Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
Trasmissione dati

Verso il 5G a tutta velocità con la simulazione numerica

Jiyoun Munn

Il 5G e l’Internet of Things (IoT) sono argomenti di grande attualità nel settore delle radiofrequenze e delle microonde. Le attività di ogni giorno e gli avanzamenti tecnologici dipendono più che mai da una trasmissione di dati affidabile e veloce. I progettisti si trovano ora ad affrontare una delle sfide più importanti: ottenere un salto di qualità per l’utilizzo e la disponibilità dei dati in tempo reale. Questo richiede l’accesso ai migliori strumenti di progettazione, oltre a comunicazioni device-centered, standard tecnici di ultima generazione e significativi progressi nell’elaborazione del segnale.

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Figura 1: Prima dell’era del 5G si preferiva un diagramma di radiazione isotropa (immagine in alto). La trasmissione a onde millimetriche del 5G richiede antenne che generano un diagramma di radiazione a più alto guadagno (direttività), per compensare le perdite di percorso nello spazio aperto (immagine in basso).

Dal 4G LTE al 5G

Si prevede che il 5G dovrà occupare la banda più alta nelle lunghezze d’onda millimetriche per poter utilizzare gli array di antenne attive a scansione elettronica (Active Electronically Scanned Array, AESA), che rendono possibili il multi-beam multiplexing e tecnologie MIMO (multi I/O) massive.
I ricercatori che lavorano in prima linea per creare questo successore del 4G LTE, ultraveloce e a banda larga, si affidano a strumenti di modellazione e simulazione per ottimizzare lo sviluppo del prodotto e i cicli di prototipazione.
La simulazione aiuta gli ingegneri durante tutto il ciclo di progettazione, permettendo loro di esaminare diverse idee sul piano virtuale e sviluppare solo i prototipi fisici basati sulle idee progettuali più promettenti. Un altro vantaggio consiste nella possibilità di studiare diverse condizioni al contorno: la simulazione infatti permette a un tecnico di misurare e valutare diversi scenari, senza danneggiare il prototipo in caso, per esempio, di variazioni estreme di temperatura, deformazioni strutturali e reazioni chimiche. L’obiettivo degli specialisti di simulazione è rappresentare il mondo reale nel modo più fedele possibile, così che il prototipo sia basato su risultati numerici che raggiungono le performance attese attraverso un numero inferiore di cicli progettazione-test.

Progettisti e specialisti di simulazione uniscono le forze grazie alle app

In preparazione al lancio del 5G, i progettisti stanno affrontando diversi ostacoli, tra cui la scelta della frequenza, la propagazione, l’affidabilità, la durata delle batterie e le interferenze, solo per elencarne alcuni. Ciascuna di queste sfide è caratterizzata dall’interazione di diversi fenomeni fisici: richiede quindi un esperto di simulazione specializzato in quell’area specifica e dotato degli strumenti necessari per impostare in modo corretto il modello matematico sottostante. Per dare vita al prodotto giusto nel momento giusto, la simbiosi tra progettisti e specialisti di simulazione deve essere perfetta.
Di solito soltanto gli esperti di simulazione sono in grado di fornire con sicurezza i dati necessari perché un modello generi un risultato utile. Devono quindi essere coinvolti nel ciclo di processo ogni volta che c’è una nuova richiesta o bisogna modificare qualcosa nel dispositivo simulato. Inoltre, spesso i risultati si presentano in un ambiente che è familiare soltanto allo specialista, cosicché per trasmettere l’informazione ai colleghi è necessario molte volte pianificare un meeting per offrire una spiegazione e un’interpretazione del risultato.
Ma cosa succederebbe se gli specialisti di simulazione potessero costruire delle app, per esempio confezionando un’interfaccia utente interattiva e intuitiva per un modello matematico complesso? E se utenti senza alcuna esperienza di simulazione potessero utilizzare delle app costruite apposta per loro? Le app consentono agli specialisti di supportare in modo efficiente ed efficace i progettisti, che lavorano senza sosta a traguardi sempre nuovi nel panorama ultra-competitivo delle comunicazioni wireless. Con gli strumenti giusti a disposizione, i progettisti che lavorano allo sviluppo del 5G possono collaborare liberamente e trovare il completamento delle proprie competenze in quelle dei colleghi e dei collaboratori specializzati in fisica e in analisi numerica.

L’utilità delle app di simulazione per la progettazione della comunicazione wireless

Consideriamo l’esempio degli Active Electronically Scanned Arrays, o phase array antennas. Dopo aver raggiunto la notorietà per le applicazioni militari su radar e satelliti, oggi occupano una posizione rilevante dal punto di vista commerciale, a causa del bisogno crescente di maggiori velocità di trasmissione dei dati per i device di comunicazione. Le dimensioni di un semplice componente possono superare facilmente le decine di lunghezze d’onda: la loro analisi numerica richiede quindi molta memoria. Come risultato, l’elaborazione dei modelli richiede un tempo notevole, anche quando valori approssimati sarebbero sufficienti per valutare un prototipo di progetto. Una prototipazione rapida aiuterebbe a individuare i metodi per massimizzare le performance e determinare velocemente i parametri di progettazione.

 

Figura 2: Un array 4x2 di antenne patch a microstriscia simulato con il software COMSOL Multiphysics®. Il grafico in alto mostra il modulo (scala logaritmica) del campo elettrico sulla patch e il diagramma di radiazione 3D. Il grafico in basso raffigura la stessa quantità sul piano delle linee di alimentazione.

La figura 2 mostra la simulazione di un array 4x2 di antenne a microstriscia, capace di indirizzare il raggio verso la direzione desiderata. Questo esempio richiede molta più memoria e un tempo di calcolo molto più lungo rispetto a una singola antenna a microstriscia (Figura 3).

 

 

Figura 3: Una singola antenna a microstriscia. Sono visualizzati il modulo (scala logaritmica) del campo elettrico sulla patch, la mesh e il diagramma di radiazione in 3D.

I risultati della simulazione mostrati nella Figura 3 sono basati su un modello completamente realizzato con il metodo agli elementi finiti (FEM) di una singola antenna a microstriscia, alimentata tramite una slot e costruita su strati di ceramica co-estrusa a bassa temperatura (LTCC), che opera inizialmente a 30 GHz.
Possiamo utilizzare l’analisi di una singola antenna per descrivere il comportamento di tutto il sistema? La potenza e la flessibilità di COMSOL Multiphysics® consentono agli specialisti di effettuare una simulazione accurata di una singola antenna patch e poi prendere in considerazione gli input dell’utente, come le dimensioni dell’array, la progressione di fase aritmetica, la risoluzione angolare, per descrivere, per esempio, il campo lontano di tutto l’array in 3D. COMSOL permette agli specialisti di accoppiare facilmente le interfacce fisiche già disponibili con le equazioni o gli algoritmi necessari per simulare un’applicazione specifica. In questo caso, è stato implementato il fattore di array 2D per includere gli sfasamenti e le ampiezze delle alimentazioni dei diversi elementi, necessari per determinare il diagramma di radiazione di tutto l’array. È possibile offrire ai progettisti un’interfaccia “user friendly” per un modello come questo? Gli specialisti di simulazione oggi hanno a disposizione una procedura intuitiva per creare interfacce utente personalizzate basate sui propri modelli di simulazione multifisica. In Figura 4 si vede un’app costruita per simulare l’array di antenne di cui abbiamo appena parlato.

Figura 4: L’interfaccia utente dell’app di simulazione del Sintetizzatore di array Slot-Coupled patch antennas, costruita con l’Application Builder incluso in COMSOL Multiphysics.

Questa app permette al progettista di modificare le dimensioni fisiche della singola antenna a microstriscia, lo spessore e le proprietà del materiale di ogni strato, in aggiunta ad altri parametri rilevanti determinati dallo specialista di simulazione. In questo esempio particolare, lo specialista di simulazione ha incluso una valutazione interattiva, indicando se i parametri di progetto scelti sono appropriati o meno tramite il confronto con il valore del parametro-S (S11) rispetto al criterio pass/fail.
L’app include anche un report dei risultati e una sintetica spiegazione del suo funzionamento. Quest’ultima funzionalità può avere diversi utilizzi pratici, dalla costruzione di report per gli stakeholder e il management, fino all’utilizzo come strumento di formazione per i nuovi dipendenti della società. Le app possono inoltre essere distribuite facilmente a colleghi e collaboratori attraverso un’installazione locale di COMSOL Server™, un prodotto che permette agli utenti autorizzati di accedere alle app tramite il client COMSOL o con uno dei principali web browser. C’è ancora molto da lavorare prima che il 5G possa essere presentato al grande pubblico. Quando i progettisti hanno a disposizione il giusto set di strumenti, possono collaborare liberamente con i colleghi della loro organizzazione e non solo. La collaborazione tra diversi dipartimenti sarà la chiave per competere ed emergere nella corsa al 5G.

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