Narzędzia wspomagające projektowanie w Telkom-Telmor

Od pomysłu do realizacji długa droga, ale…

Korzystamy z narzędzi wspomagających projektowanie elektronicznych urządzeń RF.

Zanim elektroniczne urządzenie RF (w szczególności urządzenie SMATV typu antena, wzmacniacz, filtr) zostanie wdrożone do seryjnej produkcji, przechodzi najczęściej długą drogę.

W klasycznym ujęciu projektowania nowego urządzenia, wyróżnić można następujące etapy jego powstawania:

  • rozpoznanie rynku i określenie wymagań technicznych
  • opracowanie i wykonanie konstrukcji modelu
  • pomiary modelu, wprowadzenie poprawek
  • opracowanie i wykonanie konstrukcji prototypu
  • pomiary prototypu, wprowadzenie poprawek
  • w razie konieczności powtórzenie etapu, aż do osiągnięcia założonych, akceptowalnych parametrów

Zmierzając do ograniczenia ilości etapów projektowania, pomocne mogą być bardziej lub mniej zaawansowane narzędzia wspomagające projektowanie urządzeń RF (symulatory).

Dzięki ich wykorzystaniu można znacząco zminimalizować czas potrzebny do uzyskania finalnego produktu, poprzez redukcję powtórzeń niektórych etapów projektowania. Symulacje z użyciem programów, prowadzące do uzyskania właściwego rezultatu, zastępują iteracje polegające na wykonywaniu i pomiarach kolejnych modeli fizycznych. Dzięki temu proces powstawania nowego urządzenia można zminimalizować do poniższych etapów:

  • rozpoznanie rynku i określenie wymagań technicznych
  • opracowanie wstępnej konstrukcji modelu przy użycie programów CAD
  • wykonanie ciągu symulacji, aż do osiągnięcia oczekiwanego efektu
  • wykonanie konstrukcji modelu
  • pomiary modelu, wprowadzenie poprawek

Obecnie dostępnych jest szereg zaawansowanych narzędzi (programów – symulatorów oraz sprzętu pomiarowego), które ułatwiają czy to bezpośrednie projektowanie samych urządzeń, czy też kontrolę parametrów elektrycznych uzyskiwanych w wyniku pomiaru modeli prototypowych. Umiejętność ich wykorzystania może znacząco zminimalizować czas oraz koszty wdrożenia, a tym samym wpłynąć na niższą cenę tychże urządzeń.

Wykorzystanie nowoczesnych narzędzi oraz technik projektowania urządzeń RF pozwala na szybsze zoptymalizowanie i uzyskanie wymaganych parametrów, a tym samym wcześniejsze wprowadzenie ich na rynek sprzedaży. Z wielu z nich korzysta Telkom-Telmor, a jednymi z ciekawszych i bardziej zaawansowanych są:

  1. Symulatory 3D pola EM (np. HFSS Ansys),
  2. Symulatory obwodów RF (np. Syntezer filtrów Nuhertz FilterSolutions),
  3. Drukarki 3D,
  4. Zaawansowany sprzęt pomiarowy.

Adaptując nowoczesne narzędzia projektowe do procesu powstawania nowej konstrukcji, poszczególne etapy projektowania np. anteny TV (z przedwzmacniaczem) będą wyglądać następująco:

Etapy Projektowania w Telkom-Telmor

  • rozpoznanie rynku i określenie wymagań technicznych
  • opracowanie wstępnej konstrukcji modelu przy użyciu programów CAD (elektronika, mechanika)
  • wykonanie ciągu symulacji, aż do osiągnięcia oczekiwanego efektu (Nuhertz, HFSS ANSYS)
  • wykonanie konstrukcji modelu przy wykorzystaniu modelowania 3D (drukarka 3D), działu narzędziowego, działu prototypowego elektroniki 
  • pomiary modelu, wprowadzenie poprawek (przy wykorzystaniu analizatorów wektorowych, miernika szumu, miernika parametrów cyfrowych, generatorów RF)
  • pomiary środowiskowe (w tym przy użyciu tunelu aerodynamicznego i komory klimatycznej)
  • testy SURGE, testy EM

Poniżej skupimy się na ogólnym przedstawieniu wymienionych powyżej programów wspomagających projektowanie urządzeń RF.

Programy wspierające

Program do projektowania filtrów Nuhertz FilterSolutions  jest jednym z prostszych, ale jednocześnie niezwykle pomocnym narzędziem wykorzystywanym na samym początku projektowania urządzenia RF, który pozwala na szybką syntezę filtru o zadanych parametrach.

Spośród wielu dostępnych opcji, program umożliwia użytkownikowi wybór odpowiedniego typu filtru (Bessel, Butteworth, Chebyschev, Eliptic), jego rodzaju (dolnoprzepustowy, górnoprzepustowy, pasmowoprzepustowy, pasmowozaporowy) oraz sposobu jego realizacji (m.in. o stałych skupionych [Lumped LC], o stałych rozproszonych [Transmision Line], Active).

Poniżej skupimy się na ogólnym przedstawieniu wymienionych powyżej programów wspomagających projektowanie urządzeń RF.

Program do projektowania filtrów Nuhertz FilterSolutions  jest jednym z prostszych, ale jednocześnie niezwykle pomocnym narzędziem wykorzystywanym na samym początku projektowania urządzenia RF, który pozwala na szybką syntezę filtru o zadanych parametrach.

Obok przykład filtru pasmowo-przepustowego o stałych rozproszonych typu Hairpin zrealizowany przy pomocy sprzężonych linii mikropaskowych.

Nuhertz w połączeniu z bardziej zaawansowanymi symulatorami pozwalającymi również na optymalizację np. parametrów rozproszenia S21, S11, (np. ADS czy Ansys HFSS), umożliwia dość precyzyjne i szybkie zaprojektowanie potrzebnego filtru.

Ciekawą i użyteczną funkcją Nuhertza jest możliwość automatycznego exportu filtru zrealizowanego z użyciem elementów o stałych rozproszonych do programu HFSS Ansys. Ten symulator 3D pola EM umożliwia przeprowadzenie optymalizacji filtru pod kątem uzyskania wymaganych parametrów w zadanym zakresie częstotliwości, takich jak np. tłumienność niedopasowania S11 czy tłumienie S21. Wyniki uzyskanych obliczeń takiego filtru są bardzo zbliżone do rzeczywistych pomiarów.

Filtr FPP typu Hairpin zamodelowany (zaimportowany z Nuhertz) w symulatorze HFSS Ansys.

Z uwagi na konieczność filtrowania sygnałów niepożądanych w urządzeniach RF (szczególnie w sprzęcie SMATV) stosuje się wiele różnego rodzaju filtrów. Ich optymalizacja w celu uzyskania założonych parametrów jest często bardzo pracochłonna.

Przedstawione powyżej (przykładowe) narzędzia do projektowania obwodów RF pozwalają zminimalizować czas oraz koszt potrzebny do uzyskania wymaganych parametrów urządzenia, eliminując konieczność wykonywania kolejnych modeli w celu ich osiągnięcia.

Powyższy przykład zastosowania symulatora 3D HFSS Ansys, jest tylko jednym z wielu jego możliwości obliczeniowych, wykorzystywanych przez konstruktorów biura rozwoju firmy Telkom-Telmor.

Jednym z najbardziej złożonych procesów projektowania, do którego wykorzystywany jest trójwymiarowy symulator pola EM HFSS Ansys w firmie Telkom-Telmor jest proces projektowania anten TV.

Program umożliwia stworzenie modelu 3D projektowanej anteny oraz symulację jej działania z uwzględnieniem właściwości materiałów, z których jest zbudowana, elementów mocowania czy elementów scalających całą konstrukcję. Jednocześnie model anteny można uzupełnić o elementy elektroniki takie jak symetryzator czy przedwzmacniacz, dzięki czemu obliczenia stają się bardziej precyzyjne i bliższe rzeczywistości.

Powyżej przykład anteny zamodelowanej w HFSS Ansys wraz z jej charakterystyką zysku w przestrzeni trójwymiarowej.

Symulacja pozwala na precyzyjne określenie zysku anteny, kierunku promieniowania, mocy lisków głównych oraz bocznych, czy wielu innych parametrów istotnych dla jej projektanta.

W zależności od potrzeb, w wyniku symulacji uzyskujemy charakterystykę promieniowania anteny (tzw. zysk anteny) w przestrzeni trójwymiarowej 3D, czy też dopasowanie na jej wyjściu (S11), dzięki czemu możemy ocenić jej skuteczność działania w zakładanym paśmie pracy.

Wykorzystanie programu HFSS Ansys w procesie projektowania anten pozwala w znacznie większym stopniu niż Nuhertz, zminimalizować ilość wytworzonych modeli fizycznych potrzebnych do uzyskania określonych parametrów, co ma swoje wymierne korzyści:

  • zyskujemy na czasie (wykonanie elementów mechanicznych, elektroniki),
  • minimalizujemy koszty (oszczędzamy materiały),
  • ograniczamy liczbę szczegółowych pomiarów i testów.

Proces projektowania anten jest doskonałym przykładem, w którym można wykorzystać kolejne nowatorskie narzędzie, które jest coraz szerzej wykorzystywane w produkcji prototypowej (i nie tylko). Mowa tu o modelowaniu 3D a konkretnie o drukarkach 3D.

Rozwiązanie to umożliwia szybkie i stosunkowo tanie wykonanie, np. obudów do urządzeń elektronicznych czy też elementów z tworzyw sztucznych np. scalających aktywne elementy anten, na podstawie dokumentacji przygotowanej w programach CAD (cyfrowe pliki źródłowe, najczęściej w formacie SCL).

Korzystanie z drukarek 3D pozwala między innymi sprawdzić różne warianty wytwarzanego elementu, a następnie po uzyskaniu zadowalających rezultatów wprowadzić konieczne poprawki w projekcie, jeszcze przed wykonaniem kosztownych form do odlewów z tworzyw sztucznych czy ze stopów ZnAl (stopy cynku i aluminium). Tym samym zaoszczędzamy czas potrzebny na wykonanie modeli oraz minimalizujemy koszty związane z przygotowaniem produkcji, w tym przypadku projektowanej anteny.

Testy końcowe

Przed zakończeniem prac projektowych i akceptacją ostatecznych parametrów urządzeń RF, które powinny być zgodne z postawionymi na samym początku projektu wymaganiami, konieczne jest przeprowadzenie szeregu szczegółowych testów i pomiarów fizycznych modeli. Większość z nich konstruktorzy biura projektowego Telkom-Telmor przeprowadzają we własnych laboratoriach.

Jednak w przypadku anten TV istnieje konieczność przeprowadzenia niektórych badań w jednostkach certyfikowanych, posiadających odpowiednią bazę do przeprowadzania szczególnych testów. Jednym z takich badań są testy środowiskowe (związane z bezpieczeństwem użytkowania), polegające na badaniu odporności mechanicznej anteny na podmuchy wiatru. Tego typu badania wykonuje Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa w Warszawie w specjalnym tunelu aerodynamicznym. Nowe anteny konstruowane w Telkom-Telmor poddawane są również takim testom.

Powyżej test anteny w tunelu aerodynamicznym w Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa

Podsumowanie

Przedstawione wyżej przykłady pokazują, iż obecnie istnieje wiele nowoczesnych narzędzi umożliwiających zoptymalizowanie procesu opracowywania nowych urządzeń elektronicznych poprzez skrócenie czasu czy obniżenie kosztów prototypowania. Zaprezentowane w artykule narzędzia są tylko jednymi z wielu, z których można skorzystać. Należy przy tym zwrócić uwagę, że chcąc być nadal konkurencyjnym w branży urządzeń RF (w tym SMATV), należy podążać za nowymi technologiami inwestując w nowoczesne rozwiązania, poprzez wdrażanie zarówno programów wspomagających projektowanie jak i sprzętu pomiarowego, co jak widać firma Telkom-Telmor czyni.

Autor: Andrzej Osiecki – Konstruktor Elektroniki W.Cz. – Dział Badań i Rozwoju

Zostaw komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *