L'interesse in dispositivi wireless che possano essere indossati è cresciuto negli ultimi anni per via delle attuali e potenziali applicazioni future in ambito biomedicale, sportivo, di sicurezza, intrattenimento e molto altro ancora. Per esempio, il dipartimento della difesa americano sta lavorando su un dispositivo wireless che possa essere indossato dai soldati per consentire ai medici di misurare i segni vitali e raccogliere altre informazioni cliniche, mentre altri vengono già impiegati dagli atleti per monitorare le loro performance. Indipendentemente dall'applicazione, usare un dispositivo wireless in prossimità del corpo umano dà luogo a una serie di problemi in fase di progettazione: la potenza irradiata dal dispositivo deve essere tenuta sotto livelli provocare dannosi per la salute; il consumo energetico, la dimensione, il rapporto di forma e peso del dispositivo devono essere minimizzati al fine di renderlo adatto ad essere indossato. Infine il dispositivo deve essere progettato per offrire un livello di potenza di segnale sufficiente, indirizzato nella giusta direzione per consentire una buona ricezione dal parte del dispositivo target, tenendo in considerazione anche il fatto che il corpo umano assorbirà buona parte dell'energia.
Modellare il sistema
Synapse Product Development risolve queste difficoltà di progettazione che spaziano dal concept fino alla produzione per aziende che operano nel settore dell'elettronica di consumo. Una delle specializzazioni della società è lo sviluppo di dispositivi wireless per diverse applicazioni. Il progetto dell'antenna rappresenta spesso uno degli aspetti più critici di tali dispositivi perché il corpo assorbirà buona parte dell'energia emessa. Synapse si avvale del simulatore elettromagnetico 3D Ansys HFSS e del modello del corpo umano fornito da Ansys per valutare le prestazioni di diverse antenne modellando l'intero sistema: il dispositivo wireless, l'antenna e le rispettive interazioni con il corpo umano. La capacità di valutare diversi progetti senza dover fisicamente realizzare prototipi aiuta gli ingegneri di Synapse a migliorare le performance dell'antenna di un fattore 5 rispetto al disegno originale non ottimizzato. Il progetto dell'antenna si focalizza sul trasferimento di potenza tra l'antenna trasmittente e la ricevente. Un'antenna a dipolo è un riferimento largamente usato per misurare le prestazioni e ha la perfetta geometria per ottimizzare il trasferimento di potenza dell'antenna. Per un dispositivo a 2,45 Ghz in cui l'antenna è realizzata con un circuito stampato FR4, la lunghezza d'onda è di 60 mm, quindi la lunghezza totale del dipolo sarà di 30 mm. Questa dimensione è troppo grande per la maggior parte dei dispositivi da indossare. Di conseguenza, l'obiettivo degli ingegneri è quello di progettare un'antenna più piccola ma con prestazioni simili al dipolo, provando per esempio ad adattare la resistenza di radiazione dell'antenna al carico ottimale del transceiver. La resistenza di radiazione è quella parte della resistenza di ingresso dell'antenna causata dalla radiazione di onde elettromagnetiche dall'antenna stessa. La complessità della geometria dell'antenna richiesta per dispositivi wireless da indossare rende difficile creare un disegno accettabile in tempi ragionevoli usando la tradizionale metodologia build-and-test. Affrontando queste e altre problematiche, gli ingegneri di Synapse hanno valutato diversi strumenti di simulazione. Ansys fornisce una soluzione per praticamente tutti i loro problemi, comprese simulazioni circuitali, elettromagnetiche, meccaniche e termiche. Il software di Ansys abilita il trasferimento automatico dei dati per ottimizzare simultaneamente il prodotto in più ambiti e domini. Il management di Synapse ha valutato che utilizzando un'unica piattaforma e acquistando tutti questi strumenti di simulazione da un singolo vendor, l'azienda avrebbe avuto diversi benefici tra cui un'unica interfaccia per il supporto tecnico.
Il processo di progettazione
Il processo di progettazione tipicamente comincia con il progettista che fornisce un'idea concettuale che integra elettronica e antenna. Gli ingegneri elettrici di Synapse quindi utilizzano Ansys HFSS per ottimizzare il progetto dell'antenna. L'ingegnere inizia il processo di modellazione importando la geometria tramite file Sat. Lo step successivo consiste nel definire le proprietà elettriche del materiale, come ad esempio permittività, perdite dielettriche e magnetiche e conducibilità. L'ottimizzazione delle performance richiede un'attenzione particolare per quanto concerne il modo in cui il corpo umano interferisce con le prestazioni dell'antenna, e implica una simulazione di sistema. Il modello di corpo umano fornito da Ansys permette agli utenti di impostare proprietà dielettriche per le differenti parti del corpo umano. Tipicamente gli ingegneri di Synapse variano lo spessore della pelle da 0,4 a 2,6 mm e assegnano ad essa una costante dielettrica di 38. Lo spessore della massa grassa è deciso per tener conto di tutti gli effetti di adattamento, tipicamente a metà della lunghezza d'onda e con una costante dielettrica di 5,3. I muscoli servono come terminazione e vengono modellati con uno spessore di 20 mm e una costante dielettrica di 53. HFSS calcola il comportamento dei campi sulle interfacce tra oggetti e definisce in maniera del tutto automatica una mesh geometrica tetraedrica e conforme. Il processo di rifinimento autoadattativo infittisce la mesh nelle regioni in cui il campo necessita di essere migliorato. Il software calcola il completo diagramma di radiazione dentro il dominio di risoluzione. Lo step successivo è il calcolo dei parametri di scattering generalizzati dai campi calcolati nel volume di soluzione. La matrice a parametri S risultante permette di visualizzare i parametri di trasmissione e di riflessione, convertendo il modello elettromagnetico completo a un equivalente elettrico. La soluzione HFSS permette di mostrare la potenza assorbita dal corpo umano e il guadagno dell'antenna 3D, includendo nel report entrambi i plot con il modello del corpo umano e l'aria circostante. Nel caso tipico, i risultati di simulazione mostrano che le aree del corpo vicine all'antenna assorbono più potenza. Nel caso di un dispositivo incorporato nella scarpa, per esempio, il risultato identificherà la quantità di potenza assorbita dal terreno stesso che talvolta può essere ben maggiore della potenza assorbita dal piede. Basandosi su questi risultati, gli ingegneri elettrici forniscono riscontri al designer industriale e ai sistemisti, con informazioni circa la geometria dell'antenna tra cui anche il suo posizionamento ottimale e la distanza dal corpo umano che dovrebbe essere garantita dal dispositivo.
Incrementare il range dell'antenna
riducendo il tempo di sviluppo
Le informazioni sulle prestazioni dell'antenna fornite dalla simulazione giocano un ruolo importante nel progetto di sistema del prodotto finale. I risultati del guadagno dell'antenna sono critici nelle analisi correlate, le quali determinano range e throughput. Il guadagno di antenna aiuta anche a determinare quanta potenza trasmessa è richiesta, e quindi impatta sulla durata della batteria. In un caso tipico nel quale è indossato più di un dispositivo, le antenne sono ottimizzate simultaneamente per allineare il guadagno d'antenna e minimizzare il consumo di batteria. In aggiunta, la simulazione è usata per rendere l'antenna più piccola e raggiungere i requisiti industriali e gli obiettivi meccanici ottenendo comunque le prestazioni desiderate. Quando si riduce la dimensione dell'antenna, questa lavora su una banda più stretta di frequenze: la simulazione predice non solo le prestazioni in banda ma anche fuori banda, e aiuta ad evitare radiazioni emesse su frequenze che interferirebbero con altri dispositivi. Aiutati dalla simulazione, gli ingegneri elettrici tipicamente possono aumentare il range del dispositivo di un fattore 5 rispetto all'idea originale, risparmiando mediamente 3 mesi nella progettazione: un risultato notevole considerando che il ciclo di sviluppo tradizionale si aggira sui 12 mesi.
