation micro-ondes et RF.
Flux de travail de conception et de simulation d'antenne
- Sélection
- Assistants de conception
- Simulation 3D
- Simulation de réseau
- Adaptation d'impédance
Sélection de l'antenne
Le succès d'un système sans fil commence par la sélection de l'antenne adaptée à l'application. Face aux nombreux types d'antennes et aux nouvelles conceptions qui sont régulièrement publiées, il peut être difficile de trouver l'antenne qui convient le mieux. SIMULIA Antenna Magus est un outil qui permet aux utilisateurs d'interroger et d'explorer une base de données d'antennes.
Assistants de conception d'antenne
L'assistant de conception de SIMULIA Antenna Magus peut automatiquement suggérer des types d'antennes qui correspondent aux spécifications et aux dimensions requises. Il permet de construire des modèles prêts pour la simulation réglés sur les fréquences spécifiées. D'autres outils de synthèse SIMULIA, notamment CST Studio Suite, WASP-NET et Fest3D, offrent de puissantes fonctionnalités d'automatisation de la conception pour les applications d'antenne et de source spécialisées.
Simulation d'antenne 3D
La conception de l'antenne peut être modifiée et analysée en 3D dans CST Studio Suite. Il est possible d'ajouter d'autres éléments tels que des sources et des matériaux modifiés. L'optimisation permet d'affiner les performances de l'antenne en tenant compte des effets parasites et de couplage. Les utilisateurs peuvent calculer des KPI d'antenne standard tels que le diagramme de rayonnement en champ lointain, la directivité, le gain et les paramètres S, mais aussi des KPI spécialement définis pour des applications telles que la 5G. Les champs proches peuvent également être calculés et exportés en tant que sources pour la simulation de positionnement de l'antenne.
Simulation de réseau d'antennes
Des réseaux d'antennes peuvent être créés à l'aide de l'assistant de réseau de CST Studio Suite. Toutes les étapes de la conception, de l'élément individuel à l'optimisation en tant que réseau infini, puis à la simulation du réseau 3D fini définitif, peuvent être combinées dans un flux de travail intégré pour aider les utilisateurs à créer rapidement un modèle de réseau. Même les réseaux de très grande taille peuvent être simulés rapidement avec des performances élevées.
Adaptation d'impédance d'antenne
Une antenne fait généralement partie d'un module plus grand, et les effets de proximité dus aux sources, aux radômes, aux plans de sol et à d'autres éléments ont un impact sur les performances. Un circuit d'adaptation peut corriger la désadaptation d'impédance causée par l'installation d'une antenne sur un module. La simulation permet de trouver les valeurs du circuit de syntonisation qui offrent les meilleures performances.
- Composants d'alimentation haute puissance
- Performances après installation
- Effets d'interférence
- Certification
Composants d'alimentation haute puissance
Pour les applications de vide haute puissance, en particulier dans l'espace, les effets multipactor et corona peuvent endommager la source de l'antenne. La simulation permet d'identifier les modes de défaillance potentiels, y compris les effets thermiques, pour garantir le fonctionnement sûr de l'antenne après le lancement.
Analyse des performances de l'antenne installée
Les effets de plate-forme sont également importants. La plate-forme sur laquelle une antenne est installée peut réfléchir, diffracter ou absorber des ondes radio et affecter les performances de l'antenne, tandis que le couplage entre l'antenne et le corps métallique de la plate-forme peut la désyntoniser. Qu'il s'agisse d'une plate-forme petite et complexe comme un ordinateur portable ou un smartphone, ou de très grande taille électrique comme une voiture, un avion ou une station cellulaire, la simulation permet de calculer les performances après installation et de déterminer le positionnement idéal de l'antenne.
Analyse des interférences de coexistence
Les environnements complexes tels que les rues, les bureaux et les usines peuvent être simulés pour calculer la propagation par trajets multiples et la couverture prévue dans des scénarios réalistes. Les interférences de coexistence et la désensibilisation de l'antenne peuvent également être analysées et atténuées grâce à la simulation. Les interférences entre les systèmes d'antenne peuvent être analysées avec la tâche d'interférence de CST Studio Suite, qui met en évidence les risques EMI potentiels et aide les ingénieurs à les atténuer rapidement.
Certification via la simulation
Tout appareil doté d'une fonctionnalité d'émission doit être certifié conformément à de nombreuses réglementations de sécurité couvrant des sujets tels que les interférences électromagnétiques (EMI) et l'exposition humaine aux RF. La simulation permet d'identifier des diagrammes de rayonnement dans des modèles réalistes du corps humain, en calculant le débit d'absorption spécifique (DAS) et d'autres KPI d'exposition aux RF plus efficacement que par des mesures.
Des organismes tels que la Federal Communications Commission (FCC) acceptent des données de simulation au lieu de mesures à de nombreuses fins de certification. La création et le test d'un prototype d'antenne virtuel à l'aide de la simulation permettent de gagner du temps et de l'argent par rapport aux prototypes physiques traditionnels. Les résultats s'obtiennent en quelques heures ou jours au lieu de plusieurs semaines ou mois. Si un problème est identifié, il peut être rapidement résolu et resimulé, ce qui réduit le risque d'échec coûteux du test en phase finale.
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FAQ sur les logiciels de conception d'antenne
Une antenne dipôle, souvent considérée comme le type d'antenne le plus simple, se compose de deux éléments conducteurs de longueur égale et alignés le long du même axe. Un dipôle a une bande passante relativement étroite autour de la fréquence de fonctionnement, qui est déterminée par la longueur de l'antenne. Le dipôle classique mesure la moitié d'une longueur d'onde.
Toutefois, en raison des champs de franges, la longueur effective du dipôle est supérieure à la moitié de la longueur d'onde, ce qui entraîne une fréquence de résonance légèrement inférieure à celle que l'on pourrait attendre de la longueur physique. L'antenne dipôle fonctionne avec un signal appliqué au centre, ce qui entraîne l'émission de champs électromagnétiques principalement perpendiculaires à l'axe du dipôle. Le dipôle est omnidirectionnel dans le plan de l'axe, ce qui donne un diagramme de rayonnement caractéristique en forme d'anneau pour un dipôle de demi-longueur d'onde.
Une antenne fonctionne au niveau de l'interface entre les signaux électromagnétiques guidés et la propagation des ondes radio en espace libre. Elle fournit généralement une structure conductrice, à partir de laquelle les signaux d'entrée peuvent se détacher et se déplacer dans l'espace. La même antenne peut également recevoir des champs électromagnétiques et les transmettre sous forme de tensions et de courants aux bornes. Le diagramme de rayonnement détermine la direction de rayonnement préférée.
La conception d'antenne est un domaine complexe et difficile de l'ingénierie électrique. La difficulté découle de l'interaction entre les principes théoriques, la modélisation mathématique et les considérations pratiques. La conception d'une antenne nécessite une connaissance approfondie de la théorie électromagnétique, des caractéristiques de propagation et des exigences spécifiques de l'application. Cependant, un logiciel dédié peut simplifier la vie d'un ingénieur concepteur d'antennes.
Antenna Magus est un outil logiciel permettant de concevoir et de modéliser plus rapidement des antennes. Avec sa base de données contenant plus de 350 antennes, il simplifie la sélection du modèle le plus adapté aux exigences.
De la prise en compte des exigences de base de l'antenne…
Antenna Magus propose des conceptions de premier ordre fiables et validées par rapport aux données de référence. Chaque antenne fait l'objet de recherches minutieuses et les algorithmes de conception subissent différents tests et routines de validation destinés à vérifier qu'ils fonctionnent correctement pour un large éventail de combinaisons d'objectifs.
Les ingénieurs peuvent concevoir des antennes avec des objectifs précis comme le gain, la largeur de faisceau, la bande passante et l'impédance, accessibles via un simple bouton.
La fonctionnalité d'estimation des performances permet d'analyser rapidement une antenne pour savoir si un élément sera retenu pour la conception finale.
… à la définition d'un modèle d'antenne à des fins de simulation électromagnétique 3D
La fonctionnalité d'exportation d'Antenna Magus permet de consacrer plus de temps à la conception des antennes et moins de temps à la maîtrise du logiciel de simulation. Il est ainsi possible de tester rapidement de nouveaux concepts et idées de conception. Les modèles de simulation paramétrique « prêts à l'emploi » permettent aux utilisateurs de tirer plus efficacement parti des fonctionnalités des outils de simulation de champ électromagnétique (EM) 3D pris en charge. La combinaison de modèles facilite la réalisation de nouvelles topologies.
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