Моделирование и оптимизация нательных беспроводных устройств

Беспроводные нательные устройства становятся все популярнее. Интерес к ним обусловлен большим количеством разрабатываемых приложений для здравоохранения, спорта, обеспечению правопорядка, развлечения и другим сферам.

К примеру, Министерство Обороны США работает над беспроводными устройствами для солдат, которое позволяет врачам наблюдать за их состоянием здоровья. В спортивной сфере нательные беспроводные гаджеты разрабатываются для измерения и записи различных показателей атлетов, например, скорость бега или число шагов.

Вне зависимости от сферы применения, использование беспроводных устройств в непосредственной близости от человеческого тела создаёт определённые сложности для их разработки. Излучаемая гаджетом мощность не должна превышать уровня, способного создать угрозу здоровью. Расход энергии, размер, отношение сигнал/шум и вес должны быть минимизированы. В то же время оно должно отправлять сигнал достаточной мощности в правильном направлении, который должен быть правильно принят целевым устройством – несмотря на то, что тело человека может поглотить существенную часть сигнала.

Разработка системы

Компания Synapse Product Development решает достаточно сложные проблемы проектирования от общей концепции до производственных задач для ведущих производителей электроники и биологических компаний. Одно из направлений работы компании – разработка нательных беспроводных устройств с широким спектром применения. Обычно основные сложности связаны с разработкой конструкции антенны, поскольку тело человека поглощает довольно много энергии. Synapse использует полноволновый электромагнитный (ЭМ) симулятор ANSYS HFSS 3D и модель человеческого тела ANSYS для оценки качества разработки различных антенн посредством моделирования всей системы, в том числе беспроводного устройства, антенны и их взаимодействия с телом человека. Возможность анализа разработок без создания физических прототипов обычно помогает инженерам Synapse повысить производительность антенн по сравнению с оригинальной идеей проекта.

Результаты симуляции ANSYS HFSS показывают, какую часть мощности поглощают нога и поверхность земли.

Конструкция антенны ориентирована на передачу энергии от передатчика к приёмнику. Дипольная антенна – устоявшийся ориентир производительности антенн, имеющий конструкцию, идеальную для оптимизации её передаваемой мощности. Длина волны для антенны 2.45 ГГц, построенной на печатной плате из FR-4, составляет 60 мм. В итоге общая длина диполя должна быть 30 мм, что является слишком большой величиной для большинства носимых на теле беспроводных устройств. Вместо этого дизайнерам электроники приходится создавать антенны меньшего размера со свойствами, по возможности приближёнными к дипольной антенне. Например, они пытаются согласовать сопротивление излучения антенны с оптимальным импедансом нагрузки приемопередатчика. Сопротивление излучения - это часть сопротивления рабочей точки антенны, вызванная излучением электромагнитных волн от антенны.

Диаграмма Смита помогает инженерам согласовать сопротивление антенны и приёмника.

Геометрические особенности антенны нательных беспроводных устройств усложняют процесс создания приемлемой конструкции за разумное количество времени посредством традиционных методов разработки посредством сборки и тестирования. Инженеры Synapse оценили многообразие расчётных модулей ANSYS при работе с различными задачами проектирования. Расчётная платформа ANSYS имеет в наличии инструменты практически для всех задач разработки, включая схемное, электромагнитное, механическое и тепловое моделирование. Программы ANSYS используют автоматическую передачу данных для одновременной оптимизации модели по многочисленным областям физики и дисциплинам. Руководящий состав Synapse решил, что приобретение инструментов для всех видов моделирования у одного поставщика имеет больше преимуществ, например, контакт с одной службой технической поддержки для ответов на вопросы и обучению сотрудников.

Процесс разработки устройств

Процесс проектирования обычно начинается с промышленного дизайнера, предоставляющего концепцию, которая включает в себя электронику и антенну. Затем инженеры Synapse Electric используют ANSYS HFSS для оптимизации конструкции беспроводной антенны. Процесс моделирования начинается с импорта геометрии первоначальной разработки из SAT-файла. Следующий шаг – определение таких электрических свойств материалов, как диэлектрическая/магнитная проницаемость и угол потерь, электрическая объёмная проводимость и магнитное насыщение.

Толщина жирового слоя выбрана с учётом эффектов всех импедансных слоёв, обычно половина длины волны, с диэлектрической проницаемостью 5.3.

Оптимизация производительности антенны требует повышенного внимания к тому, как человеческий организм влияет на работу антенны - таким образом, необходим системный подход к анализу. Модель человеческого тела ANSYS позволяет пользователям устанавливать диэлектрическую проницаемость для разных частей тела. Как правило, инженеры Synapse меняют толщину кожи от 0,4 мм до 2,6 мм и определяют ее диэлектрическую постоянную в 38. Толщина слоя жира выбирается так, чтобы учитывать все согласованные по импедансу эффекты, обычно это половина длины волны, с диэлектрической постоянной 5.3. Мускульный слой выступает в качестве оконечной нагрузки модели с толщиной примерно 20 мм и диэлектрической проницаемостью 53.

Поглощение энергии продукта, носимого только на запястье.

ANSYS HFSS автоматически задаёт поведение поля на границах раздела объектов и подготавливает геометрически согласованную тетраэдрическую сетку. Адаптивный сеточный генератор автоматически уточняет её в тех областях, где точность определения поля нуждается в улучшении. ANSYS HFSS вычисляет схему полного электромагнитного поля во всей области решения. Следующий шаг – вычисление обобщённой матрицы S-параметров из полей, определенных в расчётном домене. Результирующая S-матрица позволяет рассчитать амплитуды переданного и принятого сигналов напрямую из данного набора входных сигналов, сокращая полное 3D электромагнитное поведение структуры до набора высокочастотных схемных параметров.

3D диаграмма усиления электронного браслета.

Моделирование в HFSS показывает энергию, поглощённую телом, и усиление антенны в форме цветовой карты, включающей тело и окружающее воздушное пространство. В типичном случае результаты моделирования иллюстрируют, что области тела вблизи антенны поглощают больше энергии. Если гаджет носят, например, в ботинке, по результатам можно определить количество энергии, поглощённой землёй, иногда даже превышающее поглощённое ногой. На основании этих итогов разработчики электроники дают промышленным дизайнерам и системным инженерам комментарии, в том числе о геометрии антенны, а также о том, как близко к телу и где на нём она может быть расположена.

Расширяем пределы, экономя время

Данные о производительности антенны, полученные моделированием, играют важную роль в разработке системы нательного беспроводного устройства.

Результаты усиления антенны имеют решающее значение в анализе каналов передачи данных, которые определяют дальность действия и пропускную способность. Усиление антенны также помогает установить требуемую передаваемую мощность, что, в свою очередь, влияет на жизнь батареи. Зачастую, носят несколько нательных устройств, антенны которых оптимизированы одновременно для снижения помех и минимизации расхода батареи.

В дополнение, моделирование используется для уменьшения габаритов антенны, чтобы она могла быть использована в различных промышленных задачах при достижении требуемого уровня производительности. Антенна меньших размеров работает в более широкой полосе частот. Моделирование предсказывает производительность и за границами диапазона, что помогает избежать излучения на определённых частотах, способного создать помехи другим устройствам. Руководствуясь результатами симуляции, инженеры могут повысить диапазон устройства в пять раз по сравнению с первоначальной концепцией, сохранив, по оценкам, три месяца из традиционного 12-месячного цикла разработки.

Автор: Берт Бакстон

Старший инженер по электронике

Synapse Product Development, Сиэтл, США