人体结构对天线性能的影响

分享到:

来源 微波射频网
 
人体结构对天线性能的影响评估
 
1、概述
 
天线是手机、智能手表、蓝牙耳机、可植入医疗设备等无线电子产品收发信号必不可少的装置,其性能好坏将直接影响通信质量。除了考虑天线在电子产品物理结构内的性能评估外,我们不得不考虑人体对天线性能的影响。以可穿戴设备天线为例,其工作频率大多为2.4GHz~2.48GHz或者5.725~5.875GHz,且多以倒F天线为基础进行设计和优化。
 
128
 
 
本案例基于ANSYS HFSS,演示如何利用Antenna Toolkit综合得到倒F天线,并采用HFSS中自带的人体结构模型,评估其对天线性能的影响。
 
2、HFSS中的人体模型
 
2.1、直接获取(模型的材料属性不可编辑)
 
HFSS在Component Libraries里提供了全身人体结构和局部人体结构,通过HFSS Design界面View下拉菜单勾选Component Libraries,即可调出Component Libraries窗口,可选中人体结构模型并拖拽到建模窗口,如图1所示。
 
2
图1 HFSS调出人体模型
 
HFSS自带的人体结构模型,其材料属性中的相对介电常数和体电导率已经内部定义为全局变量:$avg_epsilon_r和$avg_conductivity,查看这两个变量的方法是,右键选中Male_Body1>Component>Edit Definition,项目管理窗口会自动打开名称为Male_Body的新Project,其中包含该模型的3D Component模型,右键点击Male_Body Project >Project Datasets,在弹出的Datasets窗口中即可查看定义的材料参数。如图2所示。
 
3
图2 人体结构材料属性
 
2.2、模型导出(模型的材料属性可编辑)
 
如果想对人体结构的材料属性进行更改,推荐的方法是,在HFSS界面通过Modeler>Export直接导出结构模型为*.sab格式,以便后续使用。方法如图3所示。
 
4
5
图3人体结构.sab模型导出方法
 
3、人体手臂对2.44GHz倒F天线性能的影响
 
3.1、2.44GHz倒F天线建模
 
首先,HFSS主菜单View > ACT Extensions >Launch Wizards>HFSS Antenna Tool kit>Antenna Type>PIFA> PIFA-Planar Inverted-F,点击finish后界面会自动生成一个名称为PlanarInvertedF_ATK*的Project,该Project中有名称为PlanarInvertedF_ATK的HFSS Design,如图4所示。
 
6
图4 Antenna Tool kit创建2.44GHz倒F天线
 
选中倒F天线全部结构,在菜单栏选项卡中选择Model>Create 3D Component,保存在目标文件夹。如图5所示。
 
7
图5 创建倒F天线3D Component
 
3.2、人体手臂结构建模
 
新建一个HFSS Design,利用2.1节介绍的直接获取方法,直接将手臂模型拖拽到HFSS建模窗口中,目标坐标系选择Global CS。如图6所示。注:此时的手臂模型采用的是软件自定义的材料属性,无需进行设置。
 
8
图6 导入的手臂模型
 
3.3、模型相对位置设置
 
创建名称为“Antenna_F”的相对坐标系,如图7所示。然后选择Model>Browse 3D Component,读入此前创建的倒F天线3D Component,目标坐标系选择Antenna_F,调整倒F天线位置如图8所示。
 
9
图7 相对坐标系Antenna_F
 
1011
图8 倒F天线与手臂相对位置
 
3.4、仿真设置
 
3.4.1、求解类型Solution Types
 
此处采用“Terminal Network”求解类型,为省去手动创建空气盒子的步骤,此处勾选“Auto-Open Region>Radiation”,HFSS将自动创建空气盒子并将其设置为Radiation辐射边界条件。如图9所示。
 
12
图9求解类型设置
 
注:求解开放问题时,在实体周围需创建一个空气盒子,该空气盒子包括了外部辐射表面。为吸收实体对外辐射的电磁波,这些外部辐射表面均会指定为辐射边界条件(ABC,PML或者FEBI)。如果选择了“Auto-Open Region”,HFSS将自动创建空气盒子,并根据用户所勾选的边界条件(ABC,PML或者FEBI),进行对应的边界条件设置。同时,HFSS也会自动创建远场辐射球面(3D、Azimuth、Elevation)。
 
3.4.2、求解设置Solution Setup
 
可以直接利用倒F天线中采用的求解设置,一个快速简便的方法是,在倒F天线设计中,直接复制其Solution Setup,并粘贴到当前含有人体手臂和倒F天线的设计中。如图10所示。
 
13
图10 求解设置Solution Setup
 
3.5、仿真结果
 
运行仿真得到如下结果。
 
3.5.1、回波损耗S11
 
在Result>Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot中,选择Terminal S Parameter,如图11所示。从而得到倒F天线在自由空间和考虑手臂影响时的回波损耗S11结果,如图12所示。仿真结果显示,手臂对天线回损影响较小。
 
注:红色曲线表示包含手臂的天线远场辐射,黑色曲线表示自由空间中的天线远场辐射,下同。
 
14
图11 创建回波损耗S11结果报告
 
15
图12 包含手臂前后天线回损结果对比
 
注:图12中S11_Antenna Free Space曲线可从倒F天线设计的结果中Copy→Past到Terminal S Parameter结果中进行对比。方法如图13所示。
 
1617
图13 复制/粘贴结果数据以作对比
 
3.5.2、远场辐射方向图
 
由于采用了Auto Open Region,Infinite Sphere将会自动创建3D、Azimuth和Elevation无限球面(Infinite Sphere),以观察远场辐射方向图。如需手动创建,方法如图14所示。
 
18
图14 无限球面(Infinite Sphere)手动创建方法
 
然后,在Result>Create Far Fields Report>Radiation Pattern中,Geometry依次选择Azimuth、Elevation,Category选择rE,Quantity选择rETotal,Function选择dB,得到倒F天线在自由空间和考虑手臂影响时的远场辐射方向图,如图15所示。仿真结果显示,手臂对天线远场辐射方向图影响明显,水平方向和垂直方向上的rE值平均减少了约5dB。
 
19
图15 远场辐射方向图结果对比
 
注:这里的平均值计算可直接调用Trace Characteristics中的平均值计算函数“mean”获取。方法如图16所示。
 
20
图16  Trace的平均值计算
 
在模型中显示方向图结果
 
在Result右键选择想要在模型中显示的结果,如rE_Azimuth,勾选“Show In Modeler Window”,即可在模型中直观地显示方向图结果。如图17所示。
 
21
(a)勾选Show in Modeler Window
 
22
(b)水平方向
 
23
(c)垂直方向
 
24
(d)3D辐射方向图
图17 在模型中显示方向图结果
 
3.5.3、天线辐射效率
 
选择Result>Create Antenna Parameters Report>Data Table,得到倒F天线在自由空间和考虑手臂影响时的辐射效率,如图18所示。仿真结果显示,手臂对天线辐射效率影响明显,下降了超过60%。
 
25
26
图18 天线辐射效率结果对比
 
3.5.4、Solution Data
 
本次仿真耗时约13分钟,最大占用内存约5.4G,总网格数量155866。具体如图19所示。
 
27
图19 Solution Data
 
4、结论
 
本案例结合HFSS自带的人体结构模型和Antenna Toolkit工具,仿真评估了2.44GHz倒F天线性能受人体手臂的影响,包括天线回波损耗、远场辐射方向图、天线辐射效率等。表明了应用ANSYS HFSS可以有效地评估人体结构对天线性能的影响,利用此类方法,有助提升可穿戴电子产品天线的设计与评估能力。
继续阅读
相控阵天线技术

相控阵天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向,以达到波束扫描的目的,在特殊情况下,也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状。相控阵天线的馈电相位一般用电子计算机控制,相位变化速度快(毫秒量级),天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。

超大规模天线还能给5G带来什么?

回看无线电通信技术,从1895年意大利科学家马可尼向大洋彼岸拍出第一封无线电报以来,其已经走过了120多个年头,在社会生活、航空航天、军事等领域发挥了无可替代的作用。而与普通人贴近的移动通信,则给我们的生活与工作带来了极大的便利,如今的人类完全无法想象没有网络的生活会是什么样子。

为什么不能让手机的金属机身或边框作为天线?

目前市面上主流的智能机都是采用金属边框的工艺,而金属边框的机器对于天线调试难度很大。金属边框天线设计主要是利用金属边框做为天线的一部分进行辐射,这种方式一般只有以下几种天线形式:IFA、Monopole、Loop。

5G终端天线设计的难点有哪些?

随着5G网络建设的提速,我们整个社会正在加速走向数字化、智能化。以5G终端为代表的海量物联网节点,正在遍布地球的每一个角落,它们是数字化网络的神经末梢,也是构建精彩数智世界的基石.我相信,在不久后的将来,在完善的设计服务加持下,还会有更多优秀的5G终端产品甚至爆款产品出现,颠覆我们的认知,彻底改变现有的工作和生活方式。

射频前端产业链

终端设备的无线通信模块主要分为天线、射频前端模块(RF FEM)、射频收发模块、以及基带信号处理器四部分。其中射频前端是无线连接的核心,是在天线和射频收发模块间实现信号发送和接收的基础零件。 射频前端芯片主要是实现信号在不同频率下的收发,包括射频功率放大器(PA)、射频低噪声放大器(LNA)、射频开关、滤波器、双工器等。目前射频前端芯片主要应用于手机和通讯模块市场、WiFi路由器市场和通讯基站市场等。