Page 42 - MWJC_SepOct2017_eMag
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TechnicalFeature 技术特写
0
330 5 30
0
–5
5.0
5.0 0 –5.0 300 –10 60
–15
0
–20
Total Gain (dBi) –10.0 Total Gain (dBi) –10.0 270 90
–5.0
–25
–15.0
–15.0
–20.0
–20.0
–25.0
–25.0
–30.0
–35.0
–35.0 –30.0 240 120
–40.0 –40.0
210 150
(a) (b) (c) 180
图7：右手腕带智能手表的人体模型的3D辐射增益方向图，在2.45 GHz工作频率，（a）顶部视图、（b）侧面视图和（c）= 90°切面的远
场增益方向图。 前瞻思维
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的需要。 Slim Reach Xtend的数据表单 能量将位于穿戴者的周围，这也正是后 整体覆盖范围将达到一个典型的单收发
显示达到规格说明所要求的性能配置。 面仿真结果所显示的。图5b显示的是在 器的设计要求。
通过芯片天线与评估板（可购买：EB_ φ = 90°切面的辐射增益方向图，零值位
FR05-S1-N-0-104）的集成，可以对比测 于θ = 90°和θ = 180°方向。绕手臂方向 结论
量和仿真的天线性能，提供可适用于任 是全向辐射，如图5c所示。 对穿戴式智能设备的天线设计面临 向您推荐 RO4730G3™ 94 V-0层压板：
意智能设备设计中的验证模型。 芯片天线集成进智能手表后，其 一系列新的挑战，如小环境和有耗人体
通过对Fractus芯片天线的近距离特 阻抗特性发生改变（图6a）。芯片天线 组织等。芯片天线为解决这些问题提供 助力未来的无线PCB天线
写，芯片天线的走线(traces)和评估板的 模型的谐振频率为2.6 GHz，带宽为161 了有效的方法，必须在最初的电路设计
几何结构采用卡尺进行测量，并输入 MHz。嵌入到周围是电介质材料的结 里来解决。放置位置和整个系统的兼容 罗杰斯RO4730G3™ 线路板材料专为下一代无线PCB天线而
FEKO的三维建模器CADFEKO中。通过 构中后，由于周围电介质的相对介电常 性以及人体的影响都必须考虑。为了解 开发，包括4G和5G的蜂窝通信基站和物联网。
这些信息便能建立Fractus芯片在评估板 数变高，其谐振频率降低，从2.6 GHz 决这些问题，有必要建立一个有效的芯
上的FEM模型。图1是Fractus芯片的图片 降到2.35 GHz，带宽从161 MHz展宽到 片天线模型，该模型可以集成到其它设
和它的3D FEM模型。采用FEKO的FEM 175 MHz。注意到谐振频率降到需要的 备中，并具有较高的置信度。正如文中 RO4730G3层压板是低插损、优成本的线路板材料, 兼容无
求解器计算得到其电流、阻抗和辐射增 蓝牙（2.4 GHz到2.5 GHz）波段以下。 所示，使用FEKO的多种方法能非常精确
益方向图。图2是评估板上Fractus芯片附 因此在最终的设计中必须添加匹配网络 地解决复杂结构体的问题。这个有效模 铅工艺且阻燃。凭借卓越的PIM特性、优秀的尺寸稳定
近的辐射增益方向图。分析结果显示评 使其移动到蓝牙波段，这不难解决（图 型的结果可以用于设计未来的应用，并 性、以及可多层加工的特性，可广泛用于宽带天线设计。
估板可等效为一个沿y轴放置的偶极子天 6b）。在天线和收发器之间放置一个π形 且有信心得到令人满意真实的结果。■
线，零深在y轴正负方向。 网络总是很好的做法。在该案例中，通
参考文献
评估板测量和仿真的|S 11 |曲线（图 过一个并联电感加串联电感将使天线调 1. Mark Weiser, “Ubiquitous Computing,” Computer, Issue 依靠已在罗杰斯RO4000 热固性树脂/陶瓷/玻纤布材料中
3）在10dB带宽内吻合性很好，在可接受 谐到蓝牙波段，同时保证工作带宽。 26, No. 10 (1993), pp. 71–72.
2. Robin Wright and Latrina Keith, “Wearable Technology: If 材料 Dk PIM*
的参数取值范围内，谐振频点基本相同。 the Tech Fits, Wear It,” Journal of Electronic Resources in 获得肯定的技术，罗杰斯的天线级产品已经在基站上得到
因此，芯片天线模型和实际评估板之间极 人体模型 Medical Libraries, 11:4 2014, pp. 204–216. RO4730G3 3.0 <-160 dBc
3. Lindsey M. Baumann, “The Story of Wearable Technology: 广泛应用，RO4730G3 94 V-0材料使该产品系列再次得到 陶瓷碳氢化合物
强的相关性，验证了在测试板上芯片天线 天线设计流程的最后一步便是把智 A Framing Analysis,” MA Thesis, Virginia Polytechnic
模型的有效性。这是建模和验证模型的第 能手表集成到完整的人体模型来观察手表 Institute and State University, Blacksburg, Va., 2016. 扩展。 RO4700JXR™ 系列
4. Thad Starner and Tom Martin, “Wearable Computing: The 2.55 to 3.0 <-160 dBc
一步尝试，无需其它确认步骤。 靠近人体的辐射情况变化。由于模型尺 New Dress Code,” Computer, Issue No. 06 June 2015 (Vol. 陶瓷碳氢化合物
寸过大，使用FEM求解器计算所需资源 48), pp. 12–15. RO4500™ 系列 3.3 to 3.5 <-157 dBc
智能手表的集成 过高。因此，使用源分解法将问题分成两 5. Kent Lyons, “What Can a Dumb Watch Teach a Smartwatch? 面向未来天线的PCB解决方案--- 陶瓷碳氢化合物
Informing the Design of Smartwatches,” Proceedings of the
在智能手表中集成芯片天线和馈电 步：第一步是计算智能手表芯片天线得到 2015 ACM International Symposium on Wearable Computers, RO4730G3材料 AD 系列™ 2.5 to 3.2 <-157 dBc
PTFE
pp. 3–10, 2015.
网络（图4）。原本复杂的芯片天线和评 其等效源，第二步是把手表芯片天线等效 6. Sema Dumanli, “Challenges of Wearable Antenna Design,” * 测试基于60mil（1.524mm）板材
估板的电介质结构在添加了橡胶腕带和 源集成到人体模型。运行智能手表的FEM presented at ARMMS Conference, Oxford, UK, 2015.
ABS塑胶电子外壳后更加复杂。同样， 模型可以得到一个等效的近场数据，然后 7. Marios Iliopoulos and Nikolaos Terzopoulos, “Wearable
Miniaturization: Dialog’s DA14580 Bluetooth® Smart Controller
我们选择FEKO的FEM求解器进行模 再使用FEKO中的MLFMM求解器仿真人 and Bosch Sensors,” Dialog Semiconductor, 7 March 2016. 下载PIM与
拟。建立完整的智能手表的FEM模型计 体模型。该步能在不降低精度的情况下极 8. Johanson Technology Inc., “LTCC Chip Antennas—How to PCB天线手册
Maximize Performance.” [PDF document].
算得到输入端口阻抗、电流和3D辐射增 大降低内存和时间需求。 9. Research and Markets, “Global Chip Antenna Market
Outlook 2020,” December 2015.
益方向图。图5a显示模拟内部嵌入芯片 图7a和b是考虑人体模型的3D辐射 10. Maria del Rosario Llenas, “Study of Antenna Concept for
天线的智能手表，带ABS塑胶电子外壳 增益方向图。如我们所预想，人体模型 Wearable Devices,” Degree Project in Second Level, KTH
Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2015.
和腕带结构的3D辐射增益方向图。沿着 使得向左手边的辐射被阻隔，而指向智 11. Akram Alomainy, Yang Hao and David M. Davenport,
手表模型的y轴方向为零，沿着母板的长 能手表的一侧。由于手臂在正常活动中 “Parametric Study of Wearable Antennas with Varying
Distances from the Body and Different On-Body Positions,”
轴方向保持偶极子天线的方向图特征。 并非静止，在智能手表和其它接收器间 Antennas and Propagation for Body-Centric Wireless 美国-亚利桑那， 电话：+1 480-961-1382
增益方向图为零的位置刚好位于期望的 要保持连接状态。在人体的前向、后向 Communications, 2007 IET Seminar, pp. 84–89, IET, 2007.
12. FEKO Suite 14.0, Altair Engineering, Inc., www. 欧洲-比利时，电话：+32 9 235 3611
位置：当戴手表的手垂下时，辐射增益 和右手侧得到性能优良的辐射增益方向 altairhyperworks.com/product/FEKO.
方向图的零值位置直接朝地面方向和天 图。图7c是人体周边水平切面的天线辐 13. Fractus, “Fractus Slim Reach Xtend: Bluetooth, Zigbee, 亚洲-中国，电话：+86 21 6217 5599
802.11 b/g/n WLAN Chip Antenna.” Jul-2015.
空方向（最低点和最高点）。大部分的 射增益方向图。增益的峰值小于5dBi， 14. VSTAR Systems Inc., vstarsystems.com. www.rogerscorp.com
40 Microwave Journal China 微波杂志 Sep/Oct 2017
