توضیحات

پروژه شبیه سازی آنتن فراپهن باند چندورودی-چندخروجی(مایمو) MIMO در نرم افزار ANSYS HFSS

 

سیستم های آنتن فراپهن باند چند-ورودی-چند خروجی (MIMO):

فراپهن باند(UWB) یا Ultra-wideband که قبلا با عنوان «رادیو پالس» شناخته می شد تکنولوژی پیشرفته ای است که برای انتقال اطلاعات با پهنای باند بیشتر از ۵۰۰ مگاهرتز و نرخ داده بالا با مصرف توان پایین مورد استفاده قرار می گیرد. فرکانس کاری این سیستم از 3.1 تا 10.6 گیگاهرتز می باشد که توسط کمیته ارتباطات فدرال برای فاصلة کوتاه با نرخ داده بالا و برای کاربردهای خانگی همچون اتصال بی سیم PAN تعیین شده است. اخیرا بخش ارتباطات رادیویی واحد مخابرات بین المللی(ITU-R) سیستم فراپهن باند را به عنوان انتقال اطلاعات که در آن پهنای باند سیگنال منتشر شده حداقل بیشتر از ۵۰۰ مگاهرتز و یا ۲۰ درصد فرکانس مرکزی را دارا باشد، تعریف می کند. پهنای باند کسری باید در طول انتقال بیشتر از ۲۰ درصد باشد. سیستم های فراپهن باند با فرکانس مرکزی بالاتر از 2.5 گیگاهرتز، حداقل باید دارای پهنای باند ۵۰۰ مگاهرتز باشند و همچنین با فرکانس مرکزی پایین تر از 2.5 گیگاهرتز باید دارای پهنای باند کسری مینیمم 0.2 باشند. FCC، انتقال فراپهن باندی از فرکانس 3.1 گیگاهرتز تا 10.6 گیگاهرتز را مجاز می داند در صورتیکه چگالی طیف توان(PSD) در محدوده ماسک طیفی خاصی که بوسیله FCC تعیین شده است قرار داشته باشد.

مزیت های سیستم های فراپهن باند( UWB):

به دلیل طبیعت فراپهن باندی بودن سیستم های UWB، این سیستم ها دارای مزایای منحصربفردی هستند که برای کاربردهای راداری و ارتباطی مورد توجه قرار گرفته اند. مزایای اصلی UWB در زیر خلاصه شده است:

1-نرخ داده های بسیار بالا ممکن است(حداکثر سرعت ۵۰۰ مگابیت در ثانیه میتواند تحت قوانین فعلی به دست آید).

2- مناسب برای ظرفیت بالا(می تواند توان بالا را به دست آورد).

3-دارای توان انتقال پایین و هزینه کمتر

4-می تواند بطور مستقیم پالس باند پایه را مدوله کند.

5-انرژی انتقال بسیار کمتر (کمتر از ۱ مگاوات).

6-محدوده دقت بالا و محلی سازی در سطح سانتیمتر.

7-انعطاف پذیری بسیار

8-می تواند بصورت دینامیکی توان عملیاتی را برای مسیر ارزیابی کند.

همچنین تکنولوژی UWB یک تکنولوژی است که شکل موج های مبتنی بر ضربان را به جای امواج حامل پیوسته مدوله میکند درنتیجه مزایای متعددی نسبت به سیستم های باند باریک متعارف دارد:

1-چگالی طیفی توان کم امکان همزیستی با کابران موجود را فراهم می کند و احتمال کم رهگیری دارد.

2- نرخ داده ممکن است برای چگالی طیفی توان و عملکرد چند مسیری مبادله شود.

3- پهنای باند بزرگ تفکیک پذیری زمان مناسب برای توزیع زمان شبکه، قابلیت موقعیت دقیق و یا استفاده به عنوان رادار را فراهم می سازد.

4- پالس های کوتاه مدت می توانند با استفاده از مسیرهای قابل حل بیشتر، عملکرد قوی در محیط های متراکم چند مسیره ارائه دهند.

کاربردهای UWB:

تکنولوژی UWB می تواند طیف وسیعی از کاربردها در ارتباطات بیسیم همچون شبکه سازی، تصویربرداری راداری و سیستم های محلی را فراهم کند. برای ارتباطات بی سیم، استفاده از فن آوری UWB تحت دستورالعمل های FCC پتانسیل قابل توجهی برای استقرار دو سیستم ارتباطی اساسی ارایه می دهد:

1-ارتباطات کوتاه مدت با نرخ داده بالا- شبکه های محلی شخصی(PAN) بیسیم با نرخ داده بالا.

2-نرخ داده پایین و ردیابی مکان- حسگر، موقعیت یابی، و شبکه های شناسایی.

3-همچنین تکنولوژی UWB طیف گسترده ای از کاربردهای خانگی با نرخ داده بالا را دارد.

شکل کابردهای خانگی UWB.

 

تکنولوژی مایمو(MIMO):

تکنولوژی چندورودی-چند خروجی(MIMO) توجه خود را در سیستم‌های ارتباطی بیسیم مدرن جلب کرده است. افزایش قابل توجهی در ظرفیت کانال بدون نیاز به پهنای باند اضافی یا انتقال توان با استقرار آنتنهای چندگانه برای مخابره به منظور دستیابی به گین آرایه و دایورسیتی گین به دست می آید، و درنتیجه راندمان طیفی و قابلیت اطمینان بهبود می یابد. سیستم های آنتن MIMO نیاز به تفکیک بالا بین پورت های آنتن و یک اندازه فشرده برای استفاده در دستگاه های قابل حمل دارند.

شکل سیستم MIMO.

مایمو از چندین آنتن هم در فرستنده و هم در گیرنده استفاده می کند. آنها قابلیت ترکیب دوگانه تکنولوژی های SIMO و MISO را دارند. آنها همچنین می توانند ظرفیت را با استفاده از مالتی پلکس فضایی(SM) افزایش دهند. روش مایمو دارای مزایای مشخصی نسبت به روش های تک ورودی تک خروجی(SISO) است. محوشدگی توسط دایورسیتی فضایی به شدت کاهش می یابد، در مقایسه با تکنیک های دیگر در MIMO، توان کمتری مورد نیاز است.

 

بلوک اصلی ساختار مایمو:

در بلوک های اصلی ساختمان سیستم MIMO، x و y به ترتیب بردارهای سیگنال فرستاده شده و دریافت شده را نشان می دهند. در ابتدا، اطلاعاتی که منتقل می شوند کدگذاری شده و تکه تکه می باشد. مبدل نماد، اطلاعات کدگذاری شده را به نمادهای داده نگاشت می کند. این نمادهای داده سپس به یک اینکودر فضا-زمان وارد می شوند که برخی از جریان های داده ای فضایی را تولید می کنند. سپس جریان داده ها توسط آنتن های مختلف ارسال می شود. سیگنال های منتقل شده از طریق کانال هایی منتشر می شوند و بوسیله آرایه های گیرنده دریافت می شوند. سپس گیرنده همه داده ها را از آنتن جمع آوری می کند و عملیات را برای رمزگشایی داده ها با استفاده از پردازشگر زمان-مکان، دیکودر زمان – مکان، مبدل سمبل و سرانجام دیکودر انجام می دهد.

شکل بلوک های ساختمان یک سیستم MIMO.

 

انواع فرم های مایمو:

MIMO عبارت اختصاری چند ورودی چند خروجی است که یک فناوری انتشار امواج برای سیستم های مخابراتی بی سیم است، بدین صورت که در هر دو طرف فرستنده و گیرنده از چند آنتن استفاده می شود. سیگنال های ارسالی در انتهای مدار مخابراتی با هم ترکیب می شوند تا خطا به حداقل رسیده، سرعت انتقال اطلاعات به بیشینه، افزایش پیدا کند.

روش چند-ورودی چند خروجی(MIMO) میتواند به اشکال مختلف باتوجه به کاربردهایش تقسیم شود. MIMO اساساً ترکیبی از تمام تکنیک های متعدد آنتن مانند SISO، SIMO و MISO است. این می تواند از روش های شکل دهی بیم(بیم فورمینگ) یا مالتی پلکس فضایی استفاده کند. مایمو( MIMO ) را می توان به دو نوع طبقه بندی کرد که شامل انواع چند آنتنه و انواع چند کاربره می باشد. انواع چند آنتنه در زیر لیست شده است:

1- SISO (تک ورودی-تک خروجی)- یک سیستم رادیویی معمولی است که نه فرستنده و نه گیرنده دارای آنتن چندگانه است.

2- SIMO (تک ورودی-چند خروجی)-یک مورد خاص است که فرستنده دارای یک آنتن واحد است.

 

کاربردهای مایمو( MIMO):

۱) تکنیک های مالتی پلکس فضایی گیرنده ها را بسیار پیچیده می کنند و به همین علت آنها معمولا با مدولاسیون OFDMA ترکیب می شوند، در حالیکه مشکلات ایجاد شده توسط کانال چند مسیری با کارایی موثر مهار می شوند. استاندارد IEEE 802.16e شامل MIMO-OFDMA می باشد.

2- MIMO همچنین قرار است در استانداردهای تلفن همراه مانند 3GPP و 3GPP2 مورد استفاده قرار گیرد.

3-فن آوری MIMO می تواند در سیستم های ارتباطی غیر بی سیم مورد استفاده قرار گیرد- استاندارد شبکه خانگی ITU-T G.9963 که یک سیستم ارتباطات برق خطی را تعریف می کند، از تکنیک های MIMO برای انتقال سیگنال های متعدد بر روی سیم های چندگانه AC (فاز، خنثی و زمین) استفاده می کند.

محدودیت های مایمو(MIMO):

فاصله آنتن خیلی بزرگ (به اندازه چند طول موج در ایستگاه مرکزی) انتخاب می شود. جداسازی آنتن در گیرنده به شدت فضای محدودی در دستگاه ها مقید می کند، هرچند طراحی آنتن پیشرفته و تکنیک های الگوریتم مورد بحث می باشند. این سیستم در مایموهای حجیم به توان بیشتری نیاز دارد و همچنین به طراحی تقسیم کننده های توان با تعداد پورت های بیشتر برای تقسیم توان در بین المان های آنتن نیاز دارد.

مشخصه های آنتن ها:

به طورکلی برای طراحی آنتن ها، ضروری است پارامترهای مختلفی موردتوجه قرار گیرد که از جمله آنها میتوان به بهره، جهت دهی، الگوی تشعشعی، پهنای باند، پلاریزاسیون، تطبیق امپدانس، افت بازگشتی، راندمان تشعشعی و مشخص کردن نواحی کار آنتن اشاره کرد.

بهره آنتن(antenna gain):

نسبت نیروی تولیدشده توسط آنتن در میدان راه دور، به نیروی تولید شده توسط آنتن ایزوتروپیکی فرضی و بدون اتلاف که به سیگنال های حاصل از همه ی مسیرها حساس می باشد را بهره آنتن گویند. بهره در حقیقت یک شکل عملکردی کلیدی است که کارایی الکتریکی و جهت گیری را ترکیب می کند. بهره یک آنتن یک کمیت عملی یا واقعی بوده که مربوط به کارایی آنتن می باشد و بخاطر تلفات اهمی در آنتن و دلایل دیگر که از آن به انتهای آنتن یاد می شود، کمتر از جهت دهی آنتن است. در آنتن فرستنده، بهره نشان میدهد که عملکرد آنتن در تبدیل نیروی ورودی به امواج رادیویی که در یک مسیر ویژه هدایت می شوند چگونه بوده است. در آنتن گیرنده، بهره نشان می دهد که عملکرد آنتن در تبدیل امواج رادیویی حاصل از یک مسیر ویژه به نیروی الکتریکی چگونه بوده است و در زمانی که هیچ مسیر مشخصی وجود ندارد، بهره به بالاترین مقدار اشاره دارد.

عموماً بهره به صورت دسی بل بیان می گردد و این واحدها با عنوان دسی بل ایزوتروپیک(dBi) شناخته میشوند. در تعریف دیگر این آنتن با نیروی دریافت شده از طریق آنتن دو قطبی نیم موج بدون اتلاف مقایسه می گردد که در این مورد، واحدها به صورت(dBd) نوشته می شوند. از آنجایی که در یک آنتن دو قطبی بدون اتلاف، بهره برابر 2.5 dBi است، رابطه بین این واحدها به این صورت تعریف می شود که:

Gain(dBd) = Gain(dBi) – 2.15

همچنین بهره هر آنتن در زمان دریافت، معادل با بهره آن در زمان ارسال است. عموماً بهره آنتن تابعی از زاویه است. واژه بهره به تنهایی یک مقدار مشخص است که به بیشینه مقدار بهره در تمام جهات تشعشع اطلاق می شود. بهره آنتن به جهت دهی و راندمان آنتن وابسته است.

Gain = (Efficiency) x (Directivity)

واحد بهره برحسب دسی بل است، درنتیجه برای تبدیل آن به دسی بل ایزوتروپیک از رابطه استفاده می شود.

G_dBi=10.Log₁₀(G_dB)

 

جهت دهی آنتن(directivity):

جهت دهی آنتن یکی از مهمترین پارامترهای آنتن است که نشان دهنده نسبت میزان چگالی توان تشعشع شده در جهت حداکثر انتشار به چگالی توان تشعشع شده توسط آنتن ایزوتروپیک ایده آل است. جهت دهی آنتن پارامتری از بهره و راندمان الکتریکی آنتن است. در بسیاری از موارد کاربردی، آنتن های طراحی شده باید در یک جهت مشخص و زاویه ی بیم باریک تشعشع کنند که همین امر پارامتر جهت دهی را تبدیل به یکی از مهم ترین پارامترهای آنتی کرده است. همچنین جهت دهی تنها برای آنتن های فرستنده استفاده نمی شود بلکه برای آنتن های گیرنده نیز تعریف می شود که هردو، مقدار برابری دارند. جهت دهی یک آنتن می تواند از حدود dbi 1.76 برای یک آنتن دایپل تا dbi 50 برای آنتن های بزرگ دیشی مقدار داشته باشد. آنتنی که به طور مساوی در تمام جهات تشعشع می کند، جهت دهی برابر صفر دسیبل خواهد داشت. پارامتر جهت دهی آنتن که با D نشان داده می شود درواقع حداکثر مقدار جهت دهی آنتن است. جهتدهی آنتن نشان دهنده نسبت چگالی توان تشعشعی در جهت ماکزیمم به توان کل است. جهت دهی یک پارامتر بدون واحد است اما چون نسبت به آنتن مرجع ایزوتروپیک بیان می شود از واحد دسیبل طبق رابطه استفاده می شود.

D_dB=10.Log₁₀D/D_reference

 

الگوی تشعشعی آنتن(Radiation pattern):

الگوی تشعشعی که معمولاً به آن پترن تشعشی گفته میشود، یک تابع ریاضی یا نمایش گرافیکی خصوصیات تشعشعی آنتن برحسب مختصات فضایی است که به معنای شدت امواج تششعی یک منبع موج الکترومغناطیسی در زوایای مختلف در فضای سه بعدی اطرافش است. به طورخاص تغییرات زاویه ای میدانهای تشعشعی یا توان تشعشعی یک آنتن در فاصله ثابت از آن را پترن آن آنتن می نامند. منظور از پارامترهای تشعشعی آنتن در راه دور می تواند شدت میدان الکتریکی، شدت میدان مغناطیسی، چگالی توان، شدت تشعشعی، جهت دهی بهره و پلاریزاسیون آنتن است و مختصات فضایی برحسب دستگاه کروی بیان می شود. پترن تشعشی را می توان برای میدان راه دور یا میدان نزدیک بدست آورد. طریقه بدست آوردن آن هم می تواند با محاسبه یا شبیه سازی رایانه ای با آزمایش عملی باشد. برای بدست آوردن پترن، از آزمایشی به نام bench test استفاده می شود. بدین صورت که آنتن یک دور کامل چرخانده می شود و شدت تشعشع آن در هر نقطه اسکن می شود. برای بدست آوردن پترن به روش شبیه سازی از نرم افزارهایی مانند CST یا HFSS استفاده می شود. برای آنتن هایی غیر از آنتن های مقدماتی به راحتی نمی توان پترن آنتن را روی کاغذ و به روش تحلیلی محاسبه کرد. پترن تشعشعی آنتن را می توان به صورت گرافیکی نیز نمایش داد که این نمودار می تواند تابعی از شدت میدان در جهات ثابت، توان در واحد زاویه و یا بهره باشد. واحد رسم شده می تواند به صورت خطی یا بر مبنای دسیبل باشد. نمودار گرافیکی گفته شده به طور معمول به صورت الگوی سه بعدی و یا نمودار قطبی است. الگوی تشعشعی بسیاری از آنتن ها درواقع الگوی گلبرگ ها در زوایا و جهت های مختلف است. این گلبرگ ها نشان دهنده میزان تشعشع آنتن است و درجهاتی که تشعشع نباشد گلبرگی نخواهد بود که به اصطلاح نال گفته میشود. گلبرگی که در جهت حداکثر تشعشع وجود دارد، گلبرگ اصلی نام دارد و گلبرگ های دیگر را گلبرگ های کناری می نامند که معمولاً نشان دهنده تشعشع ناخواسته درجهات ناخواسته هستند. گلبرگ های فرعی موجود در نیم صفحه پشتی گلبرگ اصلی را گلبرگ های پشتی گویند. گلبرگ های کناری زیاد، باعث هدر رفت انرژی و ایجاد تداخلات امواج می شود. چگالی توان در گلبرگ فرعی عموما بسیار کمتر از گلبرگ اصلی است. کاهش سطح گلبرگ های کناری از مهم ترین بحث های آنتی است.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی آنتن فراپهن باند چندورودی-چندخروجی(مایمو) MIMO در نرم افزار ANSYS HFSS انجام شده است.

هندسه مسئله:

 

 

نمونه نتایج شبیه سازی: