Antennen-Entwicklung mit der Antenna Toolbox von Mathworks

Beispiel für das Design einer Patch-Microstrip-Antenne mit Antenna Toolbox.Mathworks

Zur vollständigen Simulation von Mobilfunksystemen hat Mathworks die Antenna Toolbox entwickelt und im März 2015 vorgestellt. Das Entwicklungstool ermöglicht in Matlab ein nahtloses Design von Antennen und Antennenarrays sowie die Analyse und Visualisierung der Übertragungscharakteristik. Anwender können zwischen verschiedenen Bauformen wie Patch, Loop und Spirale wählen, die geometrischen Eigenschaften und die Feldverteilung ändern wie auch rasch Berechnungen zu Impedanz, Stromverteilung und Fernfeld-Strahlungscharakteristik durchführen.

Mit der Antenna Toolbox lassen sich in Matlab und Simulink Antennen bereits in einem frühen Entwicklungsstadium analysieren und vollständig von Bit-Ebene bis zur Antenne simulieren. Das verringert das Risiko von fehlerhaft umgesetzten Spezifikationen, verspäteten Verifikationen und fehlentwickelten Algorithmen.

Den richtigen Strahler finden

Das Design und die Integration von Antennen haben großen Einfluss auf die Kosten und Leistung von Drahtlossystemen, da Antennen zu den teuersten Elementen gehören. In einem frühen Stadium des Entwicklungszyklus müssen die Spezifikationen des Systems so präzise wie möglich vorliegen inklusive der Auswirkungen des Antennen-Frontends. Beispielsweise sind folgende Fragen zu berücksichtigen: Wie viele Antennen brauche ich für mein System? Welche Geometrie ist am besten für meine Anwendung geeignet? Lässt sich mein Algorithmus mit diesem Antennenarray ausführen?

Eine interessante Dynamik bei der Entwicklung von Mobilfunksystemen ist die Rollentrennung zwischen Antennenintegratoren und Antennenentwicklern. Diese Rollen werden nur selten von denselben Personen wahrgenommen und häufig sogar von verschiedenen Unternehmen ausgeführt. Verschiedene Rollen erfordern eine unterschiedliche Expertise und dedizierte Tools: Diese Trennung ist häufig eine Schwachstelle im Designprozess. Eine Antenne oder ein Antennenarray zu entwickeln, ohne dabei die Designinformationen rasch in das Systemmodell zurückzuführen, kann zu langsamen Design-Iterationen, falsch kommunizierten Spezifikationen, verspäteten Verifikationen und einem schlecht entwickelten Design führen.

Mithilfe eines Brut-Force-Ansatzes die beste Antennenkonfiguration für ein Mobilfunksystem zu bestimmen, ist kaum möglich, da Antennen gewissermaßen eine unendliche Zahl von Konfigurationen besitzen. Darüber hinaus ist die Bestimmung der Übertragungscharakteristik schwierig, da hierzu spezielle Tools erforderlich sind, die von Experten für elektromagnetische (EM) Simulation eingesetzt werden. Dies erschwert die Beurteilung, ob die entwickelten Antennen tatsächlich funktionieren, wenn sie in hochadaptive Systeme mit komplexen digitalen Signalverarbeitungsalgorithmen wie Basisstationen, Radarsysteme und frequenzregelbare mobile Empfänger integriert werden.

Eine umfangreiche Entwicklungsumgebung

Mit Einführung der Antenna Toolbox verfügt Mathworks nun über eine durchgängige Lösung für das Modellieren und Simulieren der physikalischen Schicht von Mobilfunksystemen – inklusive Antennendesign. Die Toolbox ist eng verknüpft mit Produkten für die Simulation von digitalen Basisband-Algorithmen wie der Phased Array System Toolbox und der Communications System Toolbox sowie mit Produkten für die Simulation von Mixed-Signal- und RF-Frontends wie Simulink und SimRF.

Schematische Darstellung eines Mobilfunk-Frontends und Zuordnung verschiedener Mathworks-Produkte für die System-Simulation von unterschiedlichen Effekten.Mathworks

Zusammen mit weiteren Mathworks-Produkten kann das Antennenentwicklungswerkzeug für die Simulation innovativer Funksysteme auf Systemebene eingesetzt werden, beispielsweise für MIMO-Kommunikationssysteme (Multiple Input Multiple Output) oder Phased-Array-Radarsysteme. Das Entwicklungstool berücksichtigt Antenneneffekte in digitalen Signalverarbeitungsalgorithmen, indem es eine Bibliothek mit vordefinierten Elementen bereitstellt, deren Geometrie vom Anwender parametriert werden kann. CAD-Kenntnisse sind hierzu nicht erforderlich. Anwender können das Antennenverhalten ohne besondere EM-Expertise analysieren. Die Ergebnisse sind direkt in Matlab verfügbar, wo sie visualisiert, inspiziert und in Komplettsystem-Simulationen integriert werden können.

Prof. Sergey Makarov, der am Worcester Polytechnic Institute in Massachusetts (USA) lehrt und ein Experte auf dem Gebiet der Antennensimulation ist, erklärt: „Der echte Vorteil von Antenna Toolbox ist, dass man eine Antenne mit nur fünf Zeilen Programmiercode in Matlab entwickeln, analysieren und visualisieren kann. Das ist mit einem anderen Tool so gut wie unmöglich.“

Die Antenna Toolbox kombiniert Bedienfreundlichkeit mit einem Method-of-Moments-Solver, der ohne tiefgehende Toolkenntnisse präzise Ergebnisse liefert. Anwender können einfach mit verschiedenen Antennengeometrien experimentieren, die Kopplung zwischen Antennenelementen eines Arrays abschätzen und verschiedene Spezifikationen miteinander vergleichen.

Schnelle und sichere Entwicklung

Mit Antenna Toolbox können Systementwickler schneller Was-wäre-wenn-Szenarien durchlaufen und intelligentere digitale Signalverarbeitungsalgorithmen sowie eine adaptive Richtcharakteristik entwickeln. Der frühe Zugriff auf Informationen über das Antennendesign erleichtert die Kommunikation zwischen den Systementwicklern und den Antennendesignern beziehungsweise zwischen den verschiedenen beteiligten Unternehmen. Die Antenna Toolbox verkürzt Design-Iterationen und den Integrationsaufwand von Antennen und Antennenarrays, ohne Beeinträchtigung der Genauigkeit von Ergebnissen und ohne wesentliche Änderungen des existierenden Designworkflows.

(jwa)