智能手表的電磁和結構仿真-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行特定任務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一的通信架構來實現，該架構連接表帶模塊與表身并相互連接。除了機械連接設計需要實現模塊的插入和移除功能，我們還要評估它可能對通信的數據的完整性產生的影響。每個表帶模塊中的數據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、天線或外圍設備收集的數據，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）發射器和接收器。我們將研究可實現的傳輸率，并比較不同的渠道架構的性能。

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議的頻率，半波長能夠達到100-400mm，所以天線設計小型化是必須的。 

另外，設計過程中還要考慮多個使用場景，最典型的就是穿戴狀態，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，比如放在桌子上充電。

簡單總結一下本案例的天線，這些天線大多可以從antenna magus天線庫中設計和自動生成模型，用戶也可以拿其他的天線設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大量空間，所以天線設計空間有限。所以，本案例使用介質代替部分鋁，在側面為天線開窗：

這一設計使得生產工藝變得更復雜，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計，表身和表帶中分別設計GPS天線。表身中的GPS無胳膊時匹配不好，雖可調整匹配來改善，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，細節我們就忽略了，結論是簡單天線SAR不過關，復雜表帶有待改進。

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：

這些時變的形變數據可以給回CST用來做靜電仿真，獲得電容隨手指滑動的曲線。關于觸屏的場路結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做信道設計了。把PCB這些導入，然后分析時域頻域結果，比如S參數，TDR，眼圖等等，這些PCB導入、加端口、時域頻域仿真我們都發過培訓視頻。 

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下，傳輸線的端接狀態不同，速率可能會降。

最后一個話題，射頻干擾RFI。整個手表系統中有射頻天線、數字信號，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。明確每個系統的收發指標，也可從RFI拓展包里直接調用：

最后得到耦合干擾違規矩陣：

觀察問題頻率的電流流向：

小結：

 本案例介紹了一種智能手表的電磁和結構設計流程，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。