智能手表的电磁和结构仿真-CATIA建模，天线，信道，手腕SAR，跌落，触屏
原文参考：
Signal Integrity and Electromagnetic Interference Modeling of a Smartwatch WearableDevice using Structural and Electromagnetic Co-design Methodologies. Darryl Kostka and etc. DesignCon 2017.
本期我们介绍智能手表仿真,表带是可重新配置的功能模块，用户可以通过插入能够执行特定任务的表带模块来灵活地添加新功能。这种灵活性必须通过一个统一的通信架构来实现，该架构连接表带模块与表身并相互连接。除了机械连接设计需要实现模块的插入和移除功能，我们还要评估它可能对通信的数据的完整性产生的影响。每个表带模块中的数据通信将由一个单独的控制器芯片控制，将模块中通过比如传感器、天线或外围设备收集的数据，传达给手表CPU。为了在保持高效功耗的同时达到所需的传输速率，我们将使用 LVDS（低压差分信号）发射器和接收器。我们将研究可实现的传输率，并比较不同的渠道架构的性能。
该智能手表还包括多个天线，包括 Wi-Fi、蓝牙(R)、GPS 和GSM/Cellular 实现无线连接。
表身为铝材，表带模组为PC塑料外壳。天线匹配50欧姆，S11<-10dB。由于手表电池有限，天线的性能尤为重要，不仅要保证通信距离，还要功耗最低；最难的还是兼顾外型美观和机械强度要求。对于上述几个无线协议的频率，半波长能够达到100-400mm，所以天线设计小型化是必须的。
另外，设计过程中还要考虑多个使用场景，最典型的就是穿戴状态，手腕和人体离手表是很近的，这些有损材料能够降低天线辐射效率。本案例中，我们用的是均匀的手臂模型。
另一种场景当然是没有穿戴的状态，比如放在桌子上充电。
简单总结一下本案例的天线，这些天线大多可以从antenna magus天线库中设计和自动生成模型，用户也可以拿其他的天线设计文献来建模仿真对比，本案例就是对比之后才选择这个wifi蓝牙天线设计。
wifi和蓝牙在两种情况下S11都满足要求；铝外壳对天线性能有影响，手表电池和触屏占据大量空间，所以天线设计空间有限。所以，本案例使用介质代替部分铝，在侧面为天线开窗：
这一设计使得生产工艺变得更复杂，而且要考虑手表的机械强度是否受到影响，这部分就可以Abaqus上场做仿真分析了：
GPS是圆极化信号，我们希望尽可能多方向的RHCP接收都好。本案例也是对比了两种设计，表身和表带中分别设计GPS天线。表身中的GPS无胳膊时匹配不好，虽可调整匹配来改善，但还是受到极化损耗影响；表带中的GPS模组极化较好，受环境影响小，但目前带宽不足。表带中可用GPS模组，能获得较高保真度。所以，用户可选择使用GPS表带来加强表身GPS信号，比如户外旅游的时候。
GSM天线波长最长，所以用的是表带本身，有胳膊时的辐射效率很低，无胳膊时阻抗匹配的不算好；这里可以先从简单的偶极子开始研究，细节我们就忽略了，结论是简单天线SAR不过关，复杂表带有待改进。
下一个话题是触屏，触屏仿真首先仿的就是手指压力和动作，这些可以用Abaqus来仿，比如冯米塞斯压力：
这些时变的形变数据可以给回CST用来做静电仿真，获得电容随手指滑动的曲线。关于触屏的场路结合话题我们以后有机会再写。
另一个话题是跌落仿真与连接处的压力仿真，这些都可以通过Abaqus来分析。
还是回到电磁，开头提到过表带和表身之间是要传输信息的，这就可以用到CST做信道设计了。把PCB这些导入，然后分析时域频域结果，比如S参数，TDR，眼图等等，这些PCB导入、加端口、时域频域仿真我们都发过培训视频。
也可以加上IBIS眼图分析，本案例能够达到1.5Gbit/s；当然在不同的模组工作状态下，传输线的端接状态不同，速率可能会降。
最后一个话题，射频干扰RFI。整个手表系统中有射频天线、数字信号，IC时钟等等多个电磁源，所以分析这些模块之间的干扰和隔离也是很重要。
得到耦合矩阵后，就可以使用CST的interference task了。明确每个系统的收发指标，也可从RFI拓展包里直接调用：
最后得到耦合干扰违规矩阵：
观察问题频率的电流流向：
小结：
本案例介绍了一种智能手表的电磁和结构设计流程，用到CST和Abaqus。也可以用CATIA建模，下面的视频展示更多流程细节。
