【案例分析】利用仿真技术优化佩戴式无线设备

2017-02-14 by:CAE仿真在线来源:互联网

本文介绍了Synapse公司运用ANSYS HFSS和ANSYS人体模型来建立包括无线设备、天线以及与人体之间相互影响在内的完整系统模型,用于评估各种天线设计方案的性能。

近年来,佩戴式无线设备在医疗保健、体育、执法、娱乐等领域的应用(或潜在应用)已经开始兴起,使得人们对佩戴式无线设备的兴趣日益浓厚。例如,美国国防部正在研制一种士兵佩戴的无线设备,可以帮助医护人员测量士兵的生命特征,并收集士兵的其他医疗信息。有些佩戴式无线设备已经被应用于体育项目中,用来测量和记录运动员的表现,例如奔跑速度和步数。

无论应用于哪个领域,在靠近人体的位置使用无线设备都会带来一系列设计挑战。设备的辐射功率必须保持在一定限度内,以确保不会对佩戴者的健康造成影响。为了能够随身佩戴,设备的功耗、尺寸、纵横比和重量都必须达到最小化。而且,由于人体本身对信号有较强的吸收能力,因此设备发出的信号必须具备足够的强度和方位准确性,使得接收端设备可以清晰地接收。

系统建模

Synapse Product Development公司可以从概念设计层面一直到生产制造层面帮助各大消费电子企业和生命科学公司解决这类工程难题。该公司的专业优势之一就是针对多种应用领域开发佩戴式无线设备。由于人体会吸收太多的功率,使得天线设计往往成为设计过程中的主要难题。Synapse公司运用ANSYS HFSS三维全波电磁仿真器和ANSYS人体模型来建立包括无线设备、天线以及与人体之间相互影响在内的完整系统模型,用于评估各种天线设计方案的性能。借助仿真技术,Synapse公司的工程师无需构建物理原型就可以评估设计方案,这样可以使天线性能提高至原设计性能的5倍。

天线的重点工作是把功率从发射器传输到接收器。偶极天线就是很好的性能基准,它具有完美的几何结构,可以优化天线的功率传输。对于用FR4 PCB板构建的2.45 GHz天线而言,波长为60mm,因此偶极天线的总长度应为30mm。这对于多数佩戴式无线设备而言都太长了。因此电气工程师们设计出了更小的天线,使其属性尽可能类似于偶极天线。例如,他们试图使天线的辐射电阻与收发器的最优负载阻抗相匹配。辐射电阻是天线馈点电阻的一部分,由天线电磁波的辐射导致。

图1 史密斯图帮助工程师匹配天线和发射器的阻抗

佩戴式无线设备的天线几何结构很复杂,因此,如果采用传统的“边构建边测试”的设计流程,就很难在较短时间内开发出令人满意的设计方案。为了解决这个困难以及其他诸多设计挑战,Synapse公司的工程师们评估了若干种不同的仿真产品。ANSYS提供的解决方案可以帮他们解决包括电路、电磁、机械和散热仿真等在内的几乎所有设计挑战。ANSYS软件支持自动数据传输,能够同时针对多个学科和领域优化产品。Synapse公司的管理层认为从一家供应商购买所有仿真工具可以带来很大好处,例如在问题解答和产品培训方面能够获得更加集中的供应商支持。

设计流程

设计流程一开始往往是由工业设计师提供一个包含电子设备和天线的设计概念。Synapse公司的电气工程师利用ANSYS HFSS来优化无线天线设计。随后,工程师从SAT文件中导入初始设计方案的几何结构,开始建模流程。下一步是定义材料的电气属性,比如介电常数和介质损耗角正切、磁导率和磁损耗角正切、体电导率、磁饱和。

优化天线性能的过程中需要密切关注人体对天线性能的影响,因此需要采取系统的方法进行分析。用户可以使用ANSYS软件的人体模型为人体的不同部分设定介电常数。典型情况下,Synapse公司的工程师规定皮肤厚度介于0.4mm至2.6mm之间,并指定其介电常数为38。脂肪层用来产生所有阻抗匹配效应,一般是波长的一半,介电常数为5.3。肌肉作为模型的终止位置,厚度约为20mm,介电常数为53。

HFSS自动规定对象接口上的场行为,并定义一个符合几何要求的四面体网格。自适应网格剖分功能为那些需要提高场准确度的区域自动完善网格。该软件可以计算解域内完整的电磁场图样。下一步是利用解域中计算得到的电磁场来构建广义S矩阵。得到的S矩阵允许直接根据给定的一组输入信号来计算发射信号和反射信号的幅值,由此把结构化的完整三维电磁行为精简为一组高频电路参数。

HFSS仿真通过颜色图(包含人体和周围空域)来描绘人体吸收的功率和天线的增益。仿真结果表明,一般情况下越接近天线的人体区域吸收的功率就越多。以鞋内设备为例,仿真结果还要考虑地面对功率的吸收情况,有时候地面吸收的功率甚至会超过脚吸收的能量。根据这些结果,电气工程师向工业设计师和系统工程师提供反馈信息,告诉他们关于天线几何结构的信息,以及天线距离人体的最佳距离或人体哪个部分是最佳的天线安放区域。

图2 ANSYS HFSS仿真输出表明了脚和地面吸收的功率

延伸距离,并节省时间

仿真提供的天线性能信息在佩戴式无线产品的系统设计中起着重要作用。天线增益结果在链路分析中至关重要,链路分析可以确定距离和吞吐能力。

天线增益还能用于确定所需的传输功率大小,这一参数会影响到电池寿命。在需要佩戴多个设备的情况下,所有设备的天线应同时进行优化,以便使彼此之间的增益相匹配,并使电池功耗最小化。

另外,仿真还被用来缩小天线尺寸,以符合工业设计和机械设计目标,同时达到所需的性能水平。随着尺寸的缩小,天线可在更窄的频率带宽上工作。仿真不仅能预测带内性能,还能预测带外性能,从而避免在可干扰其他设备的频率上发生辐射。在仿真的引导下,电气工程师往往能使产品的工作距离延长至初始设计的5倍,并且把传统的12个月开发周期缩短大约3个月。