[Dassault case-study] Симуляция в CST Studio Suite заменяет создание прототипа антенн для Convergentia

Разработка компактных высокоэффективных антенн для портативной электроники с помощью CST Studio Suite (Dassault Systemes)

Задача проекта: Для корректной работы антенны требуется надлежащая плоскость заземления. Это может быть трудно достичь в небольших устройствах с несколькими отдельными металлическими частями, и это может привести к резонансам с высокими потерями, которые очень трудно отследить. Чтобы найти причину этих проблем, могут потребоваться недели, а для решения проблемы понадобится новый этап создания прототипов.

Результаты проекта: Моделирование с помощью CST Studio Suite, инструмента моделирования SIMULIA (Dassault Systemes), позволило исследовать проекты без затрат на создание прототипа, а визуализация поля позволяет визуально идентифицировать резонансные компоненты.

Convergentia является первой в мире «виртуальной фабрикой сборки», которая специализируется на предоставлении услуг виртуального прототипирования клиентам во многих отраслях промышленности, включая рынок бытовой электроники.

Современные портативные устройства, такие как смартфоны и планшеты, содержат много беспроводных систем, включая сотовую связь, Wi-Fi и GPS. Каждая система нуждается в функциональной антенне, поскольку низкая производительность антенны может привести к плохому взаимодействию с пользователем в виде низкой пропускной способности данных или плохого покрытия, а также может привести к разрыву звонков и сбою автомобильной навигации. С другой стороны, устройства должны выглядеть привлекательно, а их размер должен быть сведен к минимуму.

Уменьшение размеров (толщины) устройств и наличие металлических конструкций вызвали проблемы с проектированием антенны. Без трехмерного моделирования существует высокий риск иметь низкую производительность антенны или неуклюжий промышленный дизайн. Альтернативой для проверки антенны является использование нескольких раундов прототипирования, которые являются дорогими и требуют длительного времени.

Однако есть вещи, которые нельзя эффективно изучать с помощью прототипов, например структуры заземления и сети согласования комплексного сопротивления между узлами. Чтобы трехмерное моделирование было полезным, смоделированные результаты должны соотноситься с измеренными данными. Хорошая согласованность между ними необходима для создания доверия к смоделированным данным.

Convergentia обнаружила, что когда возникали расхождения между ними, это было в основном из-за отсутствия сходства симуляционной модели и прототипа, поскольку непрактично или даже невозможно моделировать 1-к-1 все сложные структуры, такие как дисплей, сенсорный экран датчик или динамик. Свойства материала также могут быть неизвестны на интересующих частотах. Поэтому компетенция разработчика антенны зависела от того, как моделировать части, которые нельзя использовать непосредственно из механической 3D-модели.

Точное моделирование компоновки печатной платы и конструкций заземления с CST Studio Suite

Большинство современных интегрированных антенн включают либо сосредоточенные компоненты, либо радиочастотные переключатели для согласования сопротивления (импаденса), хотя из-за огромного количества частотных диапазонов в LTE поставщики чипсетов начали включать тюнеры интегрированного согласования антенн в свои схемы. На ранней стадии процесса исследований и разработок элементы настройки можно спроектировать с помощью симуляторов схем, но для рабочего прототипа обязательным является моделирование компоновки.

Это особенно важно на более высоких частотах (f > 1,7 ГГц), когда паразитные эффекты макета могут стать доминирующими. Традиционно настройка антенны осуществляется с помощью сетевых анализаторов, путем оптимизации обратных потерь антенны. Без согласующей сети качественное согласование сопротивления (импеданс) обычно также обеспечивает хорошие свойства излучения. Эффективность антенны можно проверить в специальной камере без отзвука.

Этот процесс проектирования нельзя использовать для антенн с согласующей сетью, поскольку хорошее согласование импеданса может учитывать больше потерь в сети, чем хорошее излучение антенны. С помощью комбинированного моделирования антенны и компоновки инженеры могут избежать дополнительных этапов проектирования печатной платы и пропустить утомительный и медленный процесс настройки антенны.

Для должной работы антенны требуется надлежащая плоскость заземления. Это может быть трудно реализовать в небольших устройствах с несколькими отдельными металлическими частями. Создание хорошей плоскости заземления на устройстве означает, что металлические части должны быть соединены вместе, чтобы достичь максимальной производительности антенны. Если структура заземления не спроектирована должным образом, это может привести к недостаточной полосе пропускания или могут быть непреднамеренно созданы радиочастотные ловушки, которые увеличивают потери антенны на несколько децибел.

Такие резонансы с потерями хорошо известны разработчикам антенн и их очень трудно отследить и исправить в прототипах. Чтобы найти причину этих проблем, могут потребоваться недели, а для решения проблемы понадобится новый этап создания прототипов. Моделирование позволило проверить конструкции без затрат на создание прототипа, а визуализация поля позволяет идентифицировать резонансные компоненты визуально - «на глаз».

Мощность и универсальность CST Studio Suite позволяет нам в полной мере воспользоваться нашим опытом моделирования, чтобы предоставлять нашим клиентам передовые решения для создания виртуальных прототипов

Точные виртуальные прототипы реальных систем с инструментом моделирования SIMULIA

На рисунке 1 показан прототип планшета, созданный компанией Convergentia, с основной и вторичной сотовыми антеннами, а также антеннами GPS и Wi-Fi.

Антенны сотовой связи являются гибкими, установленными на пластиковом антенодержателе, с небольшими печатными платами для согласования импеданса антенны и питания зажимов (рис. 2). Антенна GPS выгравирована на отдельной печатной плате, а антенна Wi-Fi — керамического типа (рис. 3).

Convergentia обнаружила, что корреляция моделирования и измерения была очень хорошей. Согласование импеданса было выполнено с помощью двух катушек и двух конденсаторов. Также было обнаружено, что различия между симуляцией и измерением были вызваны различиями между моделью и физической реальностью: свойства материала керамики были неизвестны, а также детали заземления печатной платы, что привело к некоторым разногласиям в частотной характеристике антенны Wi-Fi. После небольшой настройки антенны и свойств материала они достигли ожидаемой производительности. Была хорошая корреляция результатов моделирования первичной сотовой антенны с измерением.

С виртуальным прототипированием количество раундов прототипов уменьшилось вместе с временем разработки устройства. Это ускорение произошло благодаря двум факторам. Во-первых, не было необходимости в механических изменениях или изменениях печатной платы из-за проблем с производительностью антенны во время физического прототипирования. Потребовалась только точная настройка, чтобы использовать весь потенциал антенны. Во-вторых, поскольку все антенны работали, как было сконструировано, тестирование других областей можно начать, не дожидаясь, пока разработчики антенн сначала запустят антенны. Например, EMC (электромагнитная совместимость) и тестирование пропускной способности данных можно начать немедленно. Предпосылкой успешной виртуальной сборки является то, что имитационная модель соответствует будущему прототипу, включая соответствующее расположение сети и структуру заземления устройства.

Про компанию Convergentia

Convergentia предоставляет решения для проектирования и моделирования устройств, для которых важно высокое качество, низкая стоимость или быстрый выход на рынок. Convergentia имеет команды проектировщиков антенн, аудиосистем, механики, электромагнитной совместимости и теплового проектирования, которые охватывают важнейшие части продукта клиента.

Команда антенн разрабатывает антенные решения для широкого спектра устройств, от крошечных Bluetooth-гарнитур до сложных антенных систем LTE, используемых в смартфонах и планшетах. Мощность и универсальность CST Studio Suite позволяют нам полностью воспользоваться нашим опытом моделирования, чтобы предоставлять нашим клиентам передовые решения для создания виртуальных прототипов. Для получения дополнительной информации посетите http://www.convergentia.com

Softprom — дистрибьютор Dassault Systemes.