ANSYS. Мультифизичный комплексный подход при разработке электронных устройств.

Интерес к беспроводным устройствам носимых на теле вырос в последние годы из-за реальных и потенциальных применений в области здравоохранения, спорта, индустрии развлечений и других областях. Например, Департамент обороны США применяет беспроводные устройства для ношения солдатами, которые позволят удаленно измерять жизненно важную медицинскую информацию из войск. Так же были разработаны беспроводные устройства для ношения на теле для измерения и регистрации производительности спортсменов, например, скорости движения и количество шагов. Вне зависимости от применения, использование беспроводного устройства в непосредственной близости от человеческого тела создает ряд серьезных проблем проектирования. Излучаемая мощность устройства должна быть ниже уровней, которые могут создать опасность для здоровья. Потребляемая мощность устройства, его размер и вес должен быть сведен к минимуму, чтобы сделать его пригодным для ношения. Но с другой стороны, устройство должно быть разработано таким образом, чтобы передаваемый сигнал был достаточной мощности для реализации уверенного приёма, несмотря на то, что человеческое тело может поглотить значительную часть мощности сигнала.

Моделирования системы

Компания Synapse Product Development занимается разработкой сложных электронных устройств начиная с концепции и заканчивая производством. Одним из направлений компании является разработка беспроводных устройства для ношения на теле для широкого спектра применений. По целому ряду причин конструкция антенны часто является серьезной проблемой в этих устройствах. Одной из таких проблем является поглощение энергии телом человека. Synapse в своих разработках использует 3D полноволновый решатель электромагнитного поля - ANSYS HFSS, а так же модель человеческого тела (доступную в ANSYS HFSS) для оценки эффективности различных конструкций антенн путем моделирования всей системы.

Возможность оценивать проекты без создания физических прототипов, посредством моделирования, как правило, помогает инженерам Synapse повысить производительность антенны в пять раз по сравнению с базовой концепцией дизайна. Дипольная антенна хорошо изучена и её расчет не представляет особого труда. Однако классический расчет такой антенны (центральная частота 2,45 ГГц, в качестве подложки использовался FR4, длина волны составляет 60 мм) показывает, что общая длина диполя должна составлять 30 мм. Но это слишком большой размер для большинства беспроводных устройств носимых на теле. Именно поэтому есть необходимость спроектировать новую антенну меньшего размера, но обладающую характеристиками не хуже, чем диполь. Сложность геометрии антенны для беспроводных устройств, носимых на теле, делает разработку в разумные сроки с использованием традиционного процесса проектирования отнюдь не тривиальным процессом. Для решения этой и всевозможных других задач инженеры Synapse оценивали ряд различных продуктов моделирования. Свой выбор они сделали в пользу ANSYS, потому как этот комплекс программ обеспечивает решение для почти всех проектных задач их компании. В число которых вошло схемотехническое, электромагнитное моделирование, а также анализ прочности и вычисления в области тепловых процессов. Причем комплекс программ ANSYS обеспечивает автоматическую и в большинстве случаев двухстороннюю передачу данных между отдельными программами комплекса и тем самым обеспечивая мультифизичный анализ и анализ системы в целом.

Процесс проектирования

Процесс проектирования обычно начинается с разработки общей концепции, которая включает схемотехнику и антенну. Когда общая концепция устройства определена, инженеры Synapse используя ANSYS HFSS приступают к оптимизации конструкции антенны. Процесс моделирования начинается с импорта геометрии исходного дизайна из SAT файла. Следующим шагом является определение свойств материалов, таких как диэлектрическая и магнитная проницаемость и тангенса угла диэлектрических потерь, проводимость и т.д. Оптимизация антенны требует пристального внимания потому как многие факторы влияют на её работу. Именно поэтому необходимо, например, моделировать антенну совместно с моделью части тела человека. В ANSYS HFSS доступны несколько моделей человеческого тела, причем каждая модель позволяет пользователям устанавливать диэлектрическую проницаемость для различных частей и слоёв структуры тела. Как правило, инженеры Synapse варьируют толщину кожи от 0,4 мм до 2,6 мм и присваивают ей диэлектрическую проницаемость 38. Толщина жирового слоя обычно выбираются равной половины длины волны, с диэлектрической проницаемостью 5.3. Последним слоем который используется в расчётах выступает слой мышц, типовая толщина около 20 мм и с диэлектрической постоянной 53. После того как все свойства материалов заданы, установлены граничные условия и порты возбуждения можно запускать расчёт. ANSYS HFSS автоматически создаёт адаптивную сетку и определяет величину поля в каждой точке исследуемой области.

Следующим шагом является вычисление обобщенной S-матрицы. Полученная S-матрица позволяет судить о величинах переданных и отраженных сигналов, а следовательно, помогает решить задачу согласования.

Моделирование в HFSS так же позволяет оценить мощность, поглощаемую телом, усиление антенны, диаграмму направленности и т.д.

Результаты можно просматривать в виде цветных графиков, в том числе и в 3D виде. В типичном случае, результаты моделирования показывают, что участки тела ближе к антенне поглощают больше энергии. В случае если носимое устройство расположено, например, в каблуке обуви, то мощность, поглощаемая землёй может оказаться больше мощности поглощаемой стопой человека. На основании результатов, полученных посредством электромагнитного, теплового и прочностного анализа, инженеры – разработчики антенны дают рекомендации системным инженерам, о том каким образом и на сколько близко и где на корпусе устройства может быть установлена антенна.

Заключение

Полученная при моделировании информация о свойствах антенны играет важную роль в разработке всего беспроводного устройства. Такой параметр антенны как коэффициент усиления помогает определить, сколько мощности необходимо подавать в точку питания антенны, которая, в свою очередь, влияет на жизнь батареи носимого устройства. Кроме того, моделирование используется, чтобы сделать антенну меньше с сохранением характеристик (или даже с их улучшением) относительно базового варианта. Моделирование предсказывает поведение устройства не только в полосе рабочих частот, но и вне этого диапазона, что помогает избежать излучений на частотах, которые будут мешать с другими устройствами. Руководствуясь результатами моделирования, инженеры как правило могут разработать устройство за меньшее время и обладающее лучшими электромагнитными, механическими и другими характеристиками по отношению к начальному варианту и/или варианту полученного классическим способом без использования моделирования.