可穿戴無線設(shè)備與ANSYS仿真技術(shù)

2017-01-19 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

近年來,隨著醫(yī)療保健、體育、執(zhí)法、娛樂等領(lǐng)域?qū)嶋H需求的增長和潛在應(yīng)用前景的看好,人們對可穿戴無線設(shè)備的興趣不斷提升。

舉例來說,美國國防部正在開展一項關(guān)于士兵可穿戴無線設(shè)備的研究,該設(shè)備能幫助醫(yī)療人員檢測士兵的生命體征,收集有關(guān)醫(yī)學(xué)信息。可穿戴無線設(shè)備的開發(fā)也能檢測和記錄運(yùn)動員的表現(xiàn)情況,包括跑步速度以及步數(shù)等。

無論什么應(yīng)用,貼近人體的無線設(shè)備都面臨一系列主要的設(shè)計挑戰(zhàn)。設(shè)備輻射必須保持在較低水平,避免對人體構(gòu)成健康威脅。設(shè)備功耗、尺寸、長寬比和重量同時也要實現(xiàn)優(yōu)化以適合穿戴。同時設(shè)備還要確保能夠發(fā)送足夠功率的信號,以發(fā)送到正確的位置,從而被目標(biāo)設(shè)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(tǒng)建模

Synapse Product Development為業(yè)界領(lǐng)先的消費(fèi)電子和生命科學(xué)企業(yè),解決從概念到制造的有關(guān)工程難題。該公司的一大專長在于開發(fā)可穿戴無線設(shè)備, 滿足各種應(yīng)用的需求。天線設(shè)計往往是這種設(shè)備的一大挑戰(zhàn),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(shè)計的性能,進(jìn)行完整的系統(tǒng)建模,包括無線設(shè)備、天線以及它們與人體的相互作用。由于無需構(gòu)建物理原型就可評估設(shè)計,這能夠幫助Synapse工程師將天線性能比傳統(tǒng)設(shè)計理念提高五倍之多。

可穿戴無線設(shè)備與ANSYS仿真技術(shù)ansys hfss圖片1

ANSYS HFSS仿真輸出顯示足部和地面吸收的功率

天線設(shè)計的重點(diǎn)是發(fā)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(jié)構(gòu),優(yōu)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(yīng)為30毫米。這對于大多數(shù)可穿戴無線設(shè)備來說都太長了。因此電氣工程師要設(shè)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(fā)器的最佳負(fù)載阻抗。輻射阻抗是指天線輻射電磁波導(dǎo)致的天線饋點(diǎn)阻抗。

可穿戴無線設(shè)備所需的天線幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,因此很難采用傳統(tǒng)的加工后測試的設(shè)計流程在合理時間內(nèi)創(chuàng)建出可接受的設(shè)計方案來。

面對這個問題以及許多其它困難的設(shè)計挑戰(zhàn),Synapse工程師評估了許多不同的仿真產(chǎn)品。而ANSYS解決方案幾乎能滿足他們所有的設(shè)計挑戰(zhàn)要求,包括電路、電磁、機(jī)械和熱仿真等。ANSYS軟件支持自動數(shù)據(jù)傳輸,以同時優(yōu)化多學(xué)科和多領(lǐng)域的產(chǎn)品。Synapse的管理層認(rèn)為,從統(tǒng)一的廠商采購所有仿真工具最有利,這樣所有問題和培訓(xùn)需求都能得到統(tǒng)一解決。

史密斯圖幫助工程師匹配天線阻抗和發(fā)射器

設(shè)計環(huán)節(jié)

設(shè)計環(huán)節(jié)通常始于工業(yè)設(shè)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(yōu)化無線天線設(shè)計。工程師從SAT文件導(dǎo)入初始設(shè)計的幾何結(jié)構(gòu)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(shù)和介質(zhì)損耗正切、介電常數(shù)和磁損耗正切、整體電導(dǎo)率以及磁性飽和等。

優(yōu)化天線性能需要密切關(guān)注人體對天線性能的影響方式,因此需要系統(tǒng)的分析方法。ANSYS軟件的人體模型能幫助用戶設(shè)置身體不同部位的介電常數(shù)。通常情況下,Synapse工程師設(shè)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(shù) 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(shù)為5.3。肌肉作為模型終端,厚度約為20毫米,介電常數(shù)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(xué)要求的四面體網(wǎng)格。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能能在場精確度需要加強(qiáng)的區(qū)域自動加密網(wǎng)格。軟件計算求解區(qū)域內(nèi)的電磁場。下一步就是從求解區(qū)域中通過場計算得到的場計算廣義S參數(shù)矩陣,所得的S參數(shù)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(jié)構(gòu)的全3D電磁行為簡化為為一系列高頻電路參數(shù)。

HFSS仿真通過色標(biāo)圖顯示了包含人體和周邊區(qū)域的人體吸收的功率和天線增益。在典型案例下,仿真結(jié)果顯示出靠近天線的人體區(qū)域吸收更多的功率。比方說,如果設(shè)備是穿在鞋子中,那么結(jié)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(jù)相關(guān)結(jié)果,電子工程師可向工業(yè)設(shè)計人員和系統(tǒng)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(kuò)大范圍、節(jié)約時間

在仿真技術(shù)指導(dǎo)下,電氣工程師通常能將產(chǎn)品范圍相對于初始概念而言擴(kuò)大5倍,同時還能比傳統(tǒng)的12個月開發(fā)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(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)揮重要作用。天線增益結(jié)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(fā)射功率,進(jìn)而影響電池的使用壽命。在人體上不止一個可穿戴設(shè)備的典型情況下,所有設(shè)備的天線同時優(yōu)化,協(xié)調(diào)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(yè)設(shè)計和機(jī)械設(shè)計目標(biāo),同時實現(xiàn)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(yù)測帶內(nèi)性能,還能預(yù)測帶外性能。仿真還有助于避免在可能對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾的頻點(diǎn)對外輻射。在仿真技術(shù)指導(dǎo)下,電氣工程師通常能將產(chǎn)品范圍相對于初始概念而言擴(kuò)大5倍,同時還能比傳統(tǒng)的12個月開發(fā)周期省下差不多3個月的時間。

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