5G e oggetti connessi, la visione del CTO Pivotal Commware

5G e oggetti connessi, la visione del CTO Pivotal Commware

Eric Black, CTO di Pivotal Commware, spiega come la rapida diffusione dei dispositivi smart richieda un rapido sviluppo della banda.
Uno dei modi con cui la quinta generazione della tecnologia wireless cellulare può risolvere il problema consiste nello sfruttare antenne beamforming per inviare segnali diversi in diverse aree della rete cellulare, consentendo di avere più trasmissioni simultanee sulla stessa frequenza.

Pivotal Commware è impegnata nello sviluppo della nuova generazione di antenne beamforming o stazioni radio base e altre applicazioni a un costo molto più contenuto rispetto ai metodi esistenti. Gli ingegneri dell’azienda utilizzano ANSYS HFSS per creare antenne in grado di soddisfare i requisiti progettuali al primo o secondo passaggio, riducendo considerevolmente il tempo necessario per lanciare nuove antenne sul mercato.

Nelle precedenti tecnologie cellulari 3G e 4G LTE era stato adottato il processo di divisione delle bande di frequenza in segmenti più sottili e del tempo in impulsi sempre più piccoli per aumentare il numero di utenti gestibili dalla rete. Pivotal Commware indirizza il nuovo modello di suddivisione dello spazio del 5G con la tecnologia HBF (holographics beamforming). HBF utilizza diodi varicap (o varactor), componenti che sono molto più semplici e meno costosi della complessa elettronica impiegata nelle attuali antenne beamforming come i sistemi phased array o MIMO (multiple-input multiple-output).

Costo, dimensioni, peso e potenza (C-SWaP) sono fattori critici nella progettazione di sistemi di comunicazione. Usando l’approccio tradizionale alla costruzione di un prototipo realizzabile nel giro di un mese - con ricerca dei difetti, creazione di un nuovo design e così via - sarebbe impossibile rispettare i tempi di lancio del prodotto. Invece, grazie all’ANSYS Startup Program, i tecnici Pivotal utilizzano ANSYS HFSS per progettare tutti i componenti chiave delle antenne 5G: transizioni, feeding network, accoppiatori, blocchi RF/DC, linee di trasmissione ed elementi radianti. Gli strumenti di simulazione ANSYS hanno permesso alla tecnologia holografic beamforming di Pivotal di soddisfare tutti i requisiti C-SWaP. Grazie alla simulazione, i tecnici possono ottenere un progetto affidabile già nelle prime fasi del processo di sviluppo evitando le iterazioni caratteristiche dei tradizionali metodi di progettazione.

Il beamforming alla base delle performance 5G
Nel 4G LTE la tecnologia cellulare ha raggiunto i limiti teorici di multiplazione a divisione di tempo e frequenza: pertanto i tecnici stanno cercando di usare antenne software altamente direzionali per suddividere lo spazio fisico. Ciò permetterà agli utenti di telefonia mobile in luoghi diversi all’interno di una rete cellulare di condividere la stessa frequenza. Una tecnologia leader in questo spazio è MIMO, che usa diversi trasmettitori e ricevitori per stimolare i vari elementi in ciascuna antenna a trasmettere flussi di dati che possono successivamente ricombinarsi nonostante viaggino su percorsi diversi. MIMO richiede tuttavia una BBU (baseband unit) complessa e costosa per poter coordinare il sistema e le radio dietro ogni elemento, il che comporta alti costi ed elevato consumo di energia.

Il beamforming olografico, invece, usa un unico varactor (capacitori variabili la cui capacitanza dipende dai bias DC) per elemento dell’antenna per dirigere la capacità wireless ove sia necessario all’interno della cella senza necessità di molteplici moduli radio o complesse BBU. Questa tecnologia viene definita olografica perché un pattern di diversi stadi bias del varactor nell’antenna controlla le onde a radio frequenza nello stesso modo in cui gli ologrammi controllano le onde luminose per produrre un’immagine 3D. L’alterazione dei DC bias del varactor modifica l’impedenza vista dall’onda di riferimento in ciascun elemento, modificando così lo schema di radiazione dell’array e dirigendo il raggio a un gruppo di utenti mobili, o anche a un unico utente, all’interno della rete cellulare. Tutti i componenti usati nella costruzione delle antenne a beamforming olografico sono disponibili in volumi e a basso costo, risultando quindi molto più economici rispetto a MIMO o ai phased array.

Le problematiche della progettazione dei radiatori
Gli ingegneri di Pivotal Commware usano ANSYS HFSS per modellare tutti i componenti a microonde dell’antenna HBF. Di particolare importanza sono i radiatori, elementi passivi dell’antenna responsabili dello schema di radiazione. I radiatori presentano però particolari difficoltà di progettazione in quanto devono essere efficienti su un ampio spettro di frequenze in un sistema compatto, più piccolo di un quinto di una lunghezza d’onda.

Un tipico elemento radiante ha una risposta di secondo ordine a doppia polarizzazione ed è modellato con una coppia di boundary master/slave sulle pareti laterali, due feed coassiali e una porta Floquet sul confine superiore. L’elemento radiante è composto da una cross-polarization patch, una griglia induttiva e un patch parassitario. Ogni array comprende migliaia di elementi identici; modellare ciascuno di questi elementi sarebbe noioso e richiederebbe lunghi tempi per la soluzione.

Gli ingegneri Pivotal dunque utilizzano la porta Floquet di HFFS con due modi sulla parete +z per modellare una struttura periodica planare infinita con elementi collegati tra loro sulla parete laterale. Le caratteristiche di propagazione dell’antenna sono definite dalla frequenza, dalla fase e dalla geometria degli elementi. Questo approccio consente una rapida iterazione del progetto, permettendo agli ingegneri di modificare l’intero modello variando un singolo elemento e quindi risolvere i parametri S della nuova iterazione in una frazione del tempo richiesto per risolvere un modello convenzionale.

Gli ingegneri possono parametrizzare tutte le principali variabili di progetto nel loro modello. Ciò permette di usare le funzioni derivate analitiche dell’add-on ANSYS Optimetrics per modificare tutti i parametri di progetto e aggiornare istantaneamente il risultato senza dovere risolvere nuovamente il modello. Se, ad esempio, l’ingegnere muove la manopola della derivata analitica per modificare di 1 mm lo spessore di un elemento, appare una nuova curva tratteggiata sul diagramma dell’efficienza di radiazione che può essere agevolmente confrontata con il diagramma originale per valutare l’impatto della modifica. A parte l’efficienza di radiazione, una simulazione alle derivate fornisce anche parametri S, far field e il primo ordine di derivate analitiche per ogni variabile di progetto in una singola simulazione. La grandezza della derivata parziale indica la sensibilità al cambiamento del parametro S in ogni variabile di progetto rispetto alla gamma di frequenze coperta dalla simulazione.

L’utilizzo di parametric sweep per studiare il roll-off
I tecnici usano anche i parametric sweep per studiare il roll-off nelle prestazioni dell’antenna come funzione del raggio di puntamento di un’antenna in broadside. Spesso valutano l’efficienza della radiazione come funzione della frequenza della direzione di beamforming in intervalli di dieci gradi. Questi diagrammi tipicamente mostrano un’efficienza di radiazione quasi perfetta tra 0 e 20 gradi dalla linea centrale, seguita da un calo sempre maggiore dell’efficienza man mano che l’antenna è puntata più lontano dalla linea centrale. Le antenne a beamforming olografico sono in grado di mantenere performance ragionevoli anche ad angoli di 90 gradi rispetto alla linea centrale.

Per la progettazione delle precedenti generazioni di antenne i progettisti usavano calcoli manuali per creare un progetto iniziale approssimativo che veniva gradualmente migliorato costruendo e testando una serie di prototipi. ANSYS HFSS permette agli ingegneri di Pivotal Commware di velocizzare la progettazione costruendo un modello periodico con una porta Floquet che può essere risolta rapidamente usando lo strumento di derivata analitica per raggiungere le performance desiderate. Possono, inoltre, eseguire analisi parametriche per mettere a punto e validare il progetto ottimizzato. Questo approccio ha ridotto i tempi di sviluppo da un mese a pochi minuti, permettendo di realizzare obiettivi di performance estremamente elevati e i requisiti dei fornitori di cellulari e degli utenti di telefonia mobile in altri mercati in tempi brevi.