【案例分析】利用仿真技術(shù)優(yōu)化佩戴式無線設(shè)備

2017-02-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文介紹了Synapse公司運(yùn)用ANSYS HFSS和ANSYS人體模型來建立包括無線設(shè)備、天線以及與人體之間相互影響在內(nèi)的完整系統(tǒng)模型,用于評估各種天線設(shè)計方案的性能。

近年來,佩戴式無線設(shè)備在醫(yī)療保健、體育、執(zhí)法、娛樂等領(lǐng)域的應(yīng)用(或潛在應(yīng)用)已經(jīng)開始興起,使得人們對佩戴式無線設(shè)備的興趣日益濃厚。例如,美國國防部正在研制一種士兵佩戴的無線設(shè)備,可以幫助醫(yī)護(hù)人員測量士兵的生命特征,并收集士兵的其他醫(yī)療信息。有些佩戴式無線設(shè)備已經(jīng)被應(yīng)用于體育項目中,用來測量和記錄運(yùn)動員的表現(xiàn),例如奔跑速度和步數(shù)。

無論應(yīng)用于哪個領(lǐng)域,在靠近人體的位置使用無線設(shè)備都會帶來一系列設(shè)計挑戰(zhàn)。設(shè)備的輻射功率必須保持在一定限度內(nèi),以確保不會對佩戴者的健康造成影響。為了能夠隨身佩戴,設(shè)備的功耗、尺寸、縱橫比和重量都必須達(dá)到最小化。而且,由于人體本身對信號有較強(qiáng)的吸收能力,因此設(shè)備發(fā)出的信號必須具備足夠的強(qiáng)度和方位準(zhǔn)確性,使得接收端設(shè)備可以清晰地接收。

系統(tǒng)建模

Synapse Product Development公司可以從概念設(shè)計層面一直到生產(chǎn)制造層面幫助各大消費(fèi)電子企業(yè)和生命科學(xué)公司解決這類工程難題。該公司的專業(yè)優(yōu)勢之一就是針對多種應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)佩戴式無線設(shè)備。由于人體會吸收太多的功率,使得天線設(shè)計往往成為設(shè)計過程中的主要難題。Synapse公司運(yùn)用ANSYS HFSS三維全波電磁仿真器和ANSYS人體模型來建立包括無線設(shè)備、天線以及與人體之間相互影響在內(nèi)的完整系統(tǒng)模型,用于評估各種天線設(shè)計方案的性能。借助仿真技術(shù),Synapse公司的工程師無需構(gòu)建物理原型就可以評估設(shè)計方案,這樣可以使天線性能提高至原設(shè)計性能的5倍。

天線的重點工作是把功率從發(fā)射器傳輸?shù)浇邮掌?。偶極天線就是很好的性能基準(zhǔn),它具有完美的幾何結(jié)構(gòu),可以優(yōu)化天線的功率傳輸。對于用FR4 PCB板構(gòu)建的2.45 GHz天線而言,波長為60mm,因此偶極天線的總長度應(yīng)為30mm。這對于多數(shù)佩戴式無線設(shè)備而言都太長了。因此電氣工程師們設(shè)計出了更小的天線,使其屬性盡可能類似于偶極天線。例如,他們試圖使天線的輻射電阻與收發(fā)器的最優(yōu)負(fù)載阻抗相匹配。輻射電阻是天線饋點電阻的一部分,由天線電磁波的輻射導(dǎo)致。

【案例分析】利用仿真技術(shù)優(yōu)化佩戴式無線設(shè)備ADS電磁分析圖片1

圖1 史密斯圖幫助工程師匹配天線和發(fā)射器的阻抗

佩戴式無線設(shè)備的天線幾何結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,因此,如果采用傳統(tǒng)的“邊構(gòu)建邊測試”的設(shè)計流程,就很難在較短時間內(nèi)開發(fā)出令人滿意的設(shè)計方案。為了解決這個困難以及其他諸多設(shè)計挑戰(zhàn),Synapse公司的工程師們評估了若干種不同的仿真產(chǎn)品。ANSYS提供的解決方案可以幫他們解決包括電路、電磁、機(jī)械和散熱仿真等在內(nèi)的幾乎所有設(shè)計挑戰(zhàn)。ANSYS軟件支持自動數(shù)據(jù)傳輸,能夠同時針對多個學(xué)科和領(lǐng)域優(yōu)化產(chǎn)品。Synapse公司的管理層認(rèn)為從一家供應(yīng)商購買所有仿真工具可以帶來很大好處,例如在問題解答和產(chǎn)品培訓(xùn)方面能夠獲得更加集中的供應(yīng)商支持。

設(shè)計流程

設(shè)計流程一開始往往是由工業(yè)設(shè)計師提供一個包含電子設(shè)備和天線的設(shè)計概念。Synapse公司的電氣工程師利用ANSYS HFSS來優(yōu)化無線天線設(shè)計。隨后,工程師從SAT文件中導(dǎo)入初始設(shè)計方案的幾何結(jié)構(gòu),開始建模流程。下一步是定義材料的電氣屬性,比如介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切、磁導(dǎo)率和磁損耗角正切、體電導(dǎo)率、磁飽和。

優(yōu)化天線性能的過程中需要密切關(guān)注人體對天線性能的影響,因此需要采取系統(tǒng)的方法進(jìn)行分析。用戶可以使用ANSYS軟件的人體模型為人體的不同部分設(shè)定介電常數(shù)。典型情況下,Synapse公司的工程師規(guī)定皮膚厚度介于0.4mm至2.6mm之間,并指定其介電常數(shù)為38。脂肪層用來產(chǎn)生所有阻抗匹配效應(yīng),一般是波長的一半,介電常數(shù)為5.3。肌肉作為模型的終止位置,厚度約為20mm,介電常數(shù)為53。

HFSS自動規(guī)定對象接口上的場行為,并定義一個符合幾何要求的四面體網(wǎng)格。自適應(yīng)網(wǎng)格剖分功能為那些需要提高場準(zhǔn)確度的區(qū)域自動完善網(wǎng)格。該軟件可以計算解域內(nèi)完整的電磁場圖樣。下一步是利用解域中計算得到的電磁場來構(gòu)建廣義S矩陣。得到的S矩陣允許直接根據(jù)給定的一組輸入信號來計算發(fā)射信號和反射信號的幅值,由此把結(jié)構(gòu)化的完整三維電磁行為精簡為一組高頻電路參數(shù)。

HFSS仿真通過顏色圖(包含人體和周圍空域)來描繪人體吸收的功率和天線的增益。仿真結(jié)果表明,一般情況下越接近天線的人體區(qū)域吸收的功率就越多。以鞋內(nèi)設(shè)備為例,仿真結(jié)果還要考慮地面對功率的吸收情況,有時候地面吸收的功率甚至?xí)^腳吸收的能量。根據(jù)這些結(jié)果,電氣工程師向工業(yè)設(shè)計師和系統(tǒng)工程師提供反饋信息,告訴他們關(guān)于天線幾何結(jié)構(gòu)的信息,以及天線距離人體的最佳距離或人體哪個部分是最佳的天線安放區(qū)域。

【案例分析】利用仿真技術(shù)優(yōu)化佩戴式無線設(shè)備ADS電磁分析圖片2

圖2 ANSYS HFSS仿真輸出表明了腳和地面吸收的功率

延伸距離,并節(jié)省時間

仿真提供的天線性能信息在佩戴式無線產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計中起著重要作用。天線增益結(jié)果在鏈路分析中至關(guān)重要,鏈路分析可以確定距離和吞吐能力。

天線增益還能用于確定所需的傳輸功率大小,這一參數(shù)會影響到電池壽命。在需要佩戴多個設(shè)備的情況下,所有設(shè)備的天線應(yīng)同時進(jìn)行優(yōu)化,以便使彼此之間的增益相匹配,并使電池功耗最小化。

另外,仿真還被用來縮小天線尺寸,以符合工業(yè)設(shè)計和機(jī)械設(shè)計目標(biāo),同時達(dá)到所需的性能水平。隨著尺寸的縮小,天線可在更窄的頻率帶寬上工作。仿真不僅能預(yù)測帶內(nèi)性能,還能預(yù)測帶外性能,從而避免在可干擾其他設(shè)備的頻率上發(fā)生輻射。在仿真的引導(dǎo)下,電氣工程師往往能使產(chǎn)品的工作距離延長至初始設(shè)計的5倍,并且把傳統(tǒng)的12個月開發(fā)周期縮短大約3個月。