可穿戴無線設備與ANSYS仿真技術

2017-01-19 by:CAE仿真在線來源:互聯網

近年來,隨著醫療保健、體育、執法、娛樂等領域實際需求的增長和潛在應用前景的看好,人們對可穿戴無線設備的興趣不斷提升。

舉例來說,美國國防部正在開展一項關于士兵可穿戴無線設備的研究,該設備能幫助醫療人員檢測士兵的生命體征,收集有關醫學信息。可穿戴無線設備的開發也能檢測和記錄運動員的表現情況,包括跑步速度以及步數等。

無論什么應用,貼近人體的無線設備都面臨一系列主要的設計挑戰。設備輻射必須保持在較低水平,避免對人體構成健康威脅。設備功耗、尺寸、長寬比和重量同時也要實現優化以適合穿戴。同時設備還要確保能夠發送足夠功率的信號,以發送到正確的位置,從而被目標設備很好地接收,同時要考慮到人體本身可能會吸收大部分信號的問題。

系統建模

Synapse Product Development為業界領先的消費電子和生命科學企業,解決從概念到制造的有關工程難題。該公司的一大專長在于開發可穿戴無線設備, 滿足各種應用的需求。天線設計往往是這種設備的一大挑戰,因為身體會吸收很多能量。Synapse采用ANSYS HFSS 3-D全波電磁(EM)仿真器和ANSYS人體模型來評估各種天線設計的性能,進行完整的系統建模,包括無線設備、天線以及它們與人體的相互作用。由于無需構建物理原型就可評估設計,這能夠幫助Synapse工程師將天線性能比傳統設計理念提高五倍之多。

ANSYS HFSS仿真輸出顯示足部和地面吸收的功率

天線設計的重點是發射器到接收器的功率傳輸。偶極子天線是很好的性能參考,能提供出色的幾何結構,優化天線的功率傳輸。就FR4印刷電路板制成的 2.45GHz天線而言,波長為60毫米,因此偶極子的總長度應為30毫米。這對于大多數可穿戴無線設備來說都太長了。因此電氣工程師要設計更小型化的天線,其性能則要與偶極天線盡可能類似。舉例來說,工程師嘗試將天線的輻射阻抗匹配于收發器的最佳負載阻抗。輻射阻抗是指天線輻射電磁波導致的天線饋點阻抗。

可穿戴無線設備所需的天線幾何結構比較復雜,因此很難采用傳統的加工后測試的設計流程在合理時間內創建出可接受的設計方案來。

面對這個問題以及許多其它困難的設計挑戰,Synapse工程師評估了許多不同的仿真產品。而ANSYS解決方案幾乎能滿足他們所有的設計挑戰要求,包括電路、電磁、機械和熱仿真等。ANSYS軟件支持自動數據傳輸,以同時優化多學科和多領域的產品。Synapse的管理層認為,從統一的廠商采購所有仿真工具最有利,這樣所有問題和培訓需求都能得到統一解決。

史密斯圖幫助工程師匹配天線阻抗和發射器

設計環節

設計環節通常始于工業設計人員提交概念,這個概念包含了電子和天線兩部分。Synapse的電氣工程師隨后使用ANSYS HFSS來優化無線天線設計。工程師從SAT文件導入初始設計的幾何結構開始建模過程。下一步就是定義材料的電屬性,包括介電常數和介質損耗正切、介電常數和磁損耗正切、整體電導率以及磁性飽和等。

優化天線性能需要密切關注人體對天線性能的影響方式,因此需要系統的分析方法。ANSYS軟件的人體模型能幫助用戶設置身體不同部位的介電常數。通常情況下,Synapse工程師設定皮膚的厚度變化在0.4毫米到2.6毫米之間,并指定其介電常數為38。脂肪層厚度的選擇要考慮到所有阻抗匹配效果,通常為波長的一半,而介電常數為5.3。肌肉作為模型終端,厚度約為20毫米,介電常數為53。

HFSS可自動指定物體交界面上的場行為,并定義符合幾何學要求的四面體網格。自適應網格劃分功能能在場精確度需要加強的區域自動加密網格。軟件計算求解區域內的電磁場。下一步就是從求解區域中通過場計算得到的場計算廣義S參數矩陣,所得的S參數矩陣可直接從給定的一系列輸入信號中計算得到傳輸和反射信號的大小,從而將結構的全3D電磁行為簡化為為一系列高頻電路參數。

HFSS仿真通過色標圖顯示了包含人體和周邊區域的人體吸收的功率和天線增益。在典型案例下,仿真結果顯示出靠近天線的人體區域吸收更多的功率。比方說,如果設備是穿在鞋子中,那么結果也會識別地面吸收的功率,有時地面吸收的功率可能比足部吸收的更大。根據相關結果,電子工程師可向工業設計人員和系統工程師提供反饋,包括天線的幾何形狀以及天線能距離人體多近、放在人體的什么位置等信息。

擴大范圍、節約時間

在仿真技術指導下,電氣工程師通常能將產品范圍相對于初始概念而言擴大5倍,同時還能比傳統的12個月開發周期省下差不多3個月的時間。

仿真提供的天線性能信息在可穿戴無線產品的系統設計中發揮重要作用。天線增益結果對鏈路分析非常重要,決定了范圍和吞吐量。此外,天線增益也有助于確定需要多大的發射功率,進而影響電池的使用壽命。在人體上不止一個可穿戴設備的典型情況下,所有設備的天線同時優化,協調各自的增益,從而最大限度地降低電池功耗。

此外,我們還能通過仿真減小天線尺寸,以滿足工業設計和機械設計目標,同時實現所需的性能水平。隨著天線尺寸的減小,其工作頻率帶寬也在變窄。仿真不僅可預測帶內性能,還能預測帶外性能。仿真還有助于避免在可能對其他設備產生干擾的頻點對外輻射。在仿真技術指導下,電氣工程師通常能將產品范圍相對于初始概念而言擴大5倍,同時還能比傳統的12個月開發周期省下差不多3個月的時間。

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