Nowe funkcjonalności RF Electromagnetics dostępne w Simcenter Simlab pozwalają identyfikować potencjalne problemy systemów radiowych już na etapie projektu. Dzięki integracji technologii Simcenter Feko użytkownicy mogą analizować rozmieszczenie anten, przewidywać pokrycie radiowe oraz oceniać kompatybilność elektromagnetyczną systemów jeszcze przed budową prototypu.

1. Projektowanie anten w rzeczywistym środowisku pracy

Skuteczność systemu radiowego zależy nie tylko od parametrów samej anteny, ale również od sposobu jej integracji z platformą.

Rysunek 1. Analiza rozmieszczenia anten na rzeczywistej platformie

Po zamontowaniu na samolocie, pojeździe, okręcie czy platformie przemysłowej antena staje się częścią znacznie większego układu elektromagnetycznego. Elementy konstrukcyjne platformy wpływają na propagację fal elektromagnetycznych, prowadząc do powstawania odbić, stref zacienienia oraz deformacji charakterystyk promieniowania anten.

Dlatego już na etapie projektu kluczowe staje się przewidzenie, jak platforma wpłynie na działanie anteny. Nowe funkcjonalności RF Electromagnetics w Simcenter Simlab pozwalają analizować kompletne systemy radiowe w ich docelowym środowisku pracy, wykorzystując rzeczywiste modele CAD, zaawansowane technologie symulacyjne Simcenter Feko oraz zweryfikowane dane antenowe pochodzące zarówno z symulacji, jak i pomiarów.

Od modelu CAD do cyfrowego prototypu systemu RF

Proces analizy rozpoczyna się od wykorzystania rzeczywistej geometrii platformy. Inżynierowie mogą pracować bezpośrednio na modelach CAD samolotów, pojazdów, okrętów czy innych dużych struktur, zachowując ich rzeczywisty kształt oraz najważniejsze cechy wpływające na propagację fal elektromagnetycznych.

Rysunek 2. Model CAD samolotu

Inteligentna kontrola siatki dla złożonych platform analizy elektromagnetycznej

Dokładność w dużym stopniu zależy od jakości odwzorowania geometrii. W przypadku platform zawierających elementy o różnej skali – od dużych powierzchni kadłuba po niewielkie detale znajdujące się w pobliżu anten – kluczowe znaczenie ma możliwość lokalnego sterowania gęstością siatki.

Simcenter Simlab udostępnia zaawansowane mechanizmy kontroli siatki, pozwalające zwiększać dokładność odwzorowania wybranych obszarów bez konieczności nadmiernego zagęszczania całego modelu.

Rysunek 3. Narzędzia do generowania, kontroli i weryfikacji siatki

Wykorzystanie istniejących danych projektowych i pomiarowych

Rozwiązanie nie ogranicza użytkownika do modeli tworzonych wyłącznie w środowisku symulacyjnym. Charakterystyki anten mogą pochodzić zarówno z wcześniejszych analiz Simcenter Feko, jak i charakterystyk anten pochodzących z różnych źródeł – zarówno wyników symulacji, jak i danych pomiarowych. Dzięki temu zespoły projektowe mogą wykorzystywać zweryfikowane dane pomiarowe, modele dostarczane przez producentów anten lub wyniki wcześniejszych projektów, znacząco skracając czas przygotowania analiz.

Rysunek 4. Importowana charakterystyka promieniowania anteny przedstawiona w postaci wykresu polarnego 2D oraz trójwymiarowej charakterystyki zysku

Takie podejście umożliwia wykorzystanie wiedzy i zasobów zgromadzonych podczas wcześniejszych projektów, skracając czas przygotowania kolejnych analiz.

Analiza dużych platform bez kompromisów

W przypadku dużych obiektów, takich jak samoloty, statki czy pojazdy wojskowe, liczba oddziaływań elektromagnetycznych gwałtownie rośnie. Aby zachować wysoką dokładność obliczeń przy akceptowalnym czasie analizy, użytkownicy mają dostęp do pełnego portfolio solverów Simcenter Feko.

W zależności od wielkości modelu i analizowanego zjawiska użytkownik może wykorzystać klasyczne metody pełnofalowe, takie jak MoM, MLFMM czy FEM, zapewniające najwyższą dokładność analizy elektromagnetycznej, lub sięgnąć po zaawansowane metody asymptotyczne, takie jak Physical Optics, fUTD czy RL-GO, przeznaczone do bardzo dużych platform.

Rysunek 5. Konfiguracja metod obliczeniowych dostępnych w analizie rozmieszczenia anten

Realistyczne odwzorowanie materiałów

Na zachowanie fal elektromagnetycznych wpływa nie tylko geometria, ale również właściwości materiałów znajdujących się na drodze propagacji. Integracja z Simcenter Material Data Center (SMDC) zapewnia szybki dostęp do zweryfikowanych charakterystyk materiałowych wykorzystywanych w analizach elektromagnetycznych i wielofizycznych.

Rysunek 6. Definiowanie parametrów materiałowych

Od analizy do optymalizacji

Dzięki integracji z Simcenter Hyperstudy proces wyboru lokalizacji anten może zostać zautomatyzowany. Zaawansowane badania parametryczne oraz metody DOE umożliwiają ocenę setek konfiguracji bez konieczności ręcznego przygotowywania kolejnych analiz.

2. Radio Coverage – przewidywanie rzeczywistego zasięgu systemów radiowych

Skuteczność systemu bezprzewodowego nie zależy wyłącznie od mocy nadajnika czy parametrów anteny. Równie istotny jest wpływ otoczenia, w którym propaguje się sygnał. Ściany, okna, drzwi, elementy konstrukcyjne oraz zastosowane materiały mogą znacząco zmieniać poziom sygnału i prowadzić do powstawania obszarów o ograniczonej jakości komunikacji.

Nowe możliwości RF Electromagnetics w Simcenter Simlab pozwalają przewidywać rzeczywiste pokrycie radiowe jeszcze przed instalacją infrastruktury komunikacyjnej. Dzięki temu projektanci mogą zweryfikować jakość łączności na etapie projektu, ograniczając ryzyko kosztownych modyfikacji podczas wdrożenia.

Od geometrii budynku do cyfrowego modelu propagacji

Analiza pokrycia radiowego rozpoczyna się od wykorzystania rzeczywistego modelu środowiska pracy. Może to być pojedynczy budynek, zakład produkcyjny, magazyn, terminal lotniczy, centrum logistyczne lub dowolny obiekt, w którym planowane jest wdrożenie systemu komunikacyjnego.

Rysunek 7. Model środowiska uwzględniający geometrię pomieszczeń oraz właściwości materiałowe

Jednym z powodów problemów z zasięgiem są materiały konstrukcyjne tłumiące sygnał radiowy. Cegła, szkło, drewno czy beton mogą w różnym stopniu wpływać na poziom odbieranego sygnału.

Simcenter Simlab umożliwia przypisywanie rzeczywistych właściwości materiałowych do poszczególnych elementów modelu, dzięki czemu analiza uwzględnia faktyczny wpływ przegród budowlanych na propagację fal radiowych.

Zaawansowane modele propagacyjne dopasowane do analizowanego środowiska Dokładność analizy pokrycia radiowego zależy nie tylko od jakości modelu geometrycznego, ale również od odpowiedniego odwzorowania zjawisk propagacyjnych występujących w danym środowisku. Simcenter Simlab umożliwia wykorzystanie różnych modeli propagacyjnych, pozwalając dobrać metodę obliczeniową do charakteru analizowanego problemu.

Simcenter Simlab umożliwia konfigurację kluczowych parametrów odpowiedzialnych za tłumienie sygnału, zachowanie fal w warunkach bezpośredniej widoczności (LOS – Line of Sight), ograniczonej widoczności (OLOS – Obstructed Line of Sight) oraz braku bezpośredniej widoczności (NLOS – Non-Line of Sight). Dodatkowo użytkownik może kontrolować parametry związane z tłumieniem propagacyjnym, punktami breakpoint distance czy waveguiding.

Rysunek 8. Konfiguracja modelu propagacyjnego wraz z parametrami scenariusza

Możliwość parametryzacji modeli takich jak DPM, SRT, SBR czy COST 231 daje większą kontrolę nad procesem analizy oraz pozwala dopasować poziom szczegółowości obliczeń do wymagań konkretnego projektu. Dzięki temu rozwiązanie może być wykorzystywane zarówno do szybkich analiz koncepcyjnych, jak i do zaawansowanych studiów projektowych wymagających wysokiej wiarygodności prognozowanego pokrycia radiowego.

Szybka ocena zasięgu i jakości sygnału

Wyniki prezentowane są w postaci intuicyjnych map pokrycia radiowego, które pokazują przestrzenny rozkład poziomu sygnału w analizowanym obiekcie. Ułatwia to identyfikację stref o niewystarczającym poziomie sygnału, optymalizację lokalizacji punktów dostępowych oraz weryfikację wpływu geometrii obiektu i zastosowanych materiałów na jakość komunikacji.

Rysunek 9. Mapa pokrycia radiowego umożliwiająca identyfikację obszarów o wysokiej jakości sygnału oraz potencjalnych martwych stref

3. Co-Site Interference – eliminacja zakłóceń jeszcze przed integracją systemów RF

Nowoczesne platformy lotnicze, wojskowe, morskie i przemysłowe coraz częściej wykorzystują wiele systemów radiowych pracujących równocześnie. Na jednej platformie mogą współistnieć systemy komunikacyjne, nawigacyjne, telemetryczne, monitorujące czy transmisji danych, wykorzystujące różne zakresy częstotliwości oraz poziomy mocy nadawczej.

Choć każdy z tych systemów może poprawnie działać indywidualnie, ich integracja na wspólnej platformie często prowadzi do nieoczekiwanych problemów związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną. W praktyce oznacza to ryzyko pogorszenia jakości komunikacji, spadku czułości odbiorników, utraty sygnału nawigacyjnego lub niestabilnej pracy całego systemu.

Wykorzystanie rzeczywistych danych

Podstawą analizy mogą być rzeczywiste dane sprzężeń elektromagnetycznych zapisane w pliku Touchstone, pochodzące z symulacji Simcenter Feko, pomiarów laboratoryjnych lub danych producentów urządzeń.

Rysunek 10. Import parametrów S w formacie Touchstone

Gotowe biblioteki urządzeń i wyposażenia RF

Simcenter Simlab udostępnia rozbudowany katalog wyposażenia RF obejmujący gotowe definicje urządzeń i komponentów wykorzystywanych w rzeczywistych systemach komunikacyjnych. Oprócz nadajników i odbiorników użytkownicy mają dostęp do bibliotek filtrów, cyrkulatorów, a także elementów toru RF, które mogą mieć istotny wpływ na kompatybilność elektromagnetyczną całego systemu.

Rysunek 11. Katalog wyposażenia RF

Szczególną wartość stanowią biblioteki urządzeń komunikacyjnych bazujących na rzeczywistych technologiach radiowych. Użytkownicy mogą korzystać z gotowych profili obejmujących między innymi systemy VHF i UHF, rozwiązania lotnicze, Wi-Fi, TETRA, WCDMA, LTE czy systemy satelitarne. Pozwala to uwzględnić charakterystyczne cechy poszczególnych technologii podczas analizy oraz dokładniej przewidywać potencjalne źródła zakłóceń i problemy integracyjne.

Rysunek 12. Katalog urządzeń RF zawierający gotowe profile systemów komunikacyjnych

Czytelna ocena ryzyka dla całej platformy

Po zdefiniowaniu urządzeń radiowych pracujących na platformie – w tym przypadku nadajników L-Band i VHF oraz odbiorników GPS i UHF – oprogramowanie automatycznie analizuje wzajemne oddziaływania pomiędzy wszystkimi systemami.

Wyniki prezentowane są w postaci macierzy kompatybilności, która pozwala szybko określić, które kombinacje nadajników i odbiorników mogą prowadzić do problemów eksploatacyjnych.

Rysunek 13. Macierz kompatybilności przedstawiająca wpływ nadajników L-Band i VHF na odbiorniki GPS i UHF

W analizowanym przykładzie szczególnie niekorzystny wpływ obserwowany jest pomiędzy nadajnikiem VHF a odbiornikiem GPS, gdzie uzyskany margines kompatybilności wskazuje na wysokie ryzyko występowania zakłóceń.

Po zidentyfikowaniu problematycznych relacji pomiędzy systemami radiowymi użytkownik może przejść do szczegółowej analizy wyników. Oprócz widoku macierzy dostępna jest również forma tabelaryczna, prezentująca wszystkie wykryte przypadki zakłóceń wraz z ich źródłem, System Loss oraz uzyskanym marginesem kompatybilności.

Rysunek 14. Szczegółowa lista wykrytych zakłóceń umożliwia identyfikację mechanizmu interferencji, zaangażowanych urządzeń oraz ocenę uzyskanego marginesu kompatybilności

Od wykrycia problemu do jego eliminacji

Jedną z największych zalet rozwiązania jest możliwość przejścia od identyfikacji zakłóceń do oceny skuteczności działań naprawczych.

Po zidentyfikowaniu problematycznych relacji pomiędzy urządzeniami radiowymi użytkownik może utworzyć alternatywny wariant analizy i sprawdzić wpływ różnych metod ograniczania interferencji. W prezentowanym przykładzie wykorzystano filtry pasmowe dodane zarówno po stronie nadajników, jak i odbiorników. Dostępny katalog wyposażenia RF zawiera gotowe definicje filtrów obejmujących różne zakresy częstotliwości, które mogą zostać szybko przypisane do wybranych elementów systemu.

Rysunek 15. Biblioteka filtrów RF

Dodatkową zaletą rozwiązania jest możliwość wykorzystania oraz modyfikacji widmowych masek emisyjnych (Spectrum Mask) urządzeń.

Rysunek 16. Spectrum Mask

W prezentowanym przykładzie ponowna analiza wykazała, że zastosowanie odpowiednio dobranych filtrów pozwoliło usunąć przypadki RF Blocking oraz znacząco poprawić marginesy kompatybilności dla pozostałych relacji pomiędzy systemami.

Rysunek 17. Wyniki po zastosowaniu filtrów

Kompletny workflow projektowania systemów RF

Nowe funkcjonalności RF Electromagnetics dostępne w Simcenter Simlab tworzą spójne środowisko do projektowania, analizy i optymalizacji systemów radiowych. Użytkownicy mogą rozpocząć pracę od modelu CAD platformy, zweryfikować wpływ konstrukcji na działanie anten, ocenić pokrycie radiowe w wybranym środowisku, a następnie przeanalizować wzajemne oddziaływania pomiędzy współpracującymi systemami radiowymi.

Możliwość wykorzystania istniejących modeli, danych pomiarowych, parametrów S zapisanych w plikach Touchstone oraz gotowych bibliotek urządzeń RF pozwala znacząco skrócić czas przygotowania analiz i efektywnie wykorzystać wiedzę zgromadzoną podczas wcześniejszych projektów. Jednocześnie dostęp do zaawansowanych metod obliczeniowych Simcenter Feko umożliwia prowadzenie analiz zarówno dla pojedynczych anten, jak i dużych, elektrycznie złożonych platform.

Połączenie analiz rozmieszczenia anten, pokrycia radiowego oraz kompatybilności elektromagnetycznej pozwala ograniczyć liczbę kosztownych testów i modyfikacji wykonywanych projektów.