Сегодня для моделирования оборудования миллиметрового диапазона, такого как радары для беспилотного транспорта, системы 5G, радиотелескопы, используются упрощенные методики, обладающие серьезными ограничениями и допущениями. Решить эти задачи позволяет применение продвинутых методов, которые обеспечивают более высокую точность и скорость. В рамках международного военно-технического форума «Армия 2021» эксперт компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» рассказал о современных способах моделирования оборудования миллиметрового диапазона с помощью высокопроизводительных вычислений.
На качество функционирования радиоэлектронных систем существенное влияние оказывает расположение близлежащих объектов и антенн. Особенно остро эта проблема стоит в городских условиях, где высокая плотность застройки и наличие большого количества сторонних передатчиков может привести к отказам оборудования. При этом излучение радиоэлектронных полей не должно пагубно воздействовать на человека, соответствуя нормам СанПиН. Решение этих проблем является ресурсоемкой задачей, которую сложно выполнить методами электродинамического моделирования, а упрощенные методики не дают качественных и достоверных результатов.
В своем докладе эксперт «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» рассказал о современных возможностях численного моделирования, позволяющих решить эти вопросы. Технология уже давно зарекомендовала себя на этапе разработки военного и гражданского оборудования. Речь, в частности, шла о методе трассировки лучей (Shooting and Bouncing Rays, SBR+), реализованном в программном продукте Ansys HFSS и учитывающем однородную и физическую теории дифракции (UTD, PTD) и ползущие волны, а также о высокопроизводительных расчетах на GPU. В качестве примера моделирования использовалась антенна базовой станции 5G, расположенная в условиях городской застройки.
Для получения первичной модели городской среды используются цифровые карты местности, обладающие разной степенью детализации и частотой обновления. В свою очередь, Ansys HFSS позволяет определить материал для каждого двухмерного объекта, а также граничные условия для двумерных поверхностей. Задать диаграмму направленности можно различными способами, в зависимости от имеющихся данных: полноволнового моделирования в Ansys HFSS, результатов измерения антенн или параметризированной встроенной модели антенны.
Кроме того, Ansys HFSS позволяет использовать высокопроизводительные (HPC)-ресурсы.
Это открывает новые возможности – например, использование OpenMP, проведение расчета в пакетном, интерактивном и смешанном (Interactive Scheduler Jobs) режиме или распараллеливание различных этапов расчета. В рамках выступления эксперт поделился результатами расчета на процессорах nVidia Quadro RTX 4000 и nVidia Tesla P100. Так, на RTX время расчета при частоте 1,8 ГГц составило 13 минут 20 секунд, а на Tesla – 10 минут 8 секунд.