温故而知新：2012年的高科技解决方案-消费电子与HFSS，表面波技术，77GHz雷达

编者

作者：Kate Moore，技术中心经理（电磁和RFIC）,Robin Granger,高级顾问工程师,Michael Jessup,顾问工程师 Chemring Technology Solutions，英国罗姆塞

ANSYS HFSS有助于交付创新型通信和网络解决方案。

随着电子产品在工业领域的应用越来越广泛，电气工程师在设计这些智能产品时必须考虑诸多因素，包括电子产品的运行环境、对其它电子设备的干扰，以及对消费类设备和商用设备高度原创的使用方式。

为确保运行能够满足甚至超出预期，Chemring Technology Solutions的工程师经常面临诸多挑战，即理解、诊断和预测电磁波在天线、印刷电路板（PCB）布线、封装和其它系统部件间传播时的行为。Chemring利用ANSYS HFSS来仿真组件和系统的电磁行为。

与“构建测试”法相比，采用该方法能够评估更多的设计备选方案。最终结果就是，与采用传统方法相比，工程师团队能够更快地开发出更具创新性和更稳健可靠的设计。

Starkey Hearing Technologies的SurfLink Mobile无线助听器控制器

助听器控制器

Chemring Technology Solutions的400名工程师运用他们的技术知识来解决雷达与无线技术、电子和移动通信以及软件工程方面的难题，从而满足金融、运输、电信以及安全等多个领域的需求。

Chemring的工程师最近协助设计了Starkey Hearing Technologies的SurfLink Mobile®无线助听器控制器。该控制器能实现Bluetooth®设备（例如智能电话）与无线助听器之间的双向立体声音频流。最大的挑战在于使设备的蓝牙和900MHz无线电达到50%的辐射效率目标，也就是说设备产生的无线电信号功率至少有一半要被传送到电波。

工程师使用3D打印机、FR4电路板材料和铜带构建粗略的物理原型，同时使用ANSYS HFSS对设计进行仿真。粗略模型的测量结果与仿真结果充分一致，并预测900MHz下的辐射效率为80%。不过，当工程师使用实际组件构建出真正的原型之后，测量结果显示效率不足25%。

工程师必须确保设备运行能够满足甚至超过预期。

ITO涂层覆盖整个屏幕时控制器的ANSYS HFSS仿真（上图），预测效率为24%至29%。去除上部8.5毫米 ITO涂层后控制器的HFSS仿真（下图），预测效率为66%至70%。

很快就追踪到了辐射效率低下的原因：触摸屏传感器吸收了将近4.5dB的辐射。工程师注意到触摸屏上的铟锡氧化物（ITO）涂层会延伸到屏幕的顶部和底部边缘，而非仅存在于有效表面（在HFSS模型中假设的一个参数）上。

工程师对仿真模型进行了此项修改，结果显示效率降低至25%。这与实验值相吻合，并验证了HFSS进行此类仿真的精确性。工程师与触摸屏制造商进行协商，决定将部分涂层去除，以确保可靠运行和产品完整性。该原型和更新后的仿真模型显示效率介于66%和70%之间。

SurfLink Mobile无线助听器控制器于2012年秋季上市销售，并赢得了众多奖项，包括消费电子展（CES）“2013年创新设计与工程奖”。

躯体网络

Chemring Technology Solutions的Gekko表面波技术是另一种无线解决方案，可通过表面实现设备间的通信。信号不通过电线传送，而是通过织物表面无线传输。织物包括涂有电介质的导电材料，形成可输送无线数据的表面波。

表面波技术将有线系统的可靠性、安全性和性能与无线系统的灵活性完美地整合到一起。

Gekko克服了传统躯体网络解决方案的一个主要问题：如果不使用中继器或不依靠反射，信号就无法从躯体前部传播到后部或围绕肢体传播。电磁表面波沿传播表面传播，并提供安全可靠的通信通道。

轨迹形状中的高频性能存在显著差异。

电磁场的复杂量级仿真，用圆柱代表（a）穿着表面波服装的躯干，（b）裸 露皮肤躯干。裸 露皮肤躯干上的损耗要高得多。

构建高效的解决方案需要深入了解表面波的传播特点。特别是围绕曲面的传播理解起来更不容易。

ANSYS HFSS可用于模拟围绕曲面传播的表面波，并了解如何通过改变表面阻抗和波长来控制特定弯曲处的辐射。例如，工程师团队建立了一个直径为260毫米的半圆柱HFSS模型来模拟成年女性的躯干，用以评估围绕躯干的传播。波端口放置在圆柱的对面，作为发送和接收转换器。

仿真结果显示表面波围绕圆柱以23GHz和60GHz的频率传播，而传统的无线电信号无法在不使用中继器的情况下围绕躯体传播。

这类仿真可用于构建受控环境，以便在投入资金构建原型之前测试设计参数的影响并对其进行优化。此外，仿真结果还提供了非常直观的方式来说明表面波的作用方式，这比原型演示更加有效。

工程师可以在设计过程的早期阶段评估尽可能多的备选方案，然后评估设计空间以优化关键设计参数。


77GHZ雷达

Chemring的工程师设计了一款77GHz频率的雷达系统，在整个系统的设计过程中都使用了HFSS软件。该套系统包括PCB、IC和天线。

当处理较低频率时，工程师通常使用制造商的数据手册来获取重要设计信息，例如介电常数和损耗角正切。但是，数据手册的测量值通常是在较低的频率下得到的，因此在77 GHz 频率下并不准确。

为确认这一点，Chemring的工程师构建了一个简单的设备原型，并使用HFSS对其进行仿真。不出所料，仿真结果与原型测量结果不一致，因为材料属性在77 GHz下不适用。

为此，工程师对介电常数和损耗角正切进行了调整，直到测量结果在峰值处与仿真重叠。他们必须考虑到制造布线与完美的设计几何形状存在差异，而在该频率下这些差异会产生一定的影响。工程师使用HFSS改变布线的轮廓；该形状改善了仿真与测量值之间的相关性。

接着工程师在HFSS中修改通用键合线模型，以匹配实际键合线的几何形状。结果，相关性再次得到改善。此时，HFSS模型与原型的性能已非常接近。

Chemring的工程师使用HFSS模型来评估备选设计方案和优化设计参数，例如天线尺寸布线几何形状。随后，他们使用模型分析过蚀刻和欠蚀刻的影响，以确定制造公差应符合什么条件才能确保最终产品的性能。

结果，成品性能得到了显著改善，并缩短了产品上市时间。

HFSS预测雷达系统具有不同键合线的相同电路

参数仿真显示了过蚀刻和欠蚀刻的效果，这有助于确定能够支持多大的制造变化。

在Chemring Technology Solutions公司中，ANSYS HFSS对于大部分涉及到无线通信、雷达和高频网络的项目都至关重要，而电磁场在这些项目中也起着至关重要的作用。HFSS可以自动生成解决问题所需的正确、高效和精确的网格。

最终结果就是，Chemring的工程师可在设计过程的早期阶段评估尽可能多的备选方案。设计方向一旦确定下来，Chemring的工程师就会评估设计空间，以优化关键的设计参数。

最后，他们通常还要评估设计对制造变化的敏感性，这能在制造环节中节省资金，并让设计取得一次性成功。

文章素材来源: ANSYS Advantage杂志 高科技 特刊