可穿戴无线设备与ANSYS仿真技术

--ANSYS仿真技术助力优化可穿戴无线设备，满足新型应用需求--

近年来，随着医疗保健、体育、执法、娱乐等领域实际需求的增长和潜在应用前景的看好，人们对可穿戴无线设备的兴趣不断提升。

举例来说，美国国防部正在开展一项关于士兵可穿戴无线设备的研究，该设备能帮助医疗人员检测士兵的生命体征，收集有关医学信息。可穿戴无线设备的开发也能检测和记录运动员的表现情况，包括跑步速度以及步数等。

无论什么应用，贴近人体的无线设备都面临一系列主要的设计挑战。设备辐射必须保持在较低水平，避免对人体构成健康威胁。设备功耗、尺寸、长宽比和重量同时也要实现优化以适合穿戴。同时设备还要确保能够发送足够功率的信号，以发送到正确的位置，从而被目标设备很好地接收，同时要考虑到人体本身可能会吸收大部分信号的问题。

系统建模

Synapse Product Development为业界领先的消费电子和生命科学企业，解决从概念到制造的有关工程难题。该公司的一大专长在于开发可穿戴无线设备，满足各种应用的需求。天线设计往往是这种设备的一大挑战，因为身体会吸收很多能量。Synapse采用ANSYS HFSS 3-D全波电磁（EM）仿真器和ANSYS人体模型来评估各种天线设计的性能，进行完整的系统建模，包括无线设备、天线以及它们与人体的相互作用。由于无需构建物理原型就可评估设计，这能够帮助Synapse工程师将天线性能比传统设计理念提高五倍之多。

ANSYS HFSS仿真输出显示足部和地面吸收的功率

天线设计的重点是发射器到接收器的功率传输。偶极子天线是很好的性能参考，能提供出色的几何结构，优化天线的功率传输。就FR4印刷电路板制成的2.45 GHz天线而言，波长为60毫米，因此偶极子的总长度应为30毫米。这对于大多数可穿戴无线设备来说都太长了。因此电气工程师要设计更小型化的天线，其性能则要与偶极天线尽可能类似。举例来说，工程师尝试将天线的辐射阻抗匹配于收发器的最佳负载阻抗。辐射阻抗是指天线辐射电磁波导致的天线馈点阻抗。

可穿戴无线设备所需的天线几何结构比较复杂，因此很难采用传统的加工后测试的设计流程在合理时间内创建出可接受的设计方案来。

面对这个问题以及许多其它困难的设计挑战，Synapse工程师评估了许多不同的仿真产品。而ANSYS解决方案几乎能满足他们所有的设计挑战要求，包括电路、电磁、机械和热仿真等。ANSYS软件支持自动数据传输，以同时优化多学科和多领域的产品。Synapse的管理层认为，从统一的厂商采购所有仿真工具最有利，这样所有问题和培训需求都能得到统一解决。

史密斯图帮助工程师匹配天线阻抗和发射器

设计环节

设计环节通常始于工业设计人员提交概念，这个概念包含了电子和天线两部分。Synapse的电气工程师随后使用ANSYS HFSS来优化无线天线设计。工程师从SAT文件导入初始设计的几何结构开始建模过程。下一步就是定义材料的电属性，包括介电常数和介质损耗正切、介电常数和磁损耗正切、整体电导率以及磁性饱和等。

优化天线性能需要密切关注人体对天线性能的影响方式，因此需要系统的分析方法。ANSYS软件的人体模型能帮助用户设置身体不同部位的介电常数。通常情况下，Synapse工程师设定皮肤的厚度变化在0.4毫米到2.6毫米之间，并指定其介电常数为38。脂肪层厚度的选择要考虑到所有阻抗匹配效果，通常为波长的一半，而介电常数为5.3。肌肉作为模型终端，厚度约为20毫米，介电常数为53。

HFSS可自动指定物体交界面上的场行为，并定义符合几何学要求的四面体网格。自适应网格划分功能能在场精确度需要加强的区域自动加密网格。软件计算求解区域内的电磁场。下一步就是从求解区域中通过场计算得到的场计算广义S参数矩阵，所得的S参数矩阵可直接从给定的一系列输入信号中计算得到传输和反射信号的大小，从而将结构的全3D电磁行为简化为为一系列高频电路参数。

HFSS仿真通过色标图显示了包含人体和周边区域的人体吸收的功率和天线增益。在典型案例下，仿真结果显示出靠近天线的人体区域吸收更多的功率。比方说，如果设备是穿在鞋子中，那么结果也会识别地面吸收的功率，有时地面吸收的功率可能比足部吸收的更大。根据相关结果，电子工程师可向工业设计人员和系统工程师提供反馈，包括天线的几何形状以及天线能距离人体多近、放在人体的什么位置等信息。

扩大范围、节约时间

在仿真技术指导下，电气工程师通常能将产品范围相对于初始概念而言扩大5倍，同时还能比传统的12个月开发周期省下差不多3个月的时间。

仿真提供的天线性能信息在可穿戴无线产品的系统设计中发挥重要作用。天线增益结•果对链路分析非常重要，决定了范围和吞吐量。此外，天线增益也有助于确定需要多大的发射功率，进而影响电池的使用寿命。在人体上不止一个可穿戴设备的典型情况下，所有设备的天线同时优化，协调各自的增益，从而最大限度地降低电池功耗。

此外，我们还能通过仿真减小天线尺寸，以满足工业设计和机械设计目标，同时实现所需的性能水平。随着天线尺寸的减小，其工作频率带宽也在变窄。仿真不仅可预测带内性能，还能预测带外性能。仿真还有助于避免在可能对其他设备产生干扰的频点对外辐射。在仿真技术指导下，电气工程师通常能将产品范围相对于初始概念而言扩大5倍，同时还能比传统的12个月开发周期省下差不多3个月的时间。

作者：Bert Buxton，高级电气工程师，Synapse Product Development，美国西雅图