Применение HFSS в разработке жизненно важных устройств

Выполненный проект | 04 октября 2021
Поделиться в социальных сетях

Нательная компьютерная сеть — термин, который можно встретить в медицине, обозначающий беспроводную сеть надеваемых компьютерных устройств. Такие устройства могут быть имплантированы в тело человека, прикреплены к поверхности тела в фиксированном положении или совмещены с современными дивайсами, которые люди используют или носят на постоянной основе в карманах, на руке или в сумках.

Нательная компьютерная сеть в основном применяется для непрерывного мониторинга и записи жизненно важных данных о пациентах, страдающих от хронических заболеваний, таких как диабет, астма или сердечные приступы. Устройства с такой сетью могут предупреждать пациента и врачей об опасности до момента, например сердечного приступа. Также, технология позволяет автоматически вводить или напоминать пациентам с диабетом о необходимости введения инсулина. Технология также применяется в профессиональном спорте, военном деле или охране безопасности.

/   Цель проекта

Технология поверхностных волн Gekko от компании Chemring Technology Solutions — это альтернативное беспроводное решение, обеспечивающее связь между устройствами на поверхности тела. Сигнал передается не по проводам, вместо этого он перемещается по поверхности тканей человека, содержащей проводящий материал с диэлектрическим покрытием, который создает поверхностные волны, доставляющие беспроводные данные.

Инновационная технология Gekko позволила решить одну из самых важных и сложных задач: предшествующие технологии были неспособны передавать сигнал от передней части тела к спине или вокруг конечностей человека без использования ретрансляторов или без отражений. Поверхностные электромагнитные волны следуют за поверхностью распространения и обеспечивают канал для безопасной и надежной связи.

/   Реализация проекта

Для того чтобы найти решение первым делом необходимо было понять принцип распространения поверхностных волн. На момент создания технологии распространение волны вокруг криволинейных поверхностей не было хорошо изучено. Для моделирования распространения поверхностных волн вокруг изогнутых поверхностей компания Chemring Technology Solutions использовала Ansys HFSS. Программный продукт позволил понять и сформулировать несколько теорий, как можно изменять поверхностный импеданс и длину волны для управления излучением в зависимости от конкретного изгиба. Команда Chemring Technology оценила распространение электромагнитного поля вокруг туловища человека, создав полуцилиндрическую модель в Ansys HFSS диаметром 260 мм. Волновые порты были размещены на противоположных сторонах цилиндра и использовались в качестве передающих и приемных элементов. Результаты моделирования показали, что поверхностная волна распространяется вокруг цилиндра на частотах 23 ГГц и 60 ГГц, в то время как обычный радиосигнал не может распространяться по телу без использования ретрансляторов. Эти симуляции использовались для создания контролируемой среды, чтобы проверить влияние излучения и оптимизировать параметры конструкции, до того, как перейти к созданию прототипа.

Инженеры Chemring Technology использовали HFSS на протяжении всего процесса проектирования системы, которая включала в себя печатную плату, интегральную схему и антенну. При работе с более низкими частотами инженеры обычно используют спецификации производителя, чтобы предоставить важную информацию о конструкции, такую как диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь. Но измерения в паспорте обычно выполняются на более низких частотах, поэтому они могут быть неточными на частоте 77 ГГц. Чтобы подтвердить это, инженеры Chemring Technology построили простой прототип устройства и использовали Ansys HFSS для его моделирования. Как и ожидалось, моделирование не соответствовало результатам измерения, поскольку свойства материала не действовали на частоте 77 ГГц.

Поэтому инженеры скорректировали диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь до тех пор, пока результаты измерений не сошлись с результатами моделирования. Также специалисты должны были учитывать, что изготовленные дорожки печатной платы отличаются от идеальной геометрии, и на этих частотах эти различия могут оказывать значительное влияние.  Для изменения профиля дорожек опять же применялся Ansys HFSS. Это улучшило корреляцию между моделированием и результатами измерений. Затем Chemring Technology изменили общие модели проводов в электронном прототипе изделия, что снова повлекло за собой улучшения в сходимости. На этом этапе разработанная модель в HFSS полностью соответствовала необходимым характеристикам.

/   Результаты 

Инженеры Chemring Technology использовали Ansys HFSS для оценки альтернативных подходов к проектированию и оптимизации параметров конструкции. Затем они использовали модель для анализа эффектов чрезмерного и недостаточного травления, чтобы определить, какие производственные допуски должны быть достигнуты, чтобы гарантировать рабочие характеристики конечного продукта. Результатом стало существенное улучшение характеристик готового продукта и сокращение времени его вывода на рынок.

Помимо этого проекта Ansys HFSS использовался компанией Chemring Technology Solutions неоднократно. В возможности HFSS входит автоматическое создание сетки, которое так необходимо для решения электродинамических задач. Конечным результатом является то, что инженеры Chemring Technology могут оценивать работу любого изделия еще на этапе проектирования и при необходимости оптимизировать ключевые параметры для еще лучшей работы изделия. Помимо всех технических преимуществ, HFSS экономит деньги на производстве и позволяет получать правильный дизайн устройства с самого первого прототипа.

    Принять участие

    заполните форму прямо сейчас!

    * Обязательные поля для заполнения

    Нажимая кнопку, я даю согласие на обработку моих персональных данных и согласен с политикой конфиденциальности