智能手表的模擬仿真和設計
現代高科技電子產品的產品周期非常短,在較短的設計周期中滿足設計要求是很具挑戰性。比如智能手表這樣的高科技產品必須具備:穩定的通訊性能、獨特的用戶體驗、符合法規,以及可靠產品以滿足保修期限。
仿真在測試不同的設計方案中起著基礎性的作用,并迅速縮小最終設計的范圍,本文講述如何使用DS SIMULIA的Abaqus和CST產品模擬仿真幫助滿足這些設計挑戰。
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連通性能
智能手表的天線設計尤其具有挑戰性,因為它們不可視覺直接查看性能。天線的設計要求在有限的空間內具備高效和匹配電力,與其他電子產品/系統協調為不同的使用場景和環境提供服務,且需遵守安全標準。一款天線需為許多不同的通信和導航協議提供支持,比如WiFi(2.401-2.495 GHz)、藍牙(2.4——2.485 GHz)、全球定位系統GPS(1.563-1.587 GHz)、GSM/蜂窩(880-960 MHz)。
所有天線的連通性設計都有著共同的挑戰:在有限的狹小空間內綜合考慮天線和其他部件的材料性能,以及佩戴在手臂上時的天線性能,及其輻射功率。
Wi-Fi和藍牙
單個天線可以滿足藍牙和WiFi協議的連接要求,因為它們的頻率帶在很大程度上是重疊的,但任何設計都需要Plan B,在此比較兩種設計方案:一種寬帶轉換型平面天線,另一是更簡單的窄帶Inverted-F天線。
集成天線的一個關鍵解決方案是將聚碳酸酯“Windows”放置在手表體的側面,使天線能夠從手表發射能量信號。
當天線與其他組件和手臂放置一起時,其頻率將受影響,天線自身的頻率過高,但在手表中的頻率會下降,當在手臂上時,符合-10dB匹配規范。
GPS
天線具備GPS功能還有更高挑戰,要求天線能夠有效地接收信號,天線的接收角度必須盡可能地大。
表帶模塊化特性能夠集成兩種可能的解決方案:一是在手表外殼中集成,另一是高保真的天線集成在堅固的表帶模塊中。第一種不具備良好的性能,而第二種可以單獨設計,具有更高的效率,良好的極化性能,更好的隔離手表和佩戴者,使其更具靈敏性。
GSM天線
在智能手表中集成GSM功能并不常見,主要是因為可用的空間有限。在900 MHz的GSM波段中,自由空間的半波長約為170毫米,這意味著天線不能很容易地集成到手表外殼中。
模塊化的表帶給了我們一個新的設計的機會——將模塊所包含的地平面連接起來形成一個分布式偶極。
但手表與手臂的距離很近,這意味著天線也會輻射到手臂上。必須注意特定的吸收率(一種可以預期的電磁場的加熱效應的測量方法)不能夠超過法規限度。歐洲的肢體標準適用是天線低于4 w/kg。
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可靠性能
每個表帶模塊所共有的接地平面實際上是PCB的一部分,每個模塊都必須允許模塊上的組件與位于主表主體中的CPU進行通信,這就需要確保模塊能夠以足夠的速度與CPU進行通信。
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力學性能
跌落分析
分析智能手表從3英尺高的高度跌落到堅硬的地板上,并監測塑料壓力。由鋁制成的手表沖擊地面時,會產生塑性變形,沖擊力使其發生裂紋。
觸摸電容分析
壓力敏感的觸摸屏為人類與設備的互動提供了另一維度,并開始成為一種潮流,厚度為0.5毫米的觸摸屏壓力轉移到底層電極上。觸摸電容的改變,用于監測壓力變化,首先用Abaqus計算電極的變形,然后在DS SIMULIA CST中計算出相應的接觸電容。下圖中顯示的是當手指滑過屏幕時,電極的觸摸電容的變化。
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總結和討論
SIMULIA Abaqus和CST仿真模擬幫助解決設計難題:評估選擇不同的設計天線,確保GSM天線的兼容,確保可靠的數據傳輸和分析頻率下降的原因,分析壓力敏感電容的傳感性能。
來源:MBD之家
作者:江丙云
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