至关重要的连接:在我们的智能扬声器设计项目中优化天线性能

向无线连接的转变是现代消费电子产品的决定性趋势之一。对于设计团队来说，这是一个巨大的挑战。对紧凑、功能丰富的产品日益增长的需求意味着印刷电路板(PCB)上的空间非常昂贵。由于相邻组件可能会降低天线的性能，集成天线变得更加复杂。

这是我们最近的智能音箱设计项目中需要解决的一个问题，我已经在博客系列．在这个故事的第三章和最后一章，我将看看牛郎星团队如何使用几个工具来优化天线的性能，并分析和解决共存和干扰问题。

这一次，我将利用电磁(EM)应用工程师Smit Baua的网络研讨会。与我们的演讲者开发的其他步骤一样，最重要的目标是演示模拟驱动方法的引人注目的好处:减少与传统工作流程相关的时间和成本，同时提高感知质量。

在天线设计和集成的情况下，有实际的收益。通常情况下，这是一个由冗长的物理原型和测试主导的过程，这反映了设计师需要克服的众多障碍。它们包括检查天线设计特性，在PCB上集成天线，评估其实际性能，测量和减轻加热的影响。无线连接是标准驱动的，因此确保符合标准是另一个挑战。在我们的智能音箱项目中，团队使用了蓝牙和曲线形天线。使用牵牛星®Feko®， Baua考虑了四个关键参数:

反射系数。在我们的智能音箱中，它需要小于-10dB。通过Feko, Baua证明了最初的天线概念达到了完全可接受的-17dB。

增益的辐射模式。正如您在本次网络研讨会中所看到的，Feko提供了一个清晰而生动的甜甜圈形状的辐射图形，并用颜色编码来显示相关的值。

表面电流。在消费产品设计中，工程师评估天线的哪一部分对特定频率有贡献是很重要的。同样，用户可以从清晰的、彩色编码的图形中受益，显示通过天线的表面电流。

热分析。在紧凑型产品中，部件产生的热量确实令人头痛。如果问题只是在一天的晚些时候，在物理测试中变得明显，结果很可能是昂贵的返工和延迟。正如Baua所证明的，我们的EM解决方案很容易与热求解器结合在一起。EM解算器自动输出热解算器使用的材料损耗。加载的文件然后被映射到热解算器中，它绘制出热量分布。

到目前为止，一切顺利。但是，当天线集成在PCB上时，它的性能如何?与热分析一样，导入PCB设计牵牛星大拇指™很简单。然后，Baua将天线放置在蓝牙IC附近，并将其与所需的PIN连接。为了精确模拟，PCB上的所有组件都被指定了材料属性。然后使用相同的系统参数重新评估天线的性能。

Baua出色地向我们展示了在屏幕上很容易看到反射系数和辐射性能的影响。从此，Altair平台提供了三种不同的工具来恢复由于集成到PCB而降低的性能参数。

一种选择是使用Feko的内置优化器模型。用户只需从完全参数化模型中使用的五种算法中选择一种。算法根据用户设定的设计变量和目标，生成优化的设计变量。

或者，可以使用Altair的机器学习(ML)优化引擎。它与任何求解器交互，收集数据并探索设计模型。经过训练的模型可以在几秒钟内运行数百次迭代——在加速设计过程的同时优化系统性能。

对于我们的智能音箱，Baua采用了第三种选择，生成阻抗匹配电路，并将其集成到PCB中。再次检查参数，所有都回到了目标范围内。

下一步是决定PCB的位置和方向。换句话说，就是测试天线在其实际工作环境——音箱中的性能。

这是模拟驱动方法的一个极好的例子。用户可以在过程早期自由地探索选项，并立即生成性能结果。在这种情况下，Baua尝试了五种不同的配置。同样，他也可以用参数扫描来评估所有可能的位置。

无论用户采用哪一种方式，最重要的是能够并排比较所有结果。更重要的是，有了Altair，所有的工具都可以在一个屋檐下使用。从一个过渡到另一个是无缝的。用户可以专注于创新，并为最终产品增加价值，而不是花时间修改他们的设计。

这个主题一直延续到我们智能扬声器之旅的最后阶段。在另一个研讨会， Gopinath Gampala，电磁技术经理，探索和解决共存和干扰的挑战。通常，智能产品包含大量不同的标准和技术。在智能音箱的案例中，Gampala演示了Altair的工具如何测量和解决蓝牙和Wi-Fi结合所涉及的问题，这两种设备共享2.4GHz频段。

简而言之，Gampala的研究包括一个典型的住宅室内建模，分析住宅内部的Wi-Fi和蓝牙网络，并探索两者之间的干扰。利用Altair的解决方案，可以创建非常详细的房屋3D模型，包括能够产生重大影响的特征的精确表示，如壁厚。我们比较了三种不同的Wi-Fi标准，使用我们的工具显示Wi-Fi覆盖范围，以及接入点和预测点之间的不同交互作用。接收的功率级别/Wi-Fi信号强度映射到整个房子，以及最大可实现的数据速率和吞吐量。Gampala还比较了不同路由器，2.4GHz和5GHz信号之间的差异，并评估了中继设备的优缺点。还对蓝牙和Wi-Fi信号之间的干扰进行了分析，并采取了缓解措施。

就像我在之前的博客文章中回顾的网络研讨会一样，书面描述也只能到此为止。我真的建议你花点时间去看看。对于那些刚接触模拟驱动设计的人来说，没有什么比看到它的实际应用更棒了。此外，虽然我们选择了智能音箱的例子，但应该强调的是，它的好处适用于整个智能产品领域和其他领域。随着消费者继续期待更丰富的功能、更低的成本和更大的小型化，模拟驱动的理念的价值将继续增长。事实上，我们正迅速接近这样一个点，即在满足设计团队现在面临的性能目标和交付期限方面，它已经成为一种必要。