天線性能在復(fù)雜的無線環(huán)境中是如何保持的？

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、配備高級輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)的自動駕駛汽車等最新無線技術(shù)的興起，以及現(xiàn)有無線技術(shù)的普及應(yīng)用和性能飛速發(fā)展，相關(guān)行業(yè)迎來了巨大的商業(yè)機(jī)遇。廣泛普及的無線系統(tǒng)可提供持續(xù)的移動通信、導(dǎo)航和數(shù)據(jù)服務(wù)，并延伸至多個(gè)行業(yè)和應(yīng)用，包括個(gè)人電子設(shè)備、家庭自動化、電信、汽車、航空航天等。與此同時(shí)，在復(fù)雜環(huán)境中設(shè)計(jì)和部署如此眾多的無線系統(tǒng)也需要面臨越來越大的挑戰(zhàn)。

在日益互聯(lián)的世界中，無線系統(tǒng)的數(shù)量激增，其發(fā)生干擾和性能劣化的可能性也隨之增加。這會造成不同程度的后果?小到給個(gè)人娛樂帶來不便，大到給飛機(jī)帶來災(zāi)難性的后果。要想贏得競爭，企業(yè)需要快速設(shè)計(jì)、評估和部署能夠在預(yù)期工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能的無線系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，附近會存在其他可能導(dǎo)致干擾和性能劣化的無線系統(tǒng)。此外，還必須考慮環(huán)境中存在的意外射頻干擾(RFI)源，以實(shí)現(xiàn)魯棒性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在研發(fā)早期階段確定有可能發(fā)生干擾的位置，企業(yè)能夠避免干擾問題，減少后期修復(fù)問題的成本和降低風(fēng)險(xiǎn)。

仿真無線系統(tǒng)

必須在無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的早期概念階段進(jìn)行仿真驅(qū)動的產(chǎn)品研發(fā)，以預(yù)測復(fù)雜環(huán)境中的無線系統(tǒng)性能。設(shè)計(jì)必須包括：在環(huán)境中不屬于待設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成部分的其他無線設(shè)備和RF信號源的影響。如果沒有針對目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，有可能出現(xiàn)以下情況：系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室測試中表現(xiàn)出色，但經(jīng)過部署后出現(xiàn)性能劣化，從而為了減輕干擾產(chǎn)生高昂成本，并且很可能使業(yè)務(wù)戰(zhàn)略以失敗告終。

復(fù)雜環(huán)境中的無線系統(tǒng)仿真涉及多個(gè)計(jì)算域和求解方法。它需要一個(gè)不僅僅是面向分析專家，同時(shí)還面向設(shè)計(jì)工程師的工作流程。為確保設(shè)計(jì)生產(chǎn)力和效率，需要在提供多保真度模型庫的無縫設(shè)計(jì)工作流程中協(xié)同使用這些方法，這樣就能在獲得完整和詳細(xì)的設(shè)備信息之后開始仿真。仿真結(jié)果應(yīng)當(dāng)有利于實(shí)現(xiàn)性能要求和部件選擇。

在情景矩陣仿真結(jié)果視圖中，用顏色編碼顯示了潛在性能問題的系統(tǒng)級概要。紅色方塊表示受影響系統(tǒng)之間的干擾問題，并需要進(jìn)一步關(guān)注以緩解問題。在實(shí)施合適的頻率規(guī)劃、干擾緩解和運(yùn)行程序之后，全部是綠色的情景矩陣顯示了所有系統(tǒng)在倉庫環(huán)境中正常運(yùn)行。

通過自動化診斷、信號跟蹤和添加標(biāo)簽的頻譜顯示，可以快速確定無線系統(tǒng)性能問題的根源，以便設(shè)計(jì)和評估緩解措施。

仿真復(fù)雜環(huán)境

Ansys提供面向所有學(xué)科領(lǐng)域的世界級仿真解決方案，包括利用面向天線設(shè)計(jì)和布局的Ansys HFSS可進(jìn)行電磁分析，利用 Ansys RF Option的電路與系統(tǒng)仿真器可預(yù)測無線傳感器在連接到天線時(shí)的性能。Ansys RF Option現(xiàn)包含Ansys EMIT，其集成了電磁和電路/系統(tǒng)領(lǐng)域的所有技術(shù)，能夠在復(fù)雜環(huán)境中全面仿真所有無線系統(tǒng)的性能。Ansys EMIT提供基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模型庫，可面向多種類型的無線系統(tǒng)。其獨(dú)特的多保真度建模方案提供極其有用的仿真，能夠在只獲得不完整的設(shè)計(jì)與性能參數(shù)的情況下推進(jìn)早期的設(shè)計(jì)決策。

例如，現(xiàn)代自動化倉庫能夠接收訂單并通過送貨無人機(jī)進(jìn)行派送。倉庫依靠大量無線電設(shè)備以無線方式連接訂單和送貨過程的各個(gè)不同部分。倉庫中的無線系統(tǒng)包括用于庫存管理的射頻識別(RFID)標(biāo)簽和讀取器、工作在不同空閑頻帶的用于向機(jī)器人和無人機(jī)發(fā)送和接收命令的無線鏈路、用于提供位置信息的GPS以及設(shè)備之間的Wi-Fi和Bluetooth連接。此外，其他的RF信號源（例如倉庫中工人之間通信使用的手提式無線電設(shè)備）會影響用于確保倉庫運(yùn)行的無線鏈路的性能。在如此復(fù)雜的無線環(huán)境中，很有可能發(fā)生干擾并劣化系統(tǒng)性能。在倉庫無線系統(tǒng)的早期設(shè)計(jì)階段使用仿真，能夠在部署系統(tǒng)之前發(fā)現(xiàn)并防止成本高昂的停機(jī)時(shí)間。

分析人員可利用Ansys HFSS和Ansys RF Option模擬所有天線和無線設(shè)備在倉庫環(huán)境中運(yùn)行時(shí)的性能，而這一切工作都可在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前進(jìn)行。在情景矩陣中匯總了頂層結(jié)果，矩陣中的每個(gè)方塊代表無線系統(tǒng)之間的相互作用。顏色編碼方案用紅色方塊識別性能問題。綠色部分代表已實(shí)現(xiàn)性能要求。從仿真獲得的詳細(xì)結(jié)果有助于進(jìn)行合理的頻率規(guī)劃，定義運(yùn)行參數(shù)，以及制定必要的解決措施，從而確保所有同時(shí)工作的無線系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，就像在全綠色的情景矩陣中指出的那樣。

避免干擾

在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)集成的另一個(gè)典型挑戰(zhàn)是：確保飛機(jī)（例如直升機(jī)）上的所有無線電發(fā)射器和接收器正常運(yùn)行。所有天線必須同時(shí)運(yùn)行，而且不會劣化其他天線的性能。典型飛機(jī)環(huán)境中有上千萬種（或更多）導(dǎo)致性能劣化的干擾方式，這種復(fù)雜性問題必須加以解決。情景矩陣提供的高級概括圖可用來快速識別系統(tǒng)相互作用中的問題，但卻無法提供相關(guān)信息以確定問題的根源或干擾信號的路徑。Ansys EMIT中的自動診斷和結(jié)果可視化功能為設(shè)計(jì)人員提供了快速確定問題和設(shè)計(jì)緩解措施所需的工具。

例如，直升機(jī)上的一個(gè)無線電受到其他同時(shí)運(yùn)行的共址發(fā)射器造成的干擾時(shí)，診斷工具會顯示信號跟蹤并在寬頻帶頻譜圖上顯示干擾標(biāo)記。設(shè)計(jì)人員可以立即確定問題根源：由于兩個(gè)發(fā)射器系統(tǒng)耦合，功率放大器的非線性造成高階互調(diào)產(chǎn)物，從而導(dǎo)致了干擾。如果沒有自動診斷技術(shù)，預(yù)測和診斷這類相互作用將會非常困難。若依靠測試與測量方法，識別這些問題的成本會非常高，更糟的是需要測試整個(gè)環(huán)境和所有運(yùn)行中的RF設(shè)備。據(jù)一家大型航空航天承包商的系統(tǒng)集成項(xiàng)目經(jīng)理估計(jì)，最近他們在一款新型無人機(jī)平臺的概念設(shè)計(jì)早期階段發(fā)現(xiàn)并解決了飛機(jī)中的RFI問題（類似于本文討論的問題），因此節(jié)省了超過1,000,000美元的成本。

將多個(gè)RF系統(tǒng)集成到飛機(jī)平臺（例如直升機(jī)）是系統(tǒng)集成人員面臨的常見挑戰(zhàn)，他們需要確保所有系統(tǒng)在擁擠的環(huán)境中正常運(yùn)行而且不會相互干擾。輻射圖顯示了飛機(jī)上九個(gè)天線的位置。

集成型工作流程

這些實(shí)例展示了利用仿真的必要性，其可用于驅(qū)動復(fù)雜環(huán)境中的無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)。隨著無線設(shè)備數(shù)量的激增，有一點(diǎn)變得更加至關(guān)重要：即評估共址設(shè)備對于待研發(fā)系統(tǒng)的性能影響，從而在安裝地點(diǎn)獲得令人滿意的預(yù)期性能。

為高效、準(zhǔn)確仿真復(fù)雜環(huán)境中的無線系統(tǒng)性能，需要采用面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的緊密集成型工作流程。它必須采用涉及多個(gè)域的最佳求解器技術(shù)，并提供自動診斷功能，從而支持在無線系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)和集成過程中快速評估設(shè)計(jì)決策。

審核編輯：湯梓紅