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Entwurf und Simulation einer Bluetooth-Antenne für tragbare Geräte mit HFWorks

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Anwendungen

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Wearable-Technologie wird häufig als eine der größten Anwendungen des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) bezeichnet. Dieser Zweig der intelligenten Elektronik ist der Inbegriff neuer IoT-Anwendungen. Heutzutage sind intelligente Uhren eines der am häufigsten verwendeten tragbaren Geräte. Normalerweise wird das Bluetooth-Protokoll verwendet, um die Verbindung zwischen der Smartwatch und einem anderen Gerät zu sichern. In diesem Artikel wird eine Bluetooth-Antenne für intelligente Uhren mit SOLIDWORKS entworfen und mit dem Vollwellensimulator HFWorks simuliert.

Es werden zwei Konfigurationen einer flachen und einer gebogenen Bluetooth-Antenne gezeigt, um das elektromagnetische Verhalten in beiden Fällen zu vergleichen. Die Antennenanalyse von HFWorks wurde verwendet, um diese Antennen zu simulieren.

Flache Bluetooth-Antenne

Design und Simulation

Abbildung 1 zeigt die Konfiguration einer flachen Bluetooth-Antennenstruktur. Die Gesamtgröße dieser Antenne beträgt 2,45 GHz. Diese Antenne wird mit einer Mikrostreifenleitung mit einer Impedanz von 50 Ohm erregt. Die verwendeten Materialien sind FR4 mit einer relativen Permittivität von 4,5 und die Metalle gelten als perfekter elektrischer Leiter (PEC).


Vorder- und Unteransicht der Flachantenne.

Abbildung 1 - Vorder- und Unteransicht der Flachantenne.

Ergebnisse

Die mit HFWorks über den Fast Sweep Type simulierte Rückflussdämpfung S11 ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Frequenzbereiche reichen von 2 GHz bis 3 GHz. Wie unten gezeigt, schwingt diese Antenne bei 2,45 GHz mit.

Rückflussdämpfung S11 der Flachantenne (dB).

Abbildung 2 - Rückflussdämpfung S11 der Flachantenne (dB).

Das Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) ist in Abbildung 3 dargestellt. Bei 2,45 GHz liegt das VSWR unter 1,2


2D-Darstellung des VSWR.

Abbildung 3 - 2D-Diagramm des VSWR.


In Abbildung 4 sind die Polardiagramme der Fernfelddaten für die Verstärkung bei 2,45 GHz in den Ebenen XZ, XY und YZ dargestellt.

2D-Darstellung der Verstärkung bei 2,45 GHz in den Ebenen XY, YZ und XZ.
Abbildung 4 - 2D-Darstellung der Verstärkung bei 2,45 GHz in den Ebenen XY, YZ und XZ.

Verbogene Bluetooth-Antenne

Design und Simulation

Für tragbare Elektronik ist es wichtig, die Leistung der Antenne unter verschiedenen Biegebedingungen zu untersuchen. Durch Variation des Biegewinkels werden verschiedene Konfigurationen mit SOLIDWORKS vorgestellt. Abbildung 5 zeigt die Geometrie der gebogenen Bluetooth-Antenne.

Die Geometrie der gebogenen Antenne (Ansicht von oben und unten).
Abbildung 5 - Die Geometrie der gebogenen Antenne (Ansicht von oben und unten).

Unterschiedliche Biegewinkel werden simuliert und mit der Multi-Konfigurationsfunktion in SOLIDWORKS verglichen. Tabelle 1 kapselt die von HFWorks behandelten Konfigurationen.


Tabelle 1 - Die verschiedenen von HFWorks simulierten Konfigurationen
Name Wert
Konfiguration 1 10 Grad
Konfiguration 2 20 Grad
Konfiguration 3 30deg

Ergebnisse

Die simulierten Rückflussverluste S11 für jede Konfiguration sind in 6 angegeben. Offensichtlich wirkt sich der Biegewinkel auf die Resonanzfrequenz der Antenne aus.

Die simulierte Rückflussdämpfung S11 für jede Konfiguration.
Abbildung 6 - Die simulierte Rückflussdämpfung S11 für jede Konfiguration.

Die Resonanzfrequenzen nach dem Biegen liegen bei etwa 2,37 GHz, was außerhalb des Bluetooth-Bandes liegt. Dies bedeutet, dass die Biegung die Leistung der Antenne in Bezug auf die Resonanzfrequenz beeinflusst. Das Verstärkungsmuster verschiedener Konfigurationen ist in Abbildung 7 dargestellt. Das Verstärkungsmuster für alle Konfigurationen behält ein omnidirektionales Muster bei, jedoch hat die flache Antenne den höchsten Wert.


Das Verstärkungsmuster jeder Konfiguration
Abbildung 7 - Das Verstärkungsmuster jeder Konfiguration

Fazit

Mit dem Duo SOLIDWORKS und HFWorks wird eine Bluetooth-Antenne für tragbare Uhren entworfen und simuliert. Um die Auswirkung des Biegens auf die Leistung dieser Bluetooth-Antenne zu untersuchen, werden dank der Multi-Konfigurationsfunktion in SOLIDWORKS verschiedene Konfigurationen übernommen. Die Ergebnisse bestätigen die Empfindlichkeit dieser Antenne gegenüber der Biegung in Bezug auf Resonanzfrequenzen und Verstärkung.

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