praxiserfahrungen mit em simulationen · 2019-09-02 · emv optimierungen, visualisieren von...
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Praxiserfahrungen mit EM Simulationen
Rashid Talib
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EM Simulation
1.Warum?2.Wann?3.Wie?4.Wie viel?
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EM Simulation
▪ Tools zum Analysieren und Berechnen der elektromagnetischen Eigenschaften von Antennen, RF Komponenten und Mikrowellen Strukturen
▪ Berechnen und Visualisieren von elektromagnetischen Feldern durch Lösen von Maxwell Gleichungen
Ansätze
▪ Method of Moments (MoM)→ Planare Simulation (2D, 2.5D)
▪ Finite Element Modeling (FEM)→ Volumen Simulation (3D)
▪ ...
Bilder: http://www.wikipedia.org
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RF Entwicklung
Know-How& Erfahrung
Redesigns & Stolpersteine
Hohe Ansprüche an Material & Produktion
Zusammenarbeit von Designer & Ingenieur
Voraussagen oftmals schwierig
AufwändigesEquipment
Zulassungen & Bestimmungen
Timeslots für Labormessungen
Empfindlich auf Umgebung
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Einflüsse
Einfluss auf Antennen Eigenschaften:
▪ Gehäuse, Batterien..
▪ Körperteile wie Hand, Kopf..
▪ Änderungen bei Bauteilen, Layout, Material
▪ Positionierung
«kleine» Antennen → schmalbandig → mehr Probleme!
2 3 5
Center 2.5GHz / Span 1.0GHzS11 Z
2000
2200
2400
2600
2800
3000
1
2
3
1> 2.40GHz: 23.82 + j8.17
2> 2.44GHz: 45.47 + j1.17
3> 2.48GHz: 46.85 - j30.54
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0[GHz]F
-40
-20
0
RL
[dB]
-360
-180
0
180
Phase
[Deg]
Center 2.5GHz / Span 1.0GHzS11 RL Phase
1
2
3
1> 2.40GHz: -8.65dB
2> 2.44GHz: -26.20dB
3> 2.48GHz: -10.39dB
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0[GHz]F
0
1
2
3
4
5
6
7
SWR
Center 2.5GHz / Span 1.0GHzS11 SWR
1
2
3
1> 2.40GHz: 2.171
2> 2.44GHz: 1.103
3> 2.48GHz: 1.866
Impedance Return Loss
SWR
Sample B1\7. Cut 6.5mm, 1.3pF Shunt, eingebaut 03.09.2018 13:19:10
Measure:
Sw eep:
S11
Frequency
Frequency:
Pow er:
2000 > 3000 MHz 120 steps (8.33333333333333/)
-10 dBm
2 3 5
Center 2.5GHz / Span 1.0GHzS11 Z
2000
2200
2400
2600
2800
3000
1
2
3
1> 2.40GHz: 42.34 + j3.90
2> 2.44GHz: 52.21 - j25.60
3> 2.48GHz: 30.24 - j41.92
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0[GHz]F
-40
-20
0
RL
[dB]
-360
-180
0
180
Phase
[Deg]
Center 2.5GHz / Span 1.0GHzS11 RL Phase
1
2
3
1> 2.40GHz: -20.63dB
2> 2.44GHz: -12.26dB
3> 2.48GHz: -5.82dB
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0[GHz]F
0
1
2
3
4
5
6
7
SWR
Center 2.5GHz / Span 1.0GHzS11 SWR
1
2
3
1> 2.40GHz: 1.205
2> 2.44GHz: 1.645
3> 2.48GHz: 3.097
Impedance Return Loss
SWR
Sample B1\6. Cut 6.0mm, 1.3pF Shunt, eingebaut 03.09.2018 13:17:40
Measure:
Sw eep:
S11
Frequency
Frequency:
Pow er:
2000 > 3000 MHz 120 steps (8.33333333333333/)
-10 dBm
Antenne ohne Gehäuse Antenne mit Gehäuse
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EM Simulation
1. Warum?
Enge Termine Preisdruck Ansprüche / Komplexität
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Grundproblem
schnell günstig gut
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Realität
schnell
günstig
gut
schnell + günstig ≠ gutgünstig + gut ≠ schnellgut + schnell ≠ günstig
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Optimierung
schnell = günstig = gut =
Reduzieren von:- Anzahl Prototypen- Designfehlern- Redesign & Loops- Änderungen (Material,
Layout, Gehäuse, CEM)- Abhängigkeiten → parallelisieren!
Minimieren von:- PCB & Bestückung- BOM & Fertigungskosten- Tuning & Redesign- Labormessungen
Nutzen von:- Tuning- Erfahrungen- Messgeräten- Testing
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Vorteile von EM Simulation
Komplettes Messlabor
Rechentools,Parameterstudien
Diagramme,Visualisierung
Reports,Dokumentation
Kurze Entwicklungs-zyklen, Vorabklärungen
Verständlich,anschaulich, ausprobieren
Virtuell – keine Materialkosten
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Möglichkeiten durch EM Simulation
Vorabklärungen, Parallelisierung
→ Zeit- und Kostenersparnis
▪ Schnelles Ausprobieren verschiedener Ansätzen bevor Prototypen vorliegen
▪ Einfluss von Gehäuse berücksichtigen bevor Samples vorhanden sind
▪ Potential & Limitationen abchecken (z.B. mögliche Antennen Bandbreite)
Virtuelle Entwicklung, Visualisierung
→ Effiziente und kostengünstige Entwicklung
▪ Verstehen von Effekten, welche nicht sichtbar sind oder nur mit grossem Aufwand gemessen werden können
▪ Parameterstudie relativ leicht möglich: Geometrie, Material, Position..
▪ Radiation Pattern berechnen und ggf. im Design berücksichtigen
Sehr vieles ist möglich, aber nicht alles sinnvoll (Kosten / Nutzen)
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Grenzen von Simulation
Simulation ersetzt nicht
▪ Reale Hardware für Verifikation & Tuning
▪ Manuelles Tuning & Layout Anpassungen
▪ RF Kenntnisse
Simulation erfordert
▪ Lernphase & Schulung
▪ Aufwand und Lizenzkosten
▪ Gesunde Skepsis, Validierung
Kompromisse
▪ Genauigkeit des Modells (PCB, Gehäuse..)
▪ Aufwand v.s. Nutzen
▪ Beschränkte CAD Funktionen
▪ Rechenkapazität, Rechenzeit
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Kosten durch Simulation
▪ Lizenzgebühren
▪ Schulungen
▪ Initialkosten
▪ Zeit
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EM Simulation
2. Wann?▪ Beispiele mit «Flat-Designs»
▪ Bestimmen von Antennen Geometrie
▪ Abschätzen von benötigter PCB Grösse
▪ Kompliziertere Designs (eng, klein, viel Metall)
▪ ..
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EM Simulation: Wann?
▪ Komplexe Designs, keine geschlossenen Formeln vorhanden
▪ Vorabklärungen, Studien
▪ Zeitersparnis → Simulation innerhalb Tagen, Prototypen innerhalb Wochen
Einige Anwendungsfälle:
▪ Antennen Design
▪ Berechnen von Abstrahlcharakteristik
▪ Berechnen von Strahlungsverluste
▪ Bestimmen von externen Einflüssen (Gehäuse, Batterien, Körperteile..)
▪ Filterdesign
▪ Immission / Emission
▪ EMV Optimierungen, Visualisieren von Strömen und Spannungen
▪ Untersuchung von Waveguides, Transmission lines, coupling Effekte..
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Beispiel 1
USB Dongle für Entwicklung von Hörgerätelösungen
▪ 4 Layer PCB, FR4, 12 x 27mm
▪ Frequenzbereich: 2.402 GHz – 2.480 GHz
▪ Planare 2.5D Simulation mittels Sonnet
▪ Zulassungen: FCC, CE, IC, MIC
▪ Produktion: 1’000+
https://www.onsemi.com/PowerSolutions/evalBoard.do?id=RSL10-USB001GEVK
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Beispiel 2
RS-485 Dongle mit Bluetooth LE für Laborgeräte
▪ 4 Layer PCB, FR4, 45 x 15mm
▪ Frequenzbereich: 2.402 GHz – 2.480 GHz
▪ Planare 2.5D Simulation mittels Sonnet
▪ 3D Simulation mittels HFSS
▪ Optimierte Antenne ohne Matching Komponenten
▪ Zulassungen: FCC, CE
▪ Produktion: 10’000+ / Jahr
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Beispiel 3
Kundenspezifisches Bluetooth LE Modul für Home Automation Anwendungen
▪ 4 Layer PCB, FR4, 10 x 15mm
▪ Frequenzbereich: 2.402 GHz – 2.480 GHz
▪ 3D Simulation mittels HFSS
▪ Optimierte Antenne ohne Matching Komponenten
▪ Zulassungen: Weltweit
▪ Produktion: 100’000 / Jahr
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Beispiel 4
Bluetooth LE Audio Streaming für Hörgeräte
▪ 6 Layer Polyimid Flex PCB, 6 x 35mm / 8 x 27mm
▪ Frequenzbereich: 2.402 GHz – 2.480 GHz
▪ 3D Simulation mittels HFSS
▪ Produktion: In progress
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EM Simulation
3. Wie?
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EM Tools
Kriterien
▪ Simulation: Planar oder full 3D?
▪ Import / Export Möglichkeiten
▪ Funktionsumfang
▪ Erweiterungsmöglichkeiten / Integration
▪ Verbreitung, Standards, etabliert
▪ Lizenzkosten, Lizenzmodelle
usw...
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Schritte der EM Simulation
▪ Erstellen eines virtuellen Prototypen durch möglichst realistische Modellierung
▪ Analysieren der physikalischen Eigenschaften und Berechnen des Verhaltens durch Anwenden physikalischer Gesetze mittels geeigneter Methoden
▪ Auswerten der Resultate und Optimieren des Modells
Modell
Analyse, Simulation
Resultat, Optimierungen
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Workflow
ECAD Tool (Altium)
EM Tool (HFSS)
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EM Simulations Tool
Workflow
Design und Optimierung in EM Simulations Umgebung
▪ Einfacher und schneller Workflow
▪ Bei einfachen Geometrien möglich
▪ Sinnvoll wenn Design erst stark vereinfacht und bereinigt werden muss
ECAD Tool
▪ Design
▪ Simulation / Optimierung
▪ Import
▪ Produktionsdaten erstellen
Prototypen, Testing & Tuning
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Workflow
Design in ECAD Tool, Simulation und Optimierung in EM Simulations Umgebung
▪ Komplizierter und aufwändiger Workflow
▪ Nötig bei komplexeren Strukturen
▪ Sinnvoll wenn bereits PCB Daten vorhanden sind
EM Simulations Tool
▪ Bereinigung, Simulation / Optimierung
▪ Verifikation
Prototypen, Testing & Tuning
CAD Tool
ECAD Tool
▪ Design
▪ Anpassungen
▪ Produktionsdaten erstellen
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Diagramme
Radiation Pattern
Smith Chart, Returnloss Stromverteilung
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Parameter Studie
Ground Fläche: 10 x 50mm
Ground Fläche: 10 x 25mm
Performance von F-Antenne abhängig von Ground Fläche
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Parameter Studie
Modul mit korrekter Ground Fläche
Modul ohne Ground Fläche
Performance von Modul Antenne abhängig von Ground Fläche
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Parameter Studie
Antennen Anpassung mittels Parameter Studie
→ Mehr Initialaufwand
→ Günstiger, da keine Tuning Komponenten mehr benötigt
→ Höhere Performance, bessere Reproduktion
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Antennen Anpassung mittels Parameter Studie
Parameter Studie
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Vergleich von Simulation und Messung
2 3 5
Center 2.5GHz / Span 1.0GHzS11 Z
2000
2200
2400
2600
2800
3000
1
2
3
1> 2.40GHz: 51.38 - j6.43
2> 2.44GHz: 50.32 + j0.60
3> 2.48GHz: 47.85 + j7.31
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0[GHz]F
-40
-20
0
RL
[dB]
-360
-180
0
180
Phase
[Deg]
Center 2.5GHz / Span 1.0GHzS11 RL Phase
1
2
3
1> 2.40GHz: -23.77dB
2> 2.44GHz: -43.37dB
3> 2.48GHz: -22.19dB
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0[GHz]F
0
1
2
3
4
5
6
7
SWR
Center 2.5GHz / Span 1.0GHzS11 SWR
12
3
1> 2.40GHz: 1.138
2> 2.44GHz: 1.014
3> 2.48GHz: 1.168
Impedance Return Loss
SWR
#10\2. Cut 2.xmm, with enclosure 17.09.2018 09:32:27
Measure:
Sw eep:
S11
Frequency
Frequency:
Pow er:
2000 > 3000 MHz 120 steps (8.33333333333333/)
-10 dBm
2 3 5
Center 2.5GHz / Span 1.0GHzS11 Z
2000
2200
2400
2600
2800
3000
1
2
3
1> 2.40GHz: 51.38 - j6.43
2> 2.44GHz: 50.32 + j0.60
3> 2.48GHz: 47.85 + j7.31
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0[GHz]F
-40
-20
0
RL
[dB]
-360
-180
0
180
Phase
[Deg]
Center 2.5GHz / Span 1.0GHzS11 RL Phase
1
2
3
1> 2.40GHz: -23.77dB
2> 2.44GHz: -43.37dB
3> 2.48GHz: -22.19dB
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0[GHz]F
0
1
2
3
4
5
6
7
SWR
Center 2.5GHz / Span 1.0GHzS11 SWR
12
3
1> 2.40GHz: 1.138
2> 2.44GHz: 1.014
3> 2.48GHz: 1.168
Impedance Return Loss
SWR
#10\2. Cut 2.xmm, with enclosure 17.09.2018 09:32:27
Measure:
Sw eep:
S11
Frequency
Frequency:
Pow er:
2000 > 3000 MHz 120 steps (8.33333333333333/)
-10 dBm
Sim
ula
tio
nM
ess
un
g
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EM Simulation
4. Wie viel?
InitialaufwandSimulationszeit
SimulationskostenKostenoptimierung
Entwicklungszeit, TermineQualität, Komplexität
Abwägen von Aufwand / Kosten / Nutzen
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EM Simulation
Aufwand / Nutzen
▪ Rechenaufwand steigt schnell an
▪ Rechner kommt schnell an Grenzen!
→ Weglassen was nicht relevant ist
→ Vereinfachen feiner Strukturen
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EM Simulation
Schema / Layout
40%
Simulation
14%
RF Verifikation / Tuning
13%
HW Verifikation / Inbetriebnahme
11%
RF Zulassung
11%
Meetings, Div
11%
Anteil von Simulation verglichen mit den restlichen HW Aufgaben
Arbeitsaufwand
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EM Simulation
Warum?
▪ «HF Labor» auf dem Rechner
▪ Unentbehrlich bei komplexeren Designs & hohen Ansprüchen
Wann?
▪ Kostenoptimierung & Vorabklärungen
▪ Bei engen Terminen & kurzen Entwicklungszeiten
▪ Abschätzen von externen Einflüssen, z.B. auf Antennen Performance
▪ Vorhersehen und Nachvollziehen von Problemen
Wie?
▪ EM Simulations Software & effizienter Workflow
▪ RF Know-How
Wie viel?
▪ So viel wie nötig, so wenig wie möglich
▪ Abwägen von Aufwand und Nutzen
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