HFSS助力通信与网络创新解决方案

随着工业对电子产品的应用越来越广泛，电气工程师在设计这些智能产品时必须考虑广泛的因素-—从它们的运行环境到对其他电子产品的干扰，再到消费和商业设备的高度原创性使用。

为确保操作达到甚至超出预期，Chemring Technology Solutions的工程师经常面临理解、诊断和预测电磁波在天线、印刷电路板（PCB）迹线、封装和系统其他部分之间传播时的行为的挑战。Chemring利用 ANSYS HFSS来模拟组件和系统的电磁行为，与构建和测试方法相比，可以评估更多的设计备选方案。最终结果是，与使用传统程序相比，该团队能够在更短的时间内开发出更具创新性、更稳健的设计。

助听器控制器

在Chemring Technology Solutions，400名工程师运用他们的技术知识解决雷达和无线技术、电子和移动通信以及软件工程等不同市场的难题，从金融和运输到电信和安全。Chemring 工程师最近协助设计了 Starkey Hearing Technologies 的 SurfLink Mobile 无线助听器控制器。该控制器支持蓝牙设备（例如智能手机）和无线助听器之间的双向立体声音频流。最大的挑战是为设备的蓝牙和900MHz无线电实现50%的辐射效率目标，结果是设备产生的无线电信号功率至少有一半传输到无线电波中。工程师使用3D打印机、FR4电路板材料和铜带构建了一个粗略的物理原型；他们还使用 ANSYS HFSS对设计进行了仿真。粗略的原型测量和模拟符合良好，并预测在900 MHz时辐射效率为80%。但是，当工程师们使用实际组件建造一个真正的原型时，测量结果显示效率不到25%。

图1. 使用ANSYS HFSS模拟ITO涂层覆盖全屏控制器（顶部）预测效率为24%到29%。

HFSS模拟去除8.5mm的控制器（底部）预测效率为66%到70%

较低的辐射效率很快被追踪到触摸屏传感器，它吸收了大约4.5dB。工程师们注意到触摸屏上的氧化铟锡（ITO）涂层物理延伸到屏幕的顶部和底部边缘，而不仅仅是在活动表面上———这是HFSS 模型中假设的一个参数。工程师对仿真模型进行了这一更改，结果显示效率下降了25%（匹配上了实验值并验证了HFSS对这类模拟的准确性）。工程师与触摸屏制造商协商部分去除涂层，以确保可靠运行和产品完整性。原型和更新的仿真模型显示效率在66%到70%之间。SurfLink Mobile 无线助听器控制器于2012年秋季上市，并赢得了无数奖项，包括消费电子展（CES）2013 年创新设计与工程奖。

身体网络

Chemring Technology Solutions 的Gekko表面波技术是一种替代无线解决方案，可实现设备之间通过表面进行通信。信号不会通过导线传播，相反，它会在织物表面无线移动，织物表面包含了一种涂有介电涂层的导电材料，可以产生传递无线数据的表面波。表面波技术结合了有线系统的可靠性、安全性和性能，以及无线系统的灵活性。Gekko 克服了传统身体网络解决方案的主要问题之一∶如果不使用中继器或不依赖反射，信号就无法从身体前部传播到后部或四肢周围。 电磁表面波跟随传播表面并为安全和稳健的通信提供通道。

构建有效的解决方案需要对表面波传播有深入的了解。特别是围绕弯曲表面的传播还不是很清楚。HFSS被用于模拟表面波在曲面上的传播，并了解如何改变表面阻抗和波长来控制来自特定弯曲的辐射。例如，该团队通过创建一个直径为 260毫米的半圆柱体 HFSS 模型来接近一个女性成年人的躯干，来评估周围躯干的传播。波端口放置在圆柱体的相对两侧，用作发射和接收传感器。

仿真结果表明，表面波以 23 GHz 和 60 GHz 的频率在圆柱体周围传播，而传统的无线电信号在不使用中继器的情况下无法在身体周围传播。这些模拟用于构建受控环境以在花费构建原型之前测试设计参数的效果并优化设计参数。结果还提供了一种非常直观的方式来告知人们表面波的工作原理，这比原型演示更有效。

77GHz雷达

Chemring 工程师在设计77 GHz频率的雷达系统时，在整个系统（包括 PCB、IC和天线）的设计过程中都使用了HFSS。 在处理较低频率时，工程师通常使用制造商的数据表来提供重要的设计信息，例如介电常数和损耗角正切。 但是数据表测量通常在低得多的频率下进行，因此它们在77 GHz 下并不准确。为了证实这一点，Chemring 工程师构建了一个简单的设备原型并使用HFSS 对其进行模拟。 正如预期的那样，模拟结果与原型测量结果不符，因为材料特性在 77 GHz 下无效。

因此工程师调整介电常数和损耗角正切，直到测量结果在峰值处覆盖了模拟结果。 他们必须考虑到制造出来的走线与完美的设计几何形状不同，在这些频率下，这些差异会产生影响。工程师使用 HFSS 来改变走线的轮廓; 这种形状改进了模拟和测量之间的相关性。 接下来，他们更改了HFSS 中的通用链键合线模型，以匹配实际键合线的几，何形状。同样.他们也看到了相关性的改善。此时，HFSS模型与原型机的性能非常匹配。

图2. 轨道整形对高频性能产生显著的影响

图3. 模拟圆柱体上复杂的电磁场，表明幅度裸露去干的顺势要高的多

（a）覆盖着表面波服装的躯干

（b）裸露的皮肤躯干

Chemring 工程师使用 HFSS模型来评估替代设计方法并优化设计参数，例如天线尺寸迹线几何形状。 然后，他们使用该模型来分析蚀刻过度和蚀刻不足的影响，以确定制造公差有哪些以确保最终产品的性能。其结果是大大提高了成品的性能，并减少了使产品进入市场所需的时间。

在 Chemring Technology Solutions，ANSYS HFSS在大多数涉及无线通信、雷达和高频网络的项目中扮演着关键角色，其中电磁场至关重要。HFSS会自动生成合适、高效且准确的网格来解决问题。 最终结果是，在设计过程的早期阶段，Chemring 工程师可以评估他们想要的尽可能多的替代方案。确定设计方向后，Chemring 工程师将评估设计空间以优化关键设计参数。 最后，他们通常会评估设计对制造变化的敏感性，这样可以节省制造成本并在第一时间就获得正确的设计。

HFSS预测用于雷达系统的具有不同焊线的相同电路

参数模拟显示了蚀刻过度和蚀刻不足的影响，这有助于确定有多少制造变化可以被容忍。

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