來(lái)源 微波射頻網(wǎng)
人體結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響評(píng)估
1、概述
天線是手機(jī)、智能手表、藍(lán)牙耳機(jī)、可植入醫(yī)療設(shè)備等無(wú)線電子產(chǎn)品收發(fā)信號(hào)必不可少的裝置，其性能好壞將直接影響通信質(zhì)量。除了考慮天線在電子產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)內(nèi)的性能評(píng)估外，我們不得不考慮人體對(duì)天線性能的影響。以可穿戴設(shè)備天線為例，其工作頻率大多為2.4GHz~2.48GHz或者5.725~5.875GHz，且多以倒F天線為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
本案例基于ANSYS HFSS，演示如何利用Antenna Toolkit綜合得到倒F天線，并采用HFSS中自帶的人體結(jié)構(gòu)模型，評(píng)估其對(duì)天線性能的影響。
2、HFSS中的人體模型
2.1、直接獲取(模型的材料屬性不可編輯)
HFSS在Component Libraries里提供了全身人體結(jié)構(gòu)和局部人體結(jié)構(gòu)，通過(guò)HFSS Design界面View下拉菜單勾選Component Libraries，即可調(diào)出Component Libraries窗口，可選中人體結(jié)構(gòu)模型并拖拽到建模窗口，如圖1所示。
圖1 HFSS調(diào)出人體模型
HFSS自帶的人體結(jié)構(gòu)模型，其材料屬性中的相對(duì)介電常數(shù)和體電導(dǎo)率已經(jīng)內(nèi)部定義為全局變量：$avg_epsilon_r和$avg_conductivity，查看這兩個(gè)變量的方法是，右鍵選中Male_Body1>Component>Edit Definition，項(xiàng)目管理窗口會(huì)自動(dòng)打開(kāi)名稱為Male_Body的新Project，其中包含該模型的3D Component模型，右鍵點(diǎn)擊Male_Body Project >Project Datasets，在彈出的Datasets窗口中即可查看定義的材料參數(shù)。如圖2所示。
圖2 人體結(jié)構(gòu)材料屬性
2.2、模型導(dǎo)出(模型的材料屬性可編輯)
如果想對(duì)人體結(jié)構(gòu)的材料屬性進(jìn)行更改，推薦的方法是，在HFSS界面通過(guò)Modeler>Export直接導(dǎo)出結(jié)構(gòu)模型為*.sab格式，以便后續(xù)使用。方法如圖3所示。
圖3人體結(jié)構(gòu).sab模型導(dǎo)出方法
3、人體手臂對(duì)2.44GHz倒F天線性能的影響
3.1、2.44GHz倒F天線建模
首先，HFSS主菜單View > ACT Extensions >Launch Wizards>HFSS Antenna Tool kit>Antenna Type>PIFA> PIFA-Planar Inverted-F，點(diǎn)擊finish后界面會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)名稱為PlanarInvertedF_ATK*的Project，該P(yáng)roject中有名稱為PlanarInvertedF_ATK的HFSS Design，如圖4所示。
圖4 Antenna Tool kit創(chuàng)建2.44GHz倒F天線
選中倒F天線全部結(jié)構(gòu)，在菜單欄選項(xiàng)卡中選擇Model>Create 3D Component，保存在目標(biāo)文件夾。如圖5所示。
圖5 創(chuàng)建倒F天線3D Component
3.2、人體手臂結(jié)構(gòu)建模
新建一個(gè)HFSS Design，利用2.1節(jié)介紹的直接獲取方法，直接將手臂模型拖拽到HFSS建模窗口中，目標(biāo)坐標(biāo)系選擇Global CS。如圖6所示。注：此時(shí)的手臂模型采用的是軟件自定義的材料屬性，無(wú)需進(jìn)行設(shè)置。
圖6 導(dǎo)入的手臂模型
3.3、模型相對(duì)位置設(shè)置
創(chuàng)建名稱為“Antenna_F”的相對(duì)坐標(biāo)系，如圖7所示。然后選擇Model>Browse 3D Component，讀入此前創(chuàng)建的倒F天線3D Component，目標(biāo)坐標(biāo)系選擇Antenna_F，調(diào)整倒F天線位置如圖8所示。
圖7 相對(duì)坐標(biāo)系A(chǔ)ntenna_F
圖8 倒F天線與手臂相對(duì)位置
3.4、仿真設(shè)置
3.4.1、求解類型Solution Types
此處采用“Terminal Network”求解類型，為省去手動(dòng)創(chuàng)建空氣盒子的步驟，此處勾選“Auto-Open Region>Radiation”，HFSS將自動(dòng)創(chuàng)建空氣盒子并將其設(shè)置為Radiation輻射邊界條件。如圖9所示。
圖9求解類型設(shè)置
注：求解開(kāi)放問(wèn)題時(shí)，在實(shí)體周圍需創(chuàng)建一個(gè)空氣盒子，該空氣盒子包括了外部輻射表面。為吸收實(shí)體對(duì)外輻射的電磁波，這些外部輻射表面均會(huì)指定為輻射邊界條件（ABC，PML或者FEBI）。如果選擇了“Auto-Open Region”，HFSS將自動(dòng)創(chuàng)建空氣盒子，并根據(jù)用戶所勾選的邊界條件（ABC，PML或者FEBI），進(jìn)行對(duì)應(yīng)的邊界條件設(shè)置。同時(shí)，HFSS也會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建遠(yuǎn)場(chǎng)輻射球面（3D、Azimuth、Elevation）。
3.4.2、求解設(shè)置Solution Setup
可以直接利用倒F天線中采用的求解設(shè)置，一個(gè)快速簡(jiǎn)便的方法是，在倒F天線設(shè)計(jì)中，直接復(fù)制其Solution Setup，并粘貼到當(dāng)前含有人體手臂和倒F天線的設(shè)計(jì)中。如圖10所示。
圖10 求解設(shè)置Solution Setup
3.5、仿真結(jié)果
運(yùn)行仿真得到如下結(jié)果。
3.5.1、回波損耗S11
在Result>Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot中,選擇Terminal S Parameter，如圖11所示。從而得到倒F天線在自由空間和考慮手臂影響時(shí)的回波損耗S11結(jié)果，如圖12所示。仿真結(jié)果顯示，手臂對(duì)天線回?fù)p影響較小。
注：紅色曲線表示包含手臂的天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射，黑色曲線表示自由空間中的天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射，下同。
圖11 創(chuàng)建回波損耗S11結(jié)果報(bào)告
圖12 包含手臂前后天線回?fù)p結(jié)果對(duì)比
注：圖12中S11_Antenna Free Space曲線可從倒F天線設(shè)計(jì)的結(jié)果中Copy→Past到Terminal S Parameter結(jié)果中進(jìn)行對(duì)比。方法如圖13所示。
圖13 復(fù)制/粘貼結(jié)果數(shù)據(jù)以作對(duì)比
3.5.2、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖
由于采用了Auto Open Region，Infinite Sphere將會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建3D、Azimuth和Elevation無(wú)限球面（Infinite Sphere），以觀察遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。如需手動(dòng)創(chuàng)建，方法如圖14所示。
圖14 無(wú)限球面（Infinite Sphere）手動(dòng)創(chuàng)建方法
然后，在Result>Create Far Fields Report>Radiation Pattern中,Geometry依次選擇Azimuth、Elevation，Category選擇rE，Quantity選擇rETotal，F(xiàn)unction選擇dB，得到倒F天線在自由空間和考慮手臂影響時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，如圖15所示。仿真結(jié)果顯示，手臂對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖影響明顯，水平方向和垂直方向上的rE值平均減少了約5dB。
圖15 遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖結(jié)果對(duì)比
注：這里的平均值計(jì)算可直接調(diào)用Trace Characteristics中的平均值計(jì)算函數(shù)“mean”獲取。方法如圖16所示。
圖16 Trace的平均值計(jì)算
在模型中顯示方向圖結(jié)果
在Result右鍵選擇想要在模型中顯示的結(jié)果，如rE_Azimuth，勾選“Show In Modeler Window”，即可在模型中直觀地顯示方向圖結(jié)果。如圖17所示。
（a）勾選Show in Modeler Window
（b）水平方向
（c）垂直方向
（d）3D輻射方向圖
圖17 在模型中顯示方向圖結(jié)果
3.5.3、天線輻射效率
選擇Result>Create Antenna Parameters Report>Data Table，得到倒F天線在自由空間和考慮手臂影響時(shí)的輻射效率，如圖18所示。仿真結(jié)果顯示，手臂對(duì)天線輻射效率影響明顯，下降了超過(guò)60%。
圖18 天線輻射效率結(jié)果對(duì)比
3.5.4、Solution Data
本次仿真耗時(shí)約13分鐘，最大占用內(nèi)存約5.4G，總網(wǎng)格數(shù)量155866。具體如圖19所示。
圖19 Solution Data
4、結(jié)論
本案例結(jié)合HFSS自帶的人體結(jié)構(gòu)模型和Antenna Toolkit工具，仿真評(píng)估了2.44GHz倒F天線性能受人體手臂的影響，包括天線回波損耗、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖、天線輻射效率等。表明了應(yīng)用ANSYS HFSS可以有效地評(píng)估人體結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響，利用此類方法，有助提升可穿戴電子產(chǎn)品天線的設(shè)計(jì)與評(píng)估能力。
