【案例分析】利用仿真技術優化佩戴式無線設備

2017-02-14 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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

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

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

系統建模

Synapse Product Development公司可以從概念設計層面一直到生產制造層面幫助各大消費電子企業和生命科學公司解決這類工程難題。該公司的專業優勢之一就是針對多種應用領域開發佩戴式無線設備。由于人體會吸收太多的功率,使得天線設計往往成為設計過程中的主要難題。Synapse公司運用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備、天線以及與人體之間相互影響在內的完整系統模型,用于評估各種天線設計方案的性能。借助仿真技術,Synapse公司的工程師無需構建物理原型就可以評估設計方案,這樣可以使天線性能提高至原設計性能的5倍。

天線的重點工作是把功率從發射器傳輸到接收器。偶極天線就是很好的性能基準,它具有完美的幾何結構,可以優化天線的功率傳輸。對于用FR4 PCB板構建的2.45 GHz天線而言,波長為60mm,因此偶極天線的總長度應為30mm。這對于多數佩戴式無線設備而言都太長了。因此電氣工程師們設計出了更小的天線,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器的最優負載阻抗相匹配。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致。

圖1 史密斯圖幫助工程師匹配天線和發射器的阻抗

佩戴式無線設備的天線幾何結構很復雜,因此,如果采用傳統的“邊構建邊測試”的設計流程,就很難在較短時間內開發出令人滿意的設計方案。為了解決這個困難以及其他諸多設計挑戰,Synapse公司的工程師們評估了若干種不同的仿真產品。ANSYS提供的解決方案可以幫他們解決包括電路、電磁、機械和散熱仿真等在內的幾乎所有設計挑戰。ANSYS軟件支持自動數據傳輸,能夠同時針對多個學科和領域優化產品。Synapse公司的管理層認為從一家供應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品培訓方面能夠獲得更加集中的供應商支持。

設計流程

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

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

HFSS自動規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格。自適應網格剖分功能為那些需要提高場準確度的區域自動完善網格。該軟件可以計算解域內完整的電磁場圖樣。下一步是利用解域中計算得到的電磁場來構建廣義S矩陣。得到的S矩陣允許直接根據給定的一組輸入信號來計算發射信號和反射信號的幅值,由此把結構化的完整三維電磁行為精簡為一組高頻電路參數。

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。仿真結果表明,一般情況下越接近天線的人體區域吸收的功率就越多。以鞋內設備為例,仿真結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會超過腳吸收的能量。根據這些結果,電氣工程師向工業設計師和系統工程師提供反饋信息,告訴他們關于天線幾何結構的信息,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域。

圖2 ANSYS HFSS仿真輸出表明了腳和地面吸收的功率

延伸距離,并節省時間

仿真提供的天線性能信息在佩戴式無線產品的系統設計中起著重要作用。天線增益結果在鏈路分析中至關重要,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,這一參數會影響到電池壽命。在需要佩戴多個設備的情況下,所有設備的天線應同時進行優化,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,以符合工業設計和機械設計目標,同時達到所需的性能水平。隨著尺寸的縮小,天線可在更窄的頻率帶寬上工作。仿真不僅能預測帶內性能,還能預測帶外性能,從而避免在可干擾其他設備的頻率上發生輻射。在仿真的引導下,電氣工程師往往能使產品的工作距離延長至初始設計的5倍,并且把傳統的12個月開發周期縮短大約3個月。