סימולציות אלקטרומגנטיות עבור התקנת אנטנות על פלטפורמות

כיום, ישנן הרבה מערכות תקשורת אלחוטיות המותקנות על כלי טייס וכלי שייט אזרחיים וצבאיים. בגלל ריבוי המערכות הנ”ל, עלולות להיות בעיות של הפרעות הדדיות בין מערכות שונות, דבר המצריך תכנון ואינטגרציה מאתגרים יותר. אנטנה הינה בין ההתקנים העיקריים והחשובים במערכות הנ”ל.

על מנת לקבל ביצויים טובים של מערכות RF, אנטנות אמורות להיות מתוכננות בצורה נכונה. בדרך כלל הדרישות עבור האנטנה:

1. מקדם ההחזרה בין אימפדנס האנטנה לאימפדנס הכניסה של מערכת צריך להיות מספיק נמוך (לדוגמא מתחת ל-10dB-).

2. השבח (Gain) בכיוונים בהן האנטנה אמורה לשדר ו/או לקלוט צריך להיות מספק, ללא “חורים” בעקום הקרינה.

3. קיטוב האנטנה על הפלטפורמה אמור להיות בהתאם לאנטנה בצד הרחוק, אחרת מקבלים הפסדי קיטוב, וכתוצאה מכך ההספק הנקלט ויחס אות לרעש יהיו נמוכים יותר.

כאשר מתכננים אנטנה שאמורה להיות מותקנת על פלטפורמה כלשהי, לדוגמא כלי טייס או כלי שיט, חשוב לזכור שבדרך כלל במקרה הזה לאנטנה יהיו ביצועים שונים לעומת המצב כאשר אין שום אובייקטים בקרבתה. כאשר מתקינים אנטנה, שלכאורה אמורה לתת ביצועים טובים, במקום לא נכון על הפלטפורמה (מבחינה אלקטרומגנטית), עלולים לקבל ביצועים נמוכים של מערכת תקשורת.

ישנן מספר סיבות עיקריות לכך:

1. השבח של האנטנה בכיוונים הרצויים לא מספיק גבוהה, בגלל הסתרות והחזרות של הגלים האלקטרומגנטיים מהפלטפורמה.

2. אם ישנן מספר מערכות שונות המותקנות על הפלטפורמה הפועלות באותו תחום התדרים, או מערכת שמשדרת ומייצרת הרמוניות או אינטר-מודולציות שנקלטות במערכת אחרת, יכולות להיות הפרעות משמעותיות בינהן, דבר שיגרום לירידה בביצועים של מערכות תקשורת.

במערכות מודרניות, כאשר עשרות אנטנות בתחומי תדר שונים מותקנות על פלטפורמה, החל מתחום ה-HF ועד ל-X-Band ויותר, חשוב מאוד לבחור נכון את מיקום של האנטנות על הפלטפורמה. לצורך כך, מומלץ להשתמש בכלי סימולציה אלקטרומגנטיים על מנת לחשב את עקום הקרינה של האנטנה המותקנת, מקדם ההחזרה וצימוד ההדדי בינה לבין האנטנות האחרות על הפלטפורמה.

ישנם מקרים בהם מעוניינים לקלוט אות רצוי מכיוון מסויים, אבל בו זמנית ישנו שידור של אות הפרעה בעוצמה חזקה באותו תחום התדרים מכיוון אחר. במקרה הזה, האות הרצוי הנקלט עלול להשתבש. אחת הדרכים להתמודד עם המצב הזה היא על ידי שימוש במערך אנטנות, כאשר בכל אנטנה ניתן לשלוט בפאזה של העירור. במקרה הזה ניתן לבצע גילוי כיוון הגעה של האותות, ואז להפנות מקסימום של עקום הקרינה בכיוון הרצוי ומינימום עקום הקרינה (Null) בכיוונים הלא רצויים, מהן מגיעים אותות הפרעה. כאשר מערך אנטנות הנ”ל נמצא על פלטפורמה מסויימת, בגלל ההחזרות מהפלטפורמה, לדוגמא מהכנפיים של מטוס, הפאזה של העקום הקרינה עבור האנטנות יכולה להשתנות. לכן מומלץ לתכנן את המערכת ע”י שימוש בכלי סימולציה, עבור מערך אנטנות יחד עם הפלטפורמה.

דוגמא למערך אנטנות “חכם” ניתן לראות באיור 1. התכנון נעשה ע”י שימוש בתוכנה HFSS של ANSYS במישור התדר, בשיטת  (Finite Element Method), כאשר החלוקה של Mesh היא לפי טטראדרים. המערך מורכב מחמש אנטנות דיפול חצי אורך גל המודפסות על חומר הדיאלקטרי Taconic RF35, בעובי 1.52mm. האנטנות פועלות בתחום התדרים 2.4GHz – 2.5GHz (). מרחק בין האנטנות הינו 55mm.   לכל אנטנה ישנה הזנה נפרדת, לכן ניתן לבצע סריקה אלקטרונית של האלומה במישור φ=0°.

נניח שאנו מעוניינים לקבל מקסימום של עקום הקרינה בזווית θ0=100° ומינימום קרינה בזוויות θ1=130°   ו-θ2=75°, בחתך . כאשר משתמשים באלגוריתם Bartlett with Nulls (בהנחה שלא מתחשבים בהשפעה של צימוד ההדדי בין האנטנות) מקבלים את העקום הקרינה באיור 2.

ניתן לראות שלא מקבלים “אפסים” מספיק עמוקים בעקום הקרינה, מפני שלא לקחנו בחשבון את הצימוד ההדדי בין האנטנות במערך. לכן יש צורך לבצע אופטימיזציה, לצורך קבלת תוצאות מספקות. כמובן, אם המערך הנ”ל יותקן על פלטפורמה מסויימת, אנו עלולים לקבל תוצאות אחרות, בגלל ההסתרות והחזרות של הגלים האלקטרומגנטיים מהפלטפורמה.

באיור 3 ניתן לראות כלי שייט באורך 38m ורוחב 5m, כאשר מותקנות עליו שתי אנטנות חוטיות, כלל כיווניות, בתוך ראדום.

במקרה של האנטנה הראשונה (ANT 1), אנו מצפים לקבל עקום קרינה עם הסתרה בכיוון השלילי של ציר ה-x, מפני שבכיוון הזה ליד האנטנה נמצא תורן אנכי. בנוסף נקבל גם אדוות (ripples) על העקום הקרינה, בגלל החזרות מהתורן. לכן מומלץ להתקין את האנטנה על החלק העליון של התורן, במקרה שאין אילוצים אחרים, לדוגמא אילוץ מכני. העקום הקרינה של אנטנה השנייה (ANT 2) יהיה מוסתר ע”י המבנה (בכיוון החיובי של ציר ה-y).  באופן כללי, ככל שתדר עבודה של האנטנות נמוך יותר (אורך הגל גדול יותר), כך לגל אלקטרומגנטי יותר קל לעקוף מכשולים.

איור 4 מתאר מודל של מטוס באורך 37m ומפרש כנפיים 33m. על המטוס מותקנות שתי אנטנות מסוג מונופול, כלל כיווניות (ANT1 ו-ANT2).

האנטנות פועלות בתחום תדרים צר, כאשר התדר המרכזי 100MHz ונמצאות אחת מהשנייה במרחק 15m. בסימולציה ניתן לראות את צפיפות זרמים על מעטפת המטוס (המטוס ממודל כמוליך מושלם), כאשר האנטנה ANT1 משדרת. מתח ההזנה לאנטנה הינו 1V. הסקאלה של צפיפות הזרמים הינה לוגריתמית. הצימוד ההדדי בין האנטנות, המוגדר כיחס בין הספק הנקלט באחת האנטנות להספק המשודר באנטנה אחרת הינו -28.5dB. הסימולציה נעשתה עם תוכנת HFSS, במישור התדר עבור פתרון משוואות Maxwell בניסוח האינטגראלי. השיטה המתמטית שבעזרתה פותרים את המשוואות האינטגראליות הנ”ל נקראת  (Method of Moments). בשיטה הנ”ל מחשבים את צפיפות הזרמים ומתוך צפיפות הזרמים ניתן לחשב את עקום הקרינה של האנטנות ופרמטרים אחרים.

הדוגמא המסכמת שבחרנו להציג מתוארת באיור 5. ישנה אנטנה המותקנת על הזנב של המסוק ואנטנה השנייה על כלי השייט.

האורך של הכלי שייט כ-150m. הסימולציה מתבצעת עבור התדר המרכזי 200MHz. האורך גל בתדר הנ”ל בחלל חופשי הינו 1.5m, כלומר, הפלטפורמה הינה גדולה, במושגים של אורכי גל. כיום, עם שיטות חישוב מתקדמות ומחשבים חזקים מאוד, ניתן לפתור את הבעיה הנ”ל בצורה מדוייקת, ללא שום קירובים והנחות. בנוסף, ניתן לבצע סימולציה פרמטרית, עבור מצבים שונים של המסוק יחסית לכלי השייט (כאשר המסוק ממריא או נוחת) ומצבים שונים של הרוטור של המסוק. הסימולציה נעשתה על ידי שימוש בתוכנה HFSS במישור התדר, בשיטת  (Finite Element Method), . באיור 6 ניתן לראות את השדה החשמלי (כתוצאה משידור בשתי האנטנות) ואת עקום הקרינה של האנטנה על המסוק. כמו כן הפרמטרים החשמליים של הים נלקחו בחשבון (תנאי שפה של אימפדנס), על מנת לקבל תופעה של החזרות מהים.

מקורות:

[1] Z. Nasih, S. Makoria, “Design and Simulation of RF Chain and Algorithms for a Beamformer”, Part of a B.Sc. Degree Final Project, SCE, 2013.

[2] K. Zhao, V. Rawat, S.-C. Lee, and J.-F. Lee, “A Domain Decomposition method with Non-Conformal Meshes for Finite Periodic and Semi-Periodic Structures,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 9, pp.2559–2570, Sep. 2007.

על המחברים:

מר ולדימיר וולפין בעל תואר שני בהנדסת חשמל עם התמחות באלקטרומגנטיות מאוניברסיטת בן גוריון. ניסיון של מעל 10 שנים בפיתוח בתחום מיקרוגלים, אנטנות וסימולציות אלקטרומגנטיות, מתוכם 7 שנים בתחום של Antenna Placement. מהנדס אפליקציות בחברת ANSYS.

מר שי סייפן אלטמן בעל תואר ראשון בהנדסת חשמל מאוניברסיטת בן גוריון. עם ניסיון של מעל 15 שנים בפיתוח. מתמחה בסימולציות אלקטרומגנטיות. מהנדס אפליקציות בחברת ANSYS.

הכתבה באדיבות ANSYS. לפרטים נוספים ניתן לפנות לנציגות המקומית.