התפתחות בתחום תכנון אנטנות
הדרישה הגוברת לקישוריות אלחוטית נשענת יותר ויותר על פתרונות אנטנה משולבים בהתאמה אישית לקבלת מערכת אופטימלית מבחינת ביצועים, עלות וגודל. התהליך לקבלת מדדים מרובים בנוגע לביצועים, כגון תיאום עכבות (אימפדאנס), הגבר, נצילות ההקרנה ורוחב פס הפעולה, הוא תהליך שדורש זמן רב וכרוך בכמה סימולציות חוזרות ונשנות ובמידה רבה של ידע בתכנון. כאשר הדרישה לניסיון בתכנון חורגת בהרבה מהמאגר הקיים של מהנדסי אנטנות, יש צורך בגישה חלופית.
האלגוריתמים האבולוציוניים (EAs) משמשים כשיטה תכנונית לחקירה של המרחב התכנוני ולאיתור אוטומטי של תכנוני אנטנות מעולים, ומציעה אמצעים להאצת תהליך התכנון כולו. אלגוריתמים אבולוציוניים הוכחו כיעילים ביותר ביצירת מבני אנטנות עם ביצועים טובים יותר מהביצועים שאפשר היה לפתח בשיטות מסורתיות. כעת אפשר לקבל את AntSynTM – שילוב של אלגוריתמים אבולוציוניים עם הדמיות אלקטרו-מגנטיות (RF)/גלי מיקרו, שהצליח בתהליך הפיתוח של מבחר סוגי אנטנות עבור יישומי חלל-אוויר – כמוצר מסחרי של NI/AWR.
AntSyn הוא כלי אוטומטי לביצוע תכנון, ניתוח ואופטימיזציה של אנטנות, אשר מאפשר למשתמשים להזין את הדרישות ההנדסיות של האנטנה ולקבל תכנוני אנטנה. AntSyn מתוכנן לשמש מתכננים ברמות שונות, החל במומחים ועד אנשים שנחשבים חדשים באופן יחסי בתחום של תכנון אנטנות.
איור 1. מורכבות תכנון האנטנה מודגמת בטווח רחב של הגברים שנגזרים משינויים באורך הדיפול (דו קוטב) ובהפרדה של הצלחת (רפלקטור) של אנטנה רגילה
צוואר הבקבוק בתהליך תכנון אנטנות
אנטנה שמתוכננת בצורה נכונה מאופיינת בדרך כלל במספר מדדי ביצועים קריטיים, שנובעים מיישום המטרה. הנושאים העיקריים מתייחסים למאפייני הכיוון (כפי שמתוארים בעקום הקרינה של האנטנה) ולתוצאת ההגבר. כתוצאה מכך, הטווח המקיף את סוגי התכנון השונים של האנטנות הוא נרחב וכולל מספר רב של צורות, גדלים, דרישות ויישומים. לתכנון ואופטימיזציה של אנטנות בתהליך ידני נדרשת מומחיות משמעותית בתחום. תהליך זה עתיר עבודה וזמן והוא תלוי בכשרון ובמומחיות של המתכנן לאיתור תכנון ראשוני מתאים, אשר בו לאחר מכן אפשר יהיה לבצע אופטימיזציה, לקבלת התוצאות הרצויות.
אין זה בלתי רגיל שמהנדס מנוסה ישקיע כמה חודשים בפיתוח של תכנון אנטנה חדשה, תלוי ברמת הקושי המוגדרת במפרט הטכני של האנטנה. כמות הזמן והמאמץ המושקעים גדלה באופן משמעותי כאשר לוקחים בחשבון גורמים כגון האינטראקציה של האנטנה עם הפלטפורמה או ההתקן האלחוטי או הפרעות שמקורן באתר האנטנה עצמו. עיכובים בתהליך התכנון הופכים להיות מורכבים כאשר דרישות התכנון משתנות, כמו בשלב הפיתוח הראשוני או במקרה שבו שילוב האנטנה דורש ביצוע אופטימיזציה במקום. היכולת לנהל תהליך מהיר של תכנון ותכנון מחדש של אנטנה הופך לבעיה שגדלה ומתפתחת ככל שמספר ההתקנים האלחוטיים מתרבה.
כחלופה או כתוספת לתהליך התכנון הידני, חוקרים בדקו שיטות המבוססות על תכנון ואופטימיזציה אבולוציוניים של אנטנה, מאז תחילת שנות התשעים. אחת הטכניקות המוצלחות במיוחד של חברת National Instruments/AWR מבוססת על אלגוריתמים אבולוציוניים (EA). טכנולוגיה זו פותחה לכדי כלי מושלם לניתוח אנטנות – AntSyn – ומשמשת בהצלחה חברות וגופים ממשלתיים שפועלים בשוקי החלל-אוויר, תקשורת ואלקטרוניקה אלחוטית לתכנון אנטנות שפועלות בטווח התדירויות בין מתחת לתדר גבוה (2 מגה הרץ) עד מעל פס Ka . בניגוד לחודשי אדם של זמן תכנון הנדסי שבדרך כלל נדרש לתכנון האנטנה הסופי, AntSyn יכול ליצור תכנון תוך שעות, תוך מציאת הפשרות האופטימליות בין אמות מידה לבין הפקה לעתים קרובות של תכנונים שנוגדים את האינטואיציה ועולים בביצועיהם על אנטנות מסורתיות.
איור 2. גיליון המפרט בממשק המשתמש של AntSyn המגדיר את הדרישות מהאנטנה מופיע בתמונה משמאל, לוח הבקרה של התוצאות מופיע בתמונה מימין
תכנון על פי הדרישות
הכלי AntSyn פועל על פי העיקרון “מה שנדרש הוא מה שמתקבל”: המשתמש מזין את הדרישות מהאנטנה במקום להזין תכנון פיסיקלי (מוגדר בפרמטרים). סעיפים של מפרטי אנטנות כגון פס התדרים, תיאום העכבות המיועד (הפסדי החזרה), תבנית הגבר וכיו”ב מוזנים לתוך ממשק משתמש אינטואיטיבי של “גיליון מפרט”, אשר מאורגן באופן אוטומטי לקובץ פרוייקט כפי שמוצג באיור 2 (משמאל). עם הפעלת גיליון המפרט, AntSyn מחזיר תכנון אחד או יותר של אנטנה שעבר אופטימיזציה, שבתוצאות שלו אפשר לצפות באמצעות לוח הבקרה (Dashboard) ניתן להתאמה אישית לצורך הערכה מהירה, כפי שנראה באיור 2 (ימין).
אפשר לקבוע את לוח הבקרה המוגדר על ידי המשתמש כך שיציג את המודל המוצע בתלת ממד, את הביצועים (תיאום) של העכבות בכניסה בתלות בתדירות בכמה תבניות, את ההגבר המרבי בתלות בתדירויות, את חתכי תבניות ההקרנה ואת דירוג הכוכב האיכותי, על מנת לעזור בזיהוי מהיר של הגרסאות בעלות הביצועים הטובים. הכלי AntSyn שימש לפיתוח של מגוון רחב של סוגי אנטנות לרבות לפס יחיד, לפס כפול, לריבוי פסים, לפס רחב ולפס רחב ביותר (UWB) (גדול מ-100:1) לנצילות גבוהה, לעומס, אנטנות קטנות מבחינה חשמלית (electrically small), במערך מופע (phased array), אנטנות חוט, אנטנות טלאי (patch), אנטנות קונפורמיות, אנטנות לניידים, אנטנות רב תכליתיות ובריבוי חיבורים ועוד.
איור 3. ייצא את נתוני האנטנה שלך לקבלת אימות סופי אל AXIEM, ANALYST, HFSS או CST מתוך סביבת התכנון של AntSyn
תכנונים לדוגמה
אפשר להשתמש בכמה סוגים קיימים של אנטנות כדי לחולל הגברים צנועים עם ביצועים ליניאריים טובים או עם ביצועי קיטוב מעגלי על פני פסי רוחב משמעותיים, לרבות:
• טלאי מיקרוסטריפ (העשוי מטלאי מתכת, אחד או יותר, שמופרדים ממישור ההארקה באמצעות מצע דיאלקטרי).
• אנטנת סליל (כריכות של חוט סלילי בהיקף של אורך גל אחד, בערך, ופסיעה של רבע אורך גל מעל מישור הארקה בקוטר של אורך גל אחד לפחות).
• דיפולים יחידים או צולבים (יחידות קורנות עם הזנה מרכזית כל אחת באורך של חצי אורך גל עם מוטות מקבילים למישור הארקה בקוטר של רבע אורך גל לפחות ומעליו).
• אנטנת Quadrifilar (דומה לאנטנת סליל קצרה) בחריץ (משמשת בחריצים קטנים במישור ההארקה ויכולה להתאים למעטה החיצוני של לוויינים).
• אנטנה לוליינית (ספירלית) (לפס רחב – יכולה להיות נתונה בחלל סגור, דו ממדית או תלת ממדית)
• אנטנת שופר (משמשת לעתים קרובות כדי “להזין” אנטנת צלחת או שהיא יכולה לפעול באופן עצמאי).
הניווט בין כל התצורות של האנטנות האלו עד למציאת האנטנה המגיעה לביצועים הכוללים הטובים ביותר מבחינת הדרישות לגודל, משקל ועלויות מופחתים, הוא משימה מאתגרת, במיוחד מפני שחברות לא מסורתיות מזנקות על התקנים בעלי יכולת אלחוטית שנדרשת על ידי האינטרנט של הדברים (IoT) ועל ידי לוויינים קטנים (NanoSat או CubeSat). החברה עונה על האתגר הזה בעזרת פתרונות של תכנון ובדיקות חכמים יותר שמכסים את התחום שבין הרעיון הראשוני לבין אימות הפעולה הסופי.
אנשי התכנון יכולים לצפות ליתרונות מהיכולת להשוות בקלות בין הפשרות של סוגי האנטנות השונים האלו ובהמשך מהיכולת לחקור עוד במרחב התכנון באמצעות אופטימיזציה חכמה שמונחית על ידי ידע. לאחר קבלת תוצאות תכנון משביעות רצון, אפשר להעביר את נתוני האנטנה שנוצרו בכלי AntSyn לאימות בסביבת התכנון AWR של NI ובמיוחד בכלי הסימולציה האלקטרו-מגנטי AXIEM , בכלי הסימוציה ™Analyst, או בכל כלי EM אחר של צד שלישי מתוך HFSS של Microwave Studio של CST או היכולת הזו מרחיבה את יכולות התכנון ואת הביטחון בתוצאות האופטימליות.
סיכום
AntSyn הוא כלי אוטומטי לתכנון, ניתוח ואופטימיזציה של אנטנות שמקבל את הדרישות ההנדסיות של האנטנה כקלט ומפיק תכנונים של אנטנות כפלט. AntSyn תוכנן לשמש סוגים רבים של משתמשים החל במומחים ועד לאלו שהם חדשים באופן יחסי בתחום של תכנון אנטנות:
• מהנדסי אנטנות
• מהנדסי RF
• מהנדסי מערכות
• מנהלי הנדסה, משווקי אנטנות ומוצרי RF
הכלי AntSyn זמין כבר היום.
