アンテナ設計に注目する
エンジニアリングシミュレーションを使用して、 大きな計算 そして3Dプリント、 オプティシス 開発時間を短縮しながら、アンテナのサイズと重量を桁違いに削減します。 活用することで ANSYS Rescale の大規模コンピューティング プラットフォーム上で動作する電磁および構造シミュレーション ツールを使用するこのスタートアップのエンジニアは、3D プリンティングによってもたらされる設計の自由度を最大限に活用し、統合アレイ アンテナの無線周波数 (RF) 性能要件を満たしています。
高周波アンテナは伝統的に、必要な RF 性能と構造的完全性を提供するために、数十から XNUMX 以上の個別のコンポーネントとハードウェアを製造および組み立てることによって構築されます。 RF エネルギーは、界面、継ぎ目、不連続部を通ってコンポーネントからコンポーネントへと伝播するため、これらの障害物を補うために RF 経路長を長くする必要があります。 各コンポーネントには取り付け面とハードウェアが必要であり、不必要な重量とスペースが追加されます。 さらに、部品の材料の厚さは製造設計の制約を満たすのに適している必要があり、アセンブリのクリアランスのために全体に余分なスペースが必要です。
金属 3D プリンティングの進歩により、ミリメートル範囲の波長に必要なスケールでアンテナや RF コンポーネントを製造できるようになりました。 アンテナ全体を単一のコンポーネントとして 3 つのビルドで印刷できます。 インターフェース、継ぎ目、不連続部をなくすことで、RF 経路の長さを大幅に短縮することができ、取り付け面やハードウェアがないため、さらなるサイズと重量の削減が可能になります。 材料の壁の厚さを減らすことによって、さらなる削減を達成できます。 アセンブリのクリアランスが不要なため、エンジニアはフィーチャーを 64D ボリューム全体にしっかりと詰め込むことで、さらにサイズを縮小できます。 Optisys のエンジニアは、ANSYS シミュレーション ソフトウェアを使用して、新しい XNUMX 素子の X バンド SATCOM 統合アレイ アンテナ (XSITA) のサイズ、重量、開発時間を大幅に削減しました。 このような偉業を実行するために必要なシミュレーションの量は信じられないほどの計算量を必要とし、Optisys はシミュレーションの大部分を Rescale のハイ パフォーマンス コンピューティング (HPC) 用クラウド プラットフォーム上で実行し、オンプレミスの IT フットプリントを最小限に抑えます。
「Rescale の大規模コンピューティング プラットフォームでエンジニアリング シミュレーションを使用することで、Optisys は効率が大幅に向上し、設計サイクルを数か月から数週間に短縮することができました。」
アンテナ設計に革命を起こす
3 次元印刷は、従来の製造アンテナをはるかに上回るレベルの統合と性能を実現することで、高周波アンテナ設計に革命をもたらしています。 XNUMXD プリンティングやその他の新しい製造プロセスの潜在的な利点を最大限に活用するには、エンジニアがアンテナをゼロから再設計する必要があります。 これは、初期設計を手動で計算し、プロトタイプを構築し、プロトタイプをテストしてから手動で調整するという、従来の RF 設計手法を使用した時間と労力のかかる作業です。 これらのステップは、設計がすべての仕様を満たすまで何度も繰り返され、それには XNUMX 年以上かかる場合もあります。
プロトタイプを構築する前に、より広範囲の代替設計を評価し、最適化された設計を繰り返すために、Optisys はシミュレーションを使用します。 に参加することで、 ANSYS スタートアップ プログラム、同社は ANSYS へのアクセスを取得しました HFSS 電磁シミュレーション ソフトウェアと ANSYS Mechanical 有限要素解析ソフトウェアを使用して、設計の RF および構造性能を評価します。 エンジニアはシミュレーション モデルをローカルで作成し、Rescale クラウド プラットフォームにアップロードします。そこで、コンピューティング インフラストラクチャを維持することなく、ANSYS ソフトウェアをネイティブに実行し、強力な HPC リソースにアクセスできます。 Rescale は国際武器取引規則 (ITAR) に準拠しているため、Optisys は防衛および国土安全保障アプリケーションで使用されるアンテナにもプラットフォームを使用できます。
RF設計の最適化
Optisys のエンジニアは、初期コンセプト設計をパラメータ化し、HFSS を使用してアンテナの各セクションの S パラメータを計算しました。 彼らは、ANSYS Optimetrics 電磁オプティマイザを使用して、主に送信された RF 入力の量と反射された量を考慮して、S パラメータの結果に基づいて複数の設計変数を一度に評価しました。 オプティマイザは、挿入損失と反射エネルギーを最小限に抑える最適な設計に向けて勾配に従って設計空間を段階的に進めました。 エンジニアは、オプティマイザによって生成された設計の導波路キャビティの電界と表面電流のプロットを頻繁に生成して、性能を視覚化し、どの領域が最も改善が必要かを判断しました。
XSITA 放射素子は、構造支持体から形成されたチョークを備えた 64 個の方形導波管素子で構成されています。 シングルモード入力を円偏波出力に変換する古典的な 2 ポート セプタム設計に基づいて、左旋円偏波 (LHCP) と右旋円偏波 (RHCP) の両方が生成されます。 LHCP および RHCP ネットワークは、完全な放射素子アレイの各象限が 16 素子×1 素子のサブセットに分割されるように設計されました。 ポラライザ出力は、各象限をモノパルス コンパレータに供給するコンバイナ ネットワークにプルダウンする XNUMX 対 XNUMX の企業フィード ネットワークに接続します。 RHCP 出力と LHCP 出力には、両方の偏波を追跡するための個別のモノパルス コンパレータがあり、合計 XNUMX つの出力ポートになります。 各偏波のモノパルス コンパレータは、余分な追加体積をできるだけ少なくするコンパクトな方法で、企業フィードの下部セクションに入れ子にされています。
複数の領域で導波路間隔が 0.020 インチに近づく高レベルの統合により、モデルのすべてのコンポーネントが表示された状態で導波路パスを配線する必要がありますが、最適化のシミュレーション速度を向上させるためにジオメトリのサブセットのみをシミュレートする必要があります。 HFSS を使用すると、モデラー ウィンドウからジオメトリを削除せずに、シミュレーションにジオメトリを含めたり除外したりすることができます。 これにより、Optisys のエンジニアは、RHCP ネットワークと LHCP ネットワークを相互に巻き付けながら、3 次元ボリュームと導波管の長さを最小限に抑えながら、独立して設計することが可能になります。
構造サポートの設計
エンジニアは、ANSYS Mechanical を使用して格子支持構造を分析し、RF コンポーネントの厚さを薄くしてアンテナの重量を最小限に抑えるのに十分な機械的強度を確保しました。 エンジニアはまた、ロッキング アームとギアを備え、外部モーターに接続する印刷された仰角軸も設計しました。
スタートアップ向けのクラウド コンピューティング
スタートアップ企業はクラウドベースのシミュレーション プラットフォームを採用することが増えています。これは、新製品のデジタル プロトタイプを構築するための実行可能かつコスト効率の高い唯一の方法だからです。 スタートアップ企業では、コンピューティング能力の向上が必要になる場合がありますが、多くの場合、適切なハードウェア インフラストラクチャの購入、セットアップ、維持に必要な IT スタッフや資本予算が不足しています。 ANSYS は、Rescale などのクラウド ホスティング パートナーと積極的に連携して、ANSYS シミュレーションおよび HPC リソースへのシームレスなターンキー アクセスを提供します。 このアプローチでは、新興企業から大規模な企業組織に至るまで、ANSYS の顧客に、HPC、リモート ホスティング、データ セキュリティの専門家であるパートナーによって提供される HPC クラウド ソリューションを提供します。
– ANSYS、HPC およびクラウド アライアンス担当ディレクター、Wim Slagter 氏
「Optisys のエンジニアは、ANSYS シミュレーション ソフトウェアを使用して、新しいアレイ アンテナのサイズ、重量、開発時間を大幅に削減しました。」
XSITA アレイの設計は、エンジニアが ANSYS HFSS を活用して複雑な RF 設計を最適化するときに 3D プリンティングで達成できる統合レベルと、Rescale のクラウド HPC プラットフォームで利用できる事実上無制限のスケーリング能力を示しています。 Optisys のような新興企業の成功は、資金豊富な企業よりも早く革新的なソリューションを市場に提供できるかどうかにかかっています。 複数のプロジェクトを並列化する Rescale のビッグ コンピューティング プラットフォームの機能とエンジニアリング シミュレーションを併用することで、Optisys は効率が大幅に向上し、設計サイクルを数か月から数週間に短縮することができました。 この分野の既存のアンテナは平均 50 ポンドで、100 を超えるコンポーネントが含まれていますが、Optisys XSITA はわずか 8 ポンドで、単一のコンポーネントで構成されています。 これらの機能により、Optisys のような新興企業は、指数関数的に拡大し、前例のない機能を可能にする 3D プリンティングのこの新しい分野で競争できるようになります。