[Dassault case-study] Симуляція зі CST Studio Suite замінює створення прототипу антен для Convergentia

Розробка компактних високоефективних антен для портативної електроніки за допомогою CST Studio Suite (Dassault Systemes)

Завдання проєкту: Для належної роботи антени потрібна належна площина заземлення. Цього може бути важко досягти в невеликих пристроях з кількома окремими металевими частинами, і це може призвести до резонансів із високими втратами, які дуже важко відстежити. Щоб знайти причину цих проблем, можуть знадобитися тижні, а для вирішення проблеми знадобиться новий етап створення прототипів.

Результати проєкту: Моделювання за допомогою CST Studio Suite, інструменту моделювання SIMULIA (Dassault Systemes), дозволило досліджувати проекти без витрат на створення прототипу, а візуалізація поля дозволяє візуально ідентифікувати резонансні компоненти.

Convergentia є першою у світі «віртуальною фабрикою збірки», яка спеціалізується на наданні послуг віртуального прототипування клієнтам у багатьох галузях промисловості, включаючи ринок побутової електроніки.

Сучасні портативні пристрої, такі як смартфони та планшети, містять багато бездротових систем, включаючи стільниковий зв’язок, Wi-Fi і GPS. Кожна система потребує функціональної антени, оскільки низька продуктивність антени може призвести до поганої взаємодії з користувачем у вигляді низької пропускної здатності даних або поганого покриття, а також може призвести до розриву дзвінків і збою автомобільної навігації. З іншого боку, пристрої повинні виглядати привабливо, а їх розмір повинен бути зведений до мінімуму.

Зменщення розмірів(товщини) пристроїв і наявність металевих конструкцій спричинили проблеми з проектуванням антени. Без тривимірного моделювання існує високий ризик мати низьку продуктивність антени або незграбний промисловий дизайн. Альтернативою для перевірки антени є використання кількох раундів прототипування, які є дорогими та мають тривалий час.

Однак є речі, які не можна ефективно вивчати за допомогою прототипів, наприклад структури заземлення та мережі узгодження комплексного опору між вузлами. Щоб тривимірне моделювання було корисним, змодельовані результати повинні співвідноситися з виміряними даними. Хороша узгодженість між ними необхідна для створення довіри до змодельованих даних.

Convergentia виявила, що коли виникали розбіжності між ними, це було здебільшого через відсутність подібності симуляційної моделі та прототипу, оскільки непрактично чи навіть неможливо моделювати 1-до-1 усі складні структури, такі як дисплей, сенсорний екран датчик або динамік. Властивості матеріалу також можуть бути невідомими на частотах, що цікавлять. Тому компетенція розробника антени залежала від того, як моделювати частини, які не можна використовувати безпосередньо з механічної 3D-моделі.

Точне моделювання компонування друкованої плати та конструкцій заземлення з CST Studio Suite

Більшість сучасних інтегрованих антен включають або зосереджені компоненти, або радіочастотні перемикачі для узгодження опору (імпаденсу), хоча через величезну кількість частотних діапазонів у LTE постачальники чіпсетів почали включати тюнери інтегрованого узгодження антен у свої схеми. На ранній стадії процесу досліджень і розробок елементи налаштування можна спроектувати за допомогою симуляторів схем, але для робочого прототипу обов’язковим є моделювання компонування.

Це особливо важливо на вищих частотах (f > 1,7 ГГц), коли паразитні ефекти макета можуть стати домінуючими. Традиційно налаштування антени здійснюється за допомогою мережевих аналізаторів, шляхом оптимізації зворотних втрат антени. Без узгоджувальної мережі якісні узгодження опору(імпеданс) зазвичай також забезпечує хороші властивості випромінювання. Ефективність антени можна перевірити в спеціальній камері без відлуння.

Цей процес проектування не можна використовувати для антен із узгоджувальною мережею, оскільки гарне узгодження імпедансу може враховувати більше втрат у мережі, ніж хороше випромінювання антени. За допомогою комбінованого моделювання антени та компонування інженери можуть уникнути додаткових етапів проектування друкованої плати та пропустити виснажливий і повільний процес налаштування антени.

Для належної роботи антени потрібна належна площина заземлення. Це може бути важко реалізувати в невеликих пристроях з кількома окремими металевими частинами. Створення хорошої площини заземлення на пристрої означає, що металеві частини повинні бути з’єднані разом, щоб досягти максимальної продуктивності антени. Якщо структура заземлення не спроектована належним чином, це може призвести до недостатньої смуги пропускання або можуть бути ненавмисно створені радіочастотні пастки, які збільшують втрати антени на кілька децибел.

Такі резонанси з втратами добре відомі розробникам антен і їх дуже важко відстежити та виправити в прототипах. Щоб знайти причину цих проблем, можуть знадобитися тижні, а для вирішення проблеми знадобиться новий етап створення прототипів. Моделювання дозволило перевірити конструкції без витрат на створення прототипу, а візуалізація поля дозволяє ідентифікувати резонансні компоненти візуально - "на око".

Потужність і універсальність CST Studio Suite дозволяє нам повною мірою скористатися нашим досвідом моделювання, щоб надавати нашим клієнтам передові рішення для створення віртуальних прототипів

Точні віртуальні прототипи реальних систем з інструменту моделювання SIMULIA

На малюнку 1 показаний прототип планшета, створений компанією Convergentia, з основною та вторинною стільниковими антенами, а також антенами GPS і Wi-Fi.

Антени стільникового зв’язку є гнучкими, встановленими на пластиковому антенотримачі, з невеликими друкованими платами для узгодження імпедансу антени та для живлення затискачів (мал. 2). Антена GPS вигравірувана на окремій друкованій платі, а антена Wi-Fi — керамічного типу (мал. 3).

Convergentia виявила, що кореляція моделювання та вимірювання була дуже хорошою. Узгодження імпедансу було виконано за допомогою двох котушок і двох конденсаторів. Також було виявлено, що відмінності між симуляцією та вимірюванням були спричинені відмінностями між моделлю та фізичною реальністю: властивості матеріалу кераміки були невідомі, а також деталі заземлення друкованої плати, що призвело до деяких розбіжностей у частотній характеристиці антени Wi-Fi. Після невеликого налаштування антени та властивостей матеріалу вони досягли очікуваної продуктивності. Була хороша кореляція результатів моделювання первинної стільникової антени з вимірюванням.

З віртуальним прототипуванням кількість раундів прототипів зменшилася разом із часом розробки пристрою. Це прискорення сталося завдяки двом факторам. По-перше, не було потреби в механічних змінах або змінах друкованої плати через проблеми з продуктивністю антени під час фізичного прототипування. Потрібне було лише точне налаштування, щоб використати весь потенціал антени. Подруге, оскільки всі антени працювали, як було сконструйовано, тестування інших областей можна розпочати, не чекаючи, поки розробники антен спочатку запустять антени. Наприклад, EMC (електромагнітної сумістності) і тестування пропускної здатності даних можна розпочати негайно. Передумовою успішного віртуального збирання є те, що імітаційна модель відповідає майбутньому прототипу, включаючи відповідне розташування мережі та структуру заземлення пристрою.

Про компанію Convergentia

Convergentia надає рішення для проектування і моделювання пристроїв, для яких важлива висока якість, низька вартість або швидкий вихід на ринок. Convergentia має команди проектувальників антен, аудіосистеми, механіки, електромагнітної сумісності та теплового проектування, які охоплюють найважливіші частини продукту клієнта.

Команда антен розробляє антенні рішення для широкого спектру пристроїв, від крихітних Bluetooth-гарнітур до складних антенних систем LTE, які використовуються в смартфонах і планшетах. Потужність і універсальність CST  Studio  Suite дозволяють нам повною мірою скористатися нашим досвідом моделювання, щоб надавати нашим клієнтам передові рішення для створення віртуальних прототипів. Для отримання додаткової інформації відвідайте http://www.convergentia.com 

Softprom — дистриб'ютор Dassault Systemes.