智能手表的電磁和結(jié)構(gòu)仿真-CATIA建模，天線，信道，手腕SAR，跌落，觸屏

原文參考：

Signal Integrity and Electromagnetic Interference Modeling of a Smartwatch WearableDevice using Structural and Electromagnetic Co-design Methodologies. Darryl Kostka and etc. DesignCon 2017.

本期我們介紹智能手表仿真,表帶是可重新配置的功能模塊，用戶可以通過插入能夠執(zhí)行特定任務(wù)的表帶模塊來靈活地添加新功能。這種靈活性必須通過一個統(tǒng)一的通信架構(gòu)來實現(xiàn)，該架構(gòu)連接表帶模塊與表身并相互連接。除了機械連接設(shè)計需要實現(xiàn)模塊的插入和移除功能，我們還要評估它可能對通信的數(shù)據(jù)的完整性產(chǎn)生的影響。每個表帶模塊中的數(shù)據(jù)通信將由一個單獨的控制器芯片控制，將模塊中通過比如傳感器、天線或外圍設(shè)備收集的數(shù)據(jù)，傳達給手表CPU。為了在保持高效功耗的同時達到所需的傳輸速率，我們將使用 LVDS（低壓差分信號）發(fā)射器和接收器。我們將研究可實現(xiàn)的傳輸率，并比較不同的渠道架構(gòu)的性能。

該智能手表還包括多個天線，包括 Wi-Fi、藍牙(R)、GPS 和GSM/Cellular 實現(xiàn)無線連接。

表身為鋁材，表帶模組為PC塑料外殼。天線匹配50歐姆，S11<-10dB。由于手表電池有限，天線的性能尤為重要，不僅要保證通信距離，還要功耗最低；最難的還是兼顧外型美觀和機械強度要求。對于上述幾個無線協(xié)議的頻率，半波長能夠達到100-400mm，所以天線設(shè)計小型化是必須的。 

另外，設(shè)計過程中還要考慮多個使用場景，最典型的就是穿戴狀態(tài)，手腕和人體離手表是很近的，這些有損材料能夠降低天線輻射效率。本案例中，我們用的是均勻的手臂模型。

另一種場景當然是沒有穿戴的狀態(tài)，比如放在桌子上充電。

簡單總結(jié)一下本案例的天線，這些天線大多可以從antenna magus天線庫中設(shè)計和自動生成模型，用戶也可以拿其他的天線設(shè)計文獻來建模仿真對比，本案例就是對比之后才選擇這個wifi藍牙天線設(shè)計。

wifi和藍牙在兩種情況下S11都滿足要求；鋁外殼對天線性能有影響，手表電池和觸屏占據(jù)大量空間，所以天線設(shè)計空間有限。所以，本案例使用介質(zhì)代替部分鋁，在側(cè)面為天線開窗：

這一設(shè)計使得生產(chǎn)工藝變得更復(fù)雜，而且要考慮手表的機械強度是否受到影響，這部分就可以Abaqus上場做仿真分析了：

GPS是圓極化信號，我們希望盡可能多方向的RHCP接收都好。本案例也是對比了兩種設(shè)計，表身和表帶中分別設(shè)計GPS天線。表身中的GPS無胳膊時匹配不好，雖可調(diào)整匹配來改善，但還是受到極化損耗影響；表帶中的GPS模組極化較好，受環(huán)境影響小，但目前帶寬不足。表帶中可用GPS模組，能獲得較高保真度。所以，用戶可選擇使用GPS表帶來加強表身GPS信號，比如戶外旅游的時候。

GSM天線波長最長，所以用的是表帶本身，有胳膊時的輻射效率很低，無胳膊時阻抗匹配的不算好；這里可以先從簡單的偶極子開始研究，細節(jié)我們就忽略了，結(jié)論是簡單天線SAR不過關(guān)，復(fù)雜表帶有待改進。

下一個話題是觸屏，觸屏仿真首先仿的就是手指壓力和動作，這些可以用Abaqus來仿，比如馮米塞斯壓力：

這些時變的形變數(shù)據(jù)可以給回CST用來做靜電仿真，獲得電容隨手指滑動的曲線。關(guān)于觸屏的場路結(jié)合話題我們以后有機會再寫。 

另一個話題是跌落仿真與連接處的壓力仿真，這些都可以通過Abaqus來分析。 

還是回到電磁，開頭提到過表帶和表身之間是要傳輸信息的，這就可以用到CST做信道設(shè)計了。把PCB這些導(dǎo)入，然后分析時域頻域結(jié)果，比如S參數(shù)，TDR，眼圖等等，這些PCB導(dǎo)入、加端口、時域頻域仿真我們都發(fā)過培訓(xùn)視頻。 

也可以加上IBIS眼圖分析，本案例能夠達到1.5Gbit/s；當然在不同的模組工作狀態(tài)下，傳輸線的端接狀態(tài)不同，速率可能會降。

最后一個話題，射頻干擾RFI。整個手表系統(tǒng)中有射頻天線、數(shù)字信號，IC時鐘等等多個電磁源，所以分析這些模塊之間的干擾和隔離也是很重要。

得到耦合矩陣后，就可以使用CST的interference task了。明確每個系統(tǒng)的收發(fā)指標，也可從RFI拓展包里直接調(diào)用：

最后得到耦合干擾違規(guī)矩陣：

觀察問題頻率的電流流向：

小結(jié)：

 本案例介紹了一種智能手表的電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，用到CST和Abaqus。也可以用CATIA建模，下面的視頻展示更多流程細節(jié)。