Grâce à la simulation technique, gros calcul et l'impression 3D, Optisys permet une réduction de plusieurs ordres de grandeur de la taille et du poids de l'antenne tout en réduisant le temps de développement. En tirant parti ANSYS Grâce aux outils de simulation électromagnétique et structurelle fonctionnant sur la grande plateforme de calcul de Rescale, les ingénieurs de cette startup profitent pleinement de la liberté de conception offerte par l'impression 3D pour répondre aux exigences de performances radiofréquence (RF) d'une antenne réseau intégrée.

Les antennes haute fréquence sont traditionnellement construites en fabriquant et en assemblant des dizaines à une centaine de composants individuels ou plus ainsi que du matériel pour fournir les performances RF et l'intégrité structurelle requises. L'énergie RF se propage d'un composant à l'autre à travers les interfaces, les joints et les discontinuités. La longueur du trajet RF doit donc être augmentée pour compenser ces obstructions. Chaque composant nécessite des surfaces de montage et du matériel, ce qui ajoute du poids et de l'espace inutiles. De plus, l'épaisseur du matériau de la pièce doit être adaptée pour répondre aux contraintes de conception pour la fabrication, et un espace supplémentaire est nécessaire pour les dégagements d'assemblage.

Les progrès de l’impression 3D métallique permettent désormais de fabriquer des antennes et des composants RF à l’échelle requise pour des longueurs d’onde de l’ordre du millimètre. L'antenne entière peut être imprimée en une seule fois en tant que composant unique. L'élimination des interfaces, des coutures et des discontinuités permet de réduire considérablement la longueur du trajet RF, et l'absence de surfaces de montage et de matériel permet des réductions supplémentaires de taille et de poids. Des réductions supplémentaires peuvent être obtenues en diminuant l'épaisseur des parois du matériau. Étant donné qu'aucun dégagement d'assemblage n'est requis, les ingénieurs peuvent procéder à des réductions supplémentaires en regroupant étroitement les éléments dans l'ensemble du volume 3D. Les ingénieurs d'Optisys ont utilisé le logiciel de simulation ANSYS pour réduire d'un ordre de grandeur la taille, le poids et le temps de développement de la nouvelle antenne réseau intégrée SATCOM en bande X à 64 éléments (XSITA). La quantité de simulation requise pour réaliser un tel exploit est incroyablement gourmande en calcul, et Optisys effectue l'essentiel de la simulation sur la plate-forme cloud de Rescale pour le calcul haute performance (HPC), minimisant ainsi son empreinte informatique sur site.

« L'utilisation de la simulation technique avec la grande plateforme de calcul de Rescale a permis à Optisys d'énormes gains d'efficacité et la possibilité de réduire les cycles de conception de plusieurs mois à plusieurs semaines. »

Révolutionner la conception des antennes

L'impression tridimensionnelle révolutionne la conception des antennes haute fréquence en atteignant des niveaux d'intégration et de performances bien supérieurs aux antennes fabriquées conventionnelles. Pour tirer pleinement parti des avantages potentiels de l’impression 3D et d’autres nouveaux processus de fabrication, les ingénieurs doivent repenser les antennes à partir de zéro. Il s'agit d'une tâche longue et laborieuse utilisant les méthodes de conception RF traditionnelles, qui impliquent le calcul manuel d'une conception initiale, la construction d'un prototype, le test du prototype puis le réglage manuel. Ces étapes sont répétées encore et encore jusqu'à ce que la conception réponde à toutes les spécifications, ce qui peut prendre un an ou plus.

Pour évaluer une gamme plus large de conceptions alternatives et passer à une conception optimisée avant de construire un prototype, Optisys utilise la simulation. En rejoignant le Programme de démarrage ANSYS, l'entreprise a eu accès à ANSYS HFSS logiciel de simulation électromagnétique et logiciel d'analyse par éléments finis ANSYS Mechanical pour évaluer les performances RF et structurelles de la conception. Les ingénieurs créent des modèles de simulation localement et les téléchargent sur la plateforme cloud Rescale où ils peuvent exécuter le logiciel ANSYS de manière native et accéder à de puissantes ressources HPC sans avoir à maintenir une infrastructure informatique. Rescale est conforme à la réglementation internationale sur le trafic d'armes (ITAR), de sorte qu'Optisys est en mesure d'utiliser la plate-forme même pour les antennes utilisées dans les applications de défense et de sécurité intérieure.

Optimisation de la conception RF

Les ingénieurs d'Optisys ont paramétré leur conception initiale et ont utilisé HFSS pour calculer les paramètres S de chaque section de l'antenne. Ils ont utilisé l'optimiseur électromagnétique ANSYS Optimetrics pour évaluer plusieurs variables de conception à la fois sur la base des résultats du paramètre S, en considérant principalement la quantité d'entrée RF transmise par rapport à la quantité réfléchie. L'optimiseur a parcouru l'espace de conception en suivant les gradients vers une conception optimale minimisant les pertes d'insertion et l'énergie réfléchie. Les ingénieurs ont fréquemment généré des tracés de champ électronique et de courant de surface des cavités du guide d'ondes pour les conceptions générées par l'optimiseur afin de visualiser les performances et de déterminer les domaines qui ont le plus besoin d'être améliorés.

Les éléments rayonnants XSITA sont constitués de 64 éléments de guide d'ondes carrés avec des selfs formées à partir des supports structurels. La polarisation circulaire gauche (LHCP) et la polarisation circulaire droite (RHCP) sont générées, sur la base d'une conception classique de septum à 2 ports qui transforme une entrée monomode en une sortie polarisée circulairement. Les réseaux LHCP et RHCP ont été conçus de telle sorte que chaque quadrant du réseau complet d'éléments rayonnants soit divisé en sous-ensembles de quatre éléments par quatre éléments. Les sorties du polariseur se connectent à un réseau d'alimentation d'entreprise 16 pour 1 qui transforme chaque quadrant en réseaux combineurs qui alimentent des comparateurs monopulses. Les sorties RHCP et LHCP disposent de comparateurs monopulses séparés pour le suivi sur les deux polarisations, ce qui donne un total de huit ports de sortie. Le comparateur monopulse pour chaque polarisation est imbriqué parmi les sections inférieures du flux d'entreprise de manière compacte qui ajoute le moins de volume supplémentaire possible.

En raison des niveaux élevés d'intégration, avec un espacement des guides d'ondes approchant 0.020 pouce dans plusieurs régions, il est nécessaire d'acheminer les chemins des guides d'ondes avec tous les composants du modèle visibles, mais de simuler uniquement un sous-ensemble de la géométrie afin d'améliorer la vitesse de simulation à des fins d'optimisation. HFSS permet d'inclure ou d'exclure des géométries de la simulation sans les supprimer de la fenêtre du modélisateur. Cela permet aux ingénieurs d'Optisys de concevoir indépendamment les réseaux RHCP et LHCP tout en les enroulant les uns autour des autres pour minimiser le volume 3D et la longueur du guide d'ondes.

Conception des supports structurels

Les ingénieurs ont utilisé ANSYS Mechanical pour analyser la structure de support en treillis afin de garantir une résistance mécanique suffisante pour permettre de réduire l'épaisseur des composants RF afin de minimiser le poids de l'antenne. Les ingénieurs ont également conçu un axe d'élévation imprimé qui comprend un bras oscillant et des engrenages et se connecte à un moteur externe.

Le cloud computing pour les startups

Les startups utilisent de plus en plus une plateforme de simulation basée sur le cloud, car c'est le seul moyen viable et rentable de créer des prototypes numériques pour de nouveaux produits. Les startups ont parfois besoin d'une capacité de calcul accrue et manquent souvent de personnel informatique et/ou du budget d'investissement nécessaire pour acheter, configurer et entretenir l'infrastructure matérielle appropriée. ANSYS travaille activement avec des partenaires d'hébergement cloud tels que Rescale pour fournir un accès clé en main transparent aux ressources de simulation et HPC d'ANSYS. Cette approche fournit aux clients d'ANSYS – des startups aux grandes entreprises – une solution cloud HPC fournie par un partenaire expert en HPC, en hébergement à distance et en sécurité des données.

– Wim Slagter, directeur des alliances HPC et Cloud, ANSYS

" Les ingénieurs d'Optisys ont utilisé le logiciel de simulation ANSYS pour réduire d'un ordre de grandeur la taille, le poids et le temps de développement d'une nouvelle antenne réseau. "

La conception de la baie XSITA met en valeur le niveau d'intégration qui peut être atteint avec l'impression 3D lorsque les ingénieurs exploitent ANSYS HFSS pour optimiser les conceptions RF complexes et la puissance d'une mise à l'échelle pratiquement illimitée disponible sur la plateforme cloud HPC de Rescale. Le succès de startups comme Optisys dépend de la nécessité de proposer des solutions innovantes sur le marché plus rapidement que les établissements bien financés. L'utilisation de la simulation technique avec la capacité de la grande plate-forme informatique de Rescale à paralléliser plusieurs projets a permis à Optisys de réaliser d'énormes gains d'efficacité et de réduire les cycles de conception de plusieurs mois à plusieurs semaines. Alors que les antennes existantes dans cet espace pèsent en moyenne 50 livres et contiennent plus de 100 composants, l'Optisys XSITA ne pèse que 8 livres et se compose d'un seul composant. Ces capacités permettent à une startup comme Optisys d'être compétitive dans ce nouveau domaine de l'impression 3D, qui connaît une expansion exponentielle et offre des capacités sans précédent.