--ANSYS仿真技術(shù)助力優(yōu)化可穿戴無(wú)線設(shè)備，滿足新型應(yīng)用需求--

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

舉例來(lái)說(shuō)，美國(guó)國(guó)防部正在開(kāi)展一項(xiàng)關(guān)于士兵可穿戴無(wú)線設(shè)備的研究，該設(shè)備能幫助醫(yī)療人員檢測(cè)士兵的生命體征，收集有關(guān)醫(yī)學(xué)信息?？纱┐鳠o(wú)線設(shè)備的開(kāi)發(fā)也能檢測(cè)和記錄運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)情況，包括跑步速度以及步數(shù)等。

無(wú)論什么應(yīng)用，貼近人體的無(wú)線設(shè)備都面臨一系列主要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。設(shè)備輻射必須保持在較低水平，避免對(duì)人體構(gòu)成健康威脅。設(shè)備功耗、尺寸、長(zhǎng)寬比和重量同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)優(yōu)化以適合穿戴。同時(shí)設(shè)備還要確保能夠發(fā)送足夠功率的信號(hào)，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(shí)要考慮到人體本身可能會(huì)吸收大部分信號(hào)的問(wèn)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(zhǎng)在于開(kāi)發(fā)可穿戴無(wú)線設(shè)備，滿足各種應(yīng)用的需求。天線設(shè)計(jì)往往是這種設(shè)備的一大挑戰(zhàn)，因?yàn)樯眢w會(huì)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(lái)評(píng)估各種天線設(shè)計(jì)的性能，進(jìn)行完整的系統(tǒng)建模，包括無(wú)線設(shè)備、天線以及它們與人體的相互作用。由于無(wú)需構(gòu)建物理原型就可評(píng)估設(shè)計(jì)，這能夠幫助Synapse工程師將天線性能比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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2.45 GHz天線而言，波長(zhǎng)為60毫米，因此偶極子的總長(zhǎng)度應(yīng)為30毫米。這對(duì)于大多數(shù)可穿戴無(wú)線設(shè)備來(lái)說(shuō)都太長(zhǎng)了。因此電氣工程師要設(shè)計(jì)更小型化的天線，其性能則要與偶極天線盡可能類(lèi)似。舉例來(lái)說(shuō)，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(wú)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(cè)試的設(shè)計(jì)流程在合理時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建出可接受的設(shè)計(jì)方案來(lái)。

面對(duì)這個(gè)問(wèn)題以及許多其它困難的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，Synapse工程師評(píng)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(jì)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(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，以同時(shí)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(gòu)所有仿真工具最有利，這樣所有問(wèn)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(jì)環(huán)節(jié)

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)通常始于工業(yè)設(shè)計(jì)人員提交概念，這個(gè)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(lái)優(yōu)化無(wú)線天線設(shè)計(jì)。工程師從SAT文件導(dǎo)入初始設(shè)計(jì)的幾何結(jié)構(gòu)開(kāi)始建模過(guò)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(duì)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(zhǎng)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(dòng)指定物體交界面上的場(chǎng)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(chǎng)精確度需要加強(qiáng)的區(qū)域自動(dòng)加密網(wǎng)格。軟件計(jì)算求解區(qū)域內(nèi)的電磁場(chǎng)。下一步就是從求解區(qū)域中通過(guò)場(chǎng)計(jì)算得到的場(chǎng)計(jì)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(hào)中計(jì)算得到傳輸和反射信號(hào)的大小，從而將結(jié)構(gòu)的全3D電磁行為簡(jiǎn)化為為一系列高頻電路參數(shù)。

HFSS仿真通過(guò)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(shuō)，如果設(shè)備是穿在鞋子中，那么結(jié)果也會(huì)識(shí)別地面吸收的功率，有時(shí)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(jì)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(shí)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(duì)于初始概念而言擴(kuò)大5倍，同時(shí)還能比傳統(tǒng)的12個(gè)月開(kāi)發(fā)周期省下差不多3個(gè)月的時(shí)間。

仿真提供的天線性能信息在可穿戴無(wú)線產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。天線增益結(jié)•果對(duì)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(gè)可穿戴設(shè)備的典型情況下，所有設(shè)備的天線同時(shí)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(guò)仿真減小天線尺寸，以滿足工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)實(shí)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(cè)帶內(nèi)性能，還能預(yù)測(cè)帶外性能。仿真還有助于避免在可能對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾的頻點(diǎn)對(duì)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(duì)于初始概念而言擴(kuò)大5倍，同時(shí)還能比傳統(tǒng)的12個(gè)月開(kāi)發(fā)周期省下差不多3個(gè)月的時(shí)間。

作者：Bert Buxton，高級(jí)電氣工程師，Synapse Product Development，美國(guó)西雅圖