Praxisgerechte Designvariationen durch parametrische Modelle

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Statistische Samples sichern flexible Designpunkte

Als Ergebnis einer Design-of-Experiment-Analyse in optiSLang werden Korrelationen zwischen verschiedenen Ein- und Ausgangsgrößen bestimmt und Eingangsparameter nach ihrer Wichtigkeit bezüglich ihres Einflusses auf Ausgangsgrößen bewertet. Die Software visualisiert diese Ergebnisse auf anschauliche Weise, sodass die Zusammenhänge schnell erfassbar werden.

In einem zweiten Schritt erzeugt die Software Metamodelle auf Basis der statistischen Samples. Diese sind Antwortflächen, wobei eine möglichst gute Annäherung an die Simulationsdaten des Samples zu gewährleisten ist. Das erlaubt Vorhersagen für neue Designpunkte, ohne eine neue Simulation zu starten. Bei der Erstellung eines Metamodells werden die wichtigsten Eingangsparameter für die jeweilige Ergebnisgröße herausgefiltert und das Modell nur in Abhängigkeit dieser Parameter bestimmt.

Außerdem werden die Metamodelle für die verschiedenen Ergebnisgrößen nach ihrer Prognosefähigkeit bewertet. Bei einer guten Prognosefähigkeit lassen sich Metamodelle für Optimierungsaufgaben verwenden, bei denen viele Datenpunkte notwendig sind. Dies führt teilweise zu erheblichen Zeiteinsparungen. Hierbei ist zu beachten, dass derselbe physikalische Sachverhalt oft durch mehrere verschiedene Größen beschreibbar ist. Im Antennendesign sind die interessanten Ausgangsgrößen:

• die Resonanzfrequenz der Antenne,

• die Bandbreite,

• der Gewinn oder die Richtcharakteristik in Form der Positionen und der Breiten der Haupt- und Nebenzipfel und in Form des maximalen Gewinns oder der Polarisation.

Bei der zuvor erwähnten Dualband-Schlitzantenne besteht für die Reflexionsdämpfung bei den beiden Frequenzen 2,4 GHz und 5,8 GHz eine sehr schwer beschreibbare Abhängigkeit von den Eingangsparametern. Kleine Variationen der Geometrie können die Minima der Reflexionsdämpfung um eine Bandbreite verschieben. Daher tritt bei einer gegebenen Frequenz eine äußerst nichtlineare Abhängigkeit der Reflexionsdämpfung von den Eingangsparametern auf. Um diese Abhängigkeit genau zu ermitteln, werden in einem kleinen Parameterbereich viele Samples benötigt.

2x2-Antennenarray mit Viertor-Hybridkoppler

Das Summensignal der vier Antennen wird hierbei zur Signalübertragung verwendet. Aus den Laufzeitunterschieden einfallender Wellen auf die vier Antennen können die Richtung des zu lokalisierenden Objekts bestimmt und somit die Antennennachführung geregelt werden.

Die Kantenlänge des Hybridkopplers beträgt ungefähr eine Viertel-Wellenlänge. Das heißt, die S-Matrix für das Übertragungsverhalten des Kopplers von den Eingangs- zu den Ausgangs-Ports soll durch Formel 1 (Bild)beschrieben sein. In einer Optimierung mit optiSLang wurde dies durch die passende Wahl einer Zielfunktion erreicht: die mittlere quadratische Abweichung der wahren S-Matrix des Kopplers von der mit einer entsprechenden multiplikativen (komplexen) Konstante angepassten, idealen S-Matrix. Außerdem sollte der Return-Loss des Summen-Ports unter -12dB liegen.

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