多媒體設(shè)備天線CST仿真解決方案
達(dá)索系統(tǒng)旗下SIMULIA品牌的CST軟件，其核心產(chǎn)品是CST工作室套裝（CST STUDIO SUITE），用于求解各類(lèi)電磁場(chǎng)問(wèn)題，以及電磁和電路、熱、結(jié)構(gòu)應(yīng)力的多學(xué)科耦合問(wèn)題。
除了CST2018工作室套裝外，還有例如AntennaMagus，Optenni Lab等軟件，都是解決天線射頻應(yīng)用領(lǐng)域問(wèn)題的重要工具。
Antenna Magus是一款專(zhuān)業(yè)的天線設(shè)計(jì)綜合軟件，里面包含超過(guò)300種天線類(lèi)型，并在持續(xù)的增加。它可以根據(jù)客戶需求，快速搜索合適的天線類(lèi)型，然后根據(jù)輸入的天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)和空間要求，快速給出符合要求的天線設(shè)計(jì)，并進(jìn)行天線性能的預(yù)估，最后導(dǎo)出全參數(shù)化的cst仿真文件，在CST中進(jìn)行精確仿真和優(yōu)化。
Optenni Lab - 是一款具有創(chuàng)新分析功能的專(zhuān)業(yè)軟件工具，提供快速的全自動(dòng)匹配電路優(yōu)化工具，包括自動(dòng)生成多種最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，估算可獲得的天線帶寬以及計(jì)算多天線系統(tǒng)中最壞情況下的隔離。借助這些工具，天線設(shè)計(jì)師可以快速評(píng)估各種天線設(shè)計(jì)和概念，包括多端口天線和可調(diào)匹配電路。
本期如上面的餅狀圖顯示，CST有五個(gè)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，這一期中我們首先來(lái)介紹天線射頻領(lǐng)域的應(yīng)用案例。我們以一款多媒體設(shè)備的天線設(shè)計(jì)流程，來(lái)介紹如何利用CST工作室套裝和AntennaMagus以及OptenniLab工具來(lái)完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型上的天線設(shè)計(jì)。
這里我們要做的就是要給如下圖這樣一臺(tái)智能投影儀設(shè)計(jì)天線。
這款便攜投影儀比iphone8手機(jī)稍大，但比平板電腦小，時(shí)尚又?jǐn)y帶方便?？梢酝ㄟ^(guò)WIFI鏈接到路由器和互聯(lián)網(wǎng)也可以和手機(jī)的藍(lán)牙進(jìn)行鏈接等。
我們來(lái)看一下一個(gè)完整的工作流程是包含哪些部分，CST的工作室套裝和Antenna Magus、 Optenni Lab等工具是如何幫助天線設(shè)計(jì)師去快速準(zhǔn)確的評(píng)估產(chǎn)品的天線性能的。
step1 CAD模型導(dǎo)入，確定天線放置的位置
首先我們來(lái)看一下CAD導(dǎo)入的結(jié)構(gòu)，如下圖所示：
我們導(dǎo)入的是完整的結(jié)構(gòu)，彎曲的尺寸是324mm*190mm。其中包含一個(gè)投影模塊、兩塊電池、揚(yáng)聲器系統(tǒng)，中間還有電路板主體。整個(gè)框架是金屬結(jié)構(gòu)，具有一定的結(jié)構(gòu)剛性。金屬框架的產(chǎn)品在它的設(shè)計(jì)過(guò)程中由于各種各樣的原因（加工、工藝、結(jié)構(gòu)、重量、成本等）一直在改變優(yōu)化。
在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)迭代的過(guò)程中，從v0沒(méi)有可放置天線的空間的原始模型，到便于V1階段CNC加工的結(jié)構(gòu)或者是V2 便于鑄造的框架設(shè)計(jì)。每個(gè)階段產(chǎn)品經(jīng)理都會(huì)要求天線工程師來(lái)進(jìn)行天線的評(píng)估。下面我們以V2框架結(jié)構(gòu)來(lái)展示如何進(jìn)行天線快速設(shè)計(jì)
step2 用Antenna Magus工具選擇最佳的天線
我們可以用供應(yīng)商直接提供的成品天線，但是這在不斷改變的金屬框架結(jié)構(gòu)下，成品天線設(shè)計(jì)的靈活性肯定不如自己設(shè)計(jì)的天線。
在本例中，整個(gè)產(chǎn)品布局不算特別緊湊的使用場(chǎng)景下，Antenna Magus完全可以快速給出合適的設(shè)計(jì)方案。
我們打開(kāi)Antenna Magus選擇需要設(shè)計(jì)的天線頻段，如下圖所示：
同時(shí)限制天線的輻射為全向輻射，并限制天線的尺寸結(jié)構(gòu)，如下圖所示：
這樣就能快速得到一批候選天線。這里軟件從300多種天線中精選了6種滿足要求的天線給用戶備選。
step3 評(píng)估天線安裝后的性能，并選擇合適的放置位置
這里我們選用了Antenna Magus庫(kù)中的天線，并在天線模型中設(shè)置Anchor point，如下圖所示：
同樣我們?cè)谡麢C(jī)的CAD模型相應(yīng)的位置也設(shè)置被安裝的位置，如下圖所示:
Anchor Point的選擇方法是在模型中先設(shè)置局部坐標(biāo)系，并在導(dǎo)航欄中選擇將局部坐標(biāo)系存為安裝點(diǎn)，如下圖所示：
在安裝完成后，我們可以看一下網(wǎng)格設(shè)置部分。由于CST獨(dú)家的PBA和TST網(wǎng)格技術(shù)。在本例中，僅在天線部分具有較密集的網(wǎng)格。完整的結(jié)構(gòu)模型都可以被網(wǎng)格很好的描述。
PBA網(wǎng)格在一個(gè)網(wǎng)格中可以解析多種材料，而無(wú)需單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化。所以本例中網(wǎng)格數(shù)量約70萬(wàn)。這種規(guī)模的網(wǎng)格在個(gè)人筆記本電腦上只要十幾分鐘就能完成仿真。
Optenni Lab多端口天線匹配
在對(duì)上述模型的兩個(gè)天線進(jìn)行仿真后發(fā)現(xiàn)天線的S參數(shù)不夠理想，如下圖所示：
這時(shí)候利用CST的Optenni Lab多端口匹配工具，如下圖所示：
點(diǎn)擊Launch Optenni Lab后，軟件自動(dòng)將原來(lái)的S參數(shù)導(dǎo)入到Optenni Lab中，如下圖所示:
在匹配完成后，右鍵自動(dòng)導(dǎo)回CST設(shè)計(jì)工作室，并自動(dòng)鏈接到匹配電路，如下圖所示：
此時(shí)不需要再仿真3D模型，只要電路級(jí)的仿真，很快可以得到匹配后的S參數(shù)結(jié)果，如下圖所示：
Optenni Lab和CST是在內(nèi)部鏈接的方案，可以方便快捷的將匹配前后的結(jié)果進(jìn)行互導(dǎo)，還能對(duì)匹配目前在CST中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Optenni Lab的匹配庫(kù)可以直接用廠家的Spice模型，保證結(jié)果更加準(zhǔn)確。
在完成了匹配后，兩個(gè)天線的場(chǎng)分布如下圖所示：
天線的遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)果如下圖所示：
并且能合成兩個(gè)天線總共的覆蓋方向圖（Total Scan）結(jié)果如下圖所示：
Step 4 選擇不同的安裝位置，比較總的天線覆蓋的范圍
如之前一樣的方法，我們需要對(duì)整個(gè)框架下各個(gè)可能放置天線的位置進(jìn)行合理的評(píng)估。通過(guò)仿真給出的天線效率、方向圖覆蓋、隔離度等指標(biāo)給出支撐數(shù)據(jù)。這里我們通過(guò)CST的SAM流程將每一組裝備方式作為一組仿真結(jié)果，如下圖所示：
step5 小結(jié) 通過(guò)比較對(duì)比，選出一種最佳的結(jié)果輸出。
本例給出了一整套完整的天線設(shè)計(jì)優(yōu)化解決方案。通過(guò)采用AntennaMagus的高效天線設(shè)計(jì)；采用Optenni Lab進(jìn)行多端口天線匹配；CST STUDIO SUITE中的高效工作流程設(shè)置；使用時(shí)域求解器和PBA六面體網(wǎng)格進(jìn)行高效仿真。這一整套完善的解決方案，非常適合在一些智能設(shè)備中應(yīng)用。
