應用於智能手錶的天線設計方法
應用於智能手錶的天線設計方法
Antenna Design Methodologyfor Smartwatch Applications
作者：Phil Lindsey, ARSI LLC, Atlanta, Kan.；C. J. Reddy, Altair Engineering Inc., Hampton, Va.
譯者：焦金龍，Altair China
90年代初，美國施樂（Xerox）公司的Mark Weiser提出了普適計算的概念，即計算機在我們的日常生活中無所不在、隨時隨地可以進行運算。「最好的用戶界面」，Weiser指出，「應當讓用戶注意不到它的存在。」他預測無線網路的將來，各種設備相連，使得人們能隨時隨地獲取需要的信息。Weiser認為1，「從長遠來看，因為計算訪問將無處不在：如嵌在牆裡，戴在手腕上或者在「報廢的計算機」（如廢紙），隨時需要隨時使用，個人電腦和工作站將變得幾乎過時。」
如今因技術的發展我們的生活正朝著Weiser的預測發展。智能設備，尤其是可穿戴式設備，如智能手錶，改善了我們生活里從工作到娛樂的各個方面，尤其在健康和健身方面。可穿戴設備可以監測心率、皮膚表面溫度、運動距離甚至食物攝入和睡眠狀況。如今，大部分健身裝備已經可以像手錶一樣穿戴，甚至有些還兼備手錶的功能。2
懷錶發明於1762年3。雖然是個巨大的革新，讓非精英的普通人也能方便地知道時間，卻也有它的缺點。例如當使用者雙手被佔用時，那通過懷錶看時間就很麻煩。因此，一戰期間，腕錶被發明並廣泛傳播於英國士兵間，並開始迅速成為世界上最普遍的穿戴設備。4這些都讓它成為了增強計算能力的有力候選者。1975年首次出現了帶計算器功能的手錶，隨後在20世紀80年代出現了手腕PC機，一種內置遊戲的手錶。3後來的智能手錶只是增強了它們的功能。2000年見證了服裝公司與數字技術公司的第一次合作，像Nike和Apple聯合創造了可植入鞋內的健身追蹤器，且能和iPod協同工作。這個Nike+工具可以幫跑步者記錄運動的時間、距離、步伐和卡路里消耗。8年後又出現了FitbitClassic。健身追蹤器在此之後得到蓬勃發展。3根據移動通訊的分析，可穿戴設備的市場將在2020年達到342億美元。健身追蹤器的出貨量預計將超過6千萬台，在未來一年左右，智能手錶預計將超過3千萬台。3計算訪問確實無處不在。
晶元天線
普適計算使得良好的天線設計成為必要。智能設備的天線必須體積小，靈活適應於小的預定環境。一些研究表明智能手錶的笨重已經降低了其受歡迎程度5。為了方便使用，這些設備要能夠長時間運行且無需用戶改變他們的活動習慣去適應設備。因此，天線必須能夠應對運動和人體近場產生的效應。電池的壽命要足夠長，以滿足客戶的要求。這是一個良好的天線設計應該具備的，因為智能設備的大部分能量消耗在射頻傳輸上。最後，整體設備應滿足用戶的價格期望和美國聯邦通訊委員會（FCC）的安全認證6。
晶元天線是滿足上述設計所面臨挑戰的一種解決方案。它體積小，易於集成在小型智能設備中且方便調整。7和其它選擇相比，基於螺旋、彎折或貼片天線設計的晶元天線，價格便宜而且高效。8由於成本效益高、體積小和機械可行性的優勢，分析師預測晶元天線從2016年到2020年的全球市場將以10%的年複合增長率（CAGR）增長。越來越多的設備趨於採用無線連接，智能設備的繁榮也刺激了各晶元廠商的競爭，包括Vishay Intertechnology、AntenovaLtd.、Johanson Technology、Mitsubishi Materials和Fractus。9
與所有產品的研發一樣，採用晶元天線的設計提出了在初始電路設計中必須要考慮的挑戰。回顧在小型設備開發中遇到的挑戰：天線尺寸越小，越難實現良好的阻抗匹配和寬的工作帶寬。10因此，其性能依賴於天線的位置和尺寸。7另外，數據表列出的是板上晶元的功能信息，任何與母板相關的參量變化都會改變天線的方向圖和阻抗。因此任何晶元天線的整體性能總是依賴於整個系統。它必須能與母板的尺寸和布局、電路的複雜度以及外殼的類型相一致8，且不對設備中的感測器產生任何負面影響。最後，對人體而言，不同身體組織的相對介電常數的巨大差異會引起遮擋和阻抗的改變11，人體組織損耗大，因此來自天線的電磁能量在人體中很難傳播或輻射到空間，反而大部分會被吸收。10後果便是大部分能量被吸收，輻射方向圖的失真和天線失諧。11而且損耗會阻塞與其它設備的連接或降低天線的有效作用範圍。
為應對天線設計所面臨的挑戰，一個系統的設計方法如下：
·選擇一個帶評估母板的晶元天線
·單獨對晶元天線進行建模
·對晶元天線和母板進行建模
·測試帶母板的晶元天線
·用測試數據校驗天線模型
·對智能設備里的晶元天線進行建模
·對貼近人體模型的設備進行建模
這個方法提供了有效的起始設計，且消除了很多的未知因素。遵照這個方法，可以放心地解決安裝問題。
在本文中，我們採用了一款商用電磁模擬工具FEKO12和其多樣的全波求解器來對天線（包括智能設備的包裝和外殼）進行建模。其有限元法（FEM）能完美解決天線附近包含複雜的多種電介質材料組合體的問題。通過使用FEM求解器，可以改變接地層以適應整個智能設備並使之正常工作。模擬中考慮人體模型產生的能量吸收、輻射圖失真和天線失諧等需要解決的問題。由於添加整個人體模型後的複雜計算，我們採用FEKO中的源分解法，即在設備附近用FEM計算近場，再應用這部分數據，使用矩量法（MOM）或多層快速多極子法（MLFMM）來對整個人體模型進行模擬。
晶元天線建模
對於智能手錶的設計，我們選擇Fractus Slim Reach Xtend晶元天線(FR05-S1-N-0-104)。該晶元天線已被設計用於在2.4GHz藍牙波段工作的無線應用。Slim Reach Xtend提供的晶元天線具有體積小、成本低和易於設計的優勢，避免了對不同諧振頻率天線測試的需要。13Slim Reach Xtend的數據表單顯示達到規格說明所要求的性能配置。通過晶元天線與評估板（可購買：EB_FR05-S1-N-0-104）的集成，可以對比測量和模擬的天線性能，提供可適用於任意智能設備設計中的驗證模型。
通過對Fractus晶元天線的近距離特寫，晶元天線的走線(traces)和評估板的幾何結構採用卡尺進行測量，並輸入FEKO的三維建模器CADFEKO中。通過這些信息便能建立Fractus晶元在評估板上的FEM模型。圖1是Fractus晶元的圖片和它的3D FEM模型。採用FEKO的FEM求解器計算得到其電流、阻抗和輻射增益方向圖。圖2是評估板上Fractus晶元附近的輻射增益方向圖。分析結果顯示評估板可等效為一個沿y軸放置的偶極子天線，零深在y軸正負方向。
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