智能手表的仿真设计与优化

现代高科技电子产品的产品周期非常短，在较短的设计周期中满足设计要求是很具挑战性。比如智能手表这样的高科技产品必须具备：稳定的通讯性能、独特的用户体验、符合法规，以及可靠产品以满足保修期限。

仿真在测试不同的设计方案中起着基础性的作用，并迅速缩小最终设计的范围，本文讲述如何使用DS SIMULIA的Abaqus和CST产品模拟仿真帮助满足这些设计挑战。

01—连通性能

智能手表的天线设计尤其具有挑战性，因为它们不可视觉直接查看性能。天线的设计要求在有限的空间内具备高效和匹配电力，与其他电子产品/系统协调为不同的使用场景和环境提供服务，且需遵守安全标准。一款天线需为许多不同的通信和导航协议提供支持，比如WiFi（2.401-2.495 GHz）、蓝牙（2.4——2.485 GHz）、全球定位系统GPS（1.563-1.587 GHz）、GSM/蜂窝（880-960 MHz）。

所有天线的连通性设计都有着共同的挑战：在有限的狭小空间内综合考虑天线和其他部件的材料性能，以及佩戴在手臂上时的天线性能，及其辐射功率。

• Wi-Fi和蓝牙

单个天线可以满足蓝牙和WiFi协议的连接要求，因为它们的频率带在很大程度上是重叠的，但任何设计都需要Plan B，在此比较两种设计方案:一种宽带转换型平面天线，另一是更简单的窄带Inverted-F天线。

集成天线的一个关键解决方案是将聚碳酸酯“Windows”放置在手表体的侧面，使天线能够从手表发射能量信号。

当天线与其他组件和手臂放置一起时，其频率将受影响，天线自身的频率过高，但在手表中的频率会下降，当在手臂上时，符合-10dB匹配规范。

• GPS

天线具备GPS功能还有更高挑战，要求天线能够有效地接收信号，天线的接收角度必须尽可能地大。

表带模块化特性能够集成两种可能的解决方案：一是在手表外壳中集成，另一是高保真的天线集成在坚固的表带模块中。第一种不具备良好的性能，而第二种可以单独设计，具有更高的效率，良好的极化性能，更好的隔离手表和佩戴者，使其更具灵敏性。

• GSM天线

在智能手表中集成GSM功能并不常见，主要是因为可用的空间有限。在900 MHz的GSM波段中，自由空间的半波长约为170毫米，这意味着天线不能很容易地集成到手表外壳中。

模块化的表带给了我们一个新的设计的机会——将模块所包含的地平面连接起来形成一个分布式偶极。

但手表与手臂的距离很近，这意味着天线也会辐射到手臂上。必须注意特定的吸收率（一种可以预期的电磁场的加热效应的测量方法）不能够超过法规限度。欧洲的肢体标准适用是天线低于4 w/kg。

02—可靠性能

每个表带模块所共有的接地平面实际上是PCB的一部分，每个模块都必须允许模块上的组件与位于主表主体中的CPU进行通信，这就需要确保模块能够以足够的速度与CPU进行通信。

03—力学性能

• 跌落分析

分析智能手表从3英尺高的高度跌落到坚硬的地板上，并监测塑料压力。由铝制成的手表冲击地面时，会产生塑性变形，冲击力使其发生裂纹。

• 触摸电容分析

压力敏感的触摸屏为人类与设备的互动提供了另一维度，并开始成为一种潮流，厚度为0.5毫米的触摸屏压力转移到底层电极上。触摸电容的改变，用于监测压力变化，首先用Abaqus计算电极的变形，然后在DS SIMULIA CST中计算出相应的接触电容。下图中显示的是当手指滑过屏幕时，电极的触摸电容的变化。

04—总结和讨论

SIMULIA  Abaqus和CST仿真模拟帮助解决设计难题：评估选择不同的设计天线，确保GSM天线的兼容，确保可靠的数据传输和分析频率下降的原因，分析压力敏感电容的传感性能。

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