Von Tarun Chawla, Remcom
Bei der Konzeption und Entwicklung von drahtlosen Geräten für am Körper getragene Anwendungen müssen mehrere technische Herausforderungen bewältigt werden, um eine zuverlässige HF-Ausbreitung am Körper zu gewährleisten. Zu den wichtigsten Faktoren zählen die im Gerät verwendeten Materialien, die Signalstörungen beeinflussen können, sowie Gewicht, Komfort, Kosten und Kompatibilität mit anderen Systemkomponenten. Darüber hinaus fungiert der menschliche Körper selbst als komplexer, dynamischer Teil der Antennenstruktur. Traditionelle Methoden wie physikalische Prototypentests und menschliche HF-Technik werden häufig zur Bewertung der Antennenleistung eingesetzt, können jedoch mehrere Iterationen erfordern und erfassen möglicherweise nicht alle Komplexitäten der realen Welt. HF-Ausbreitungssimulationen ermöglichen es Ingenieuren, zahlreiche Anwendungsfälle aus der Praxis in weitaus kürzerer Zeit und zu geringeren Kosten zu testen als bei In-situ-Tests allein. Darüber hinaus bieten Simulationen eine leistungsstarke visuelle Hilfe und liefern wertvolle Erkenntnisse zur Verbesserung der Leistung und des Designs von am Körper getragenen drahtlosen Geräten.
Digitale Zwillinge für HF-Prüfungen und -Messungen: Herausforderungen und Chancen
Die derzeit von der FDA geforderten physikalischen ergonomischen Anforderungen dienen der Vermeidung potenzieller Strahlungsrisiken durch Geräte. Es ist von entscheidender Bedeutung, die international festgelegten Strahlungsgrenzwerte für die spezifische Absorptionsrate (SAR) einzuhalten oder zu unterschreiten. Die SAR kann durch eine Verringerung der Systemleistung reduziert werden, was jedoch die Wahrscheinlichkeit von Signalverlusten erhöht.
Ungeachtet dessen haben die Vorschriften für Simulationen weder mit den Fortschritten in Technologie und Technik Schritt gehalten, noch haben sie sich weiterentwickelt, um den Anforderungen des Verbrauchermarktes gerecht zu werden. Umfangreiche physikalische Tests sind oft nur für wohlhabende Unternehmen zugänglich, deren Spitzenprodukte ästhetisch ansprechend und einwandfrei funktionieren und die über einen rund um die Uhr verfügbaren kompetenten Kundensupport verfügen. Die Benutzererfahrung steht im Mittelpunkt des Designs und ist ausschlaggebend für einen hohen Preis.
Mit der zunehmenden Erschwinglichkeit von Produkten geht eine wesentliche Veränderung einher: Die geringeren Kosten können zu einer eingeschränkten Funktionalität führen – in der Regel aufgrund einer geringeren Systemkomplexität. Beispielsweise kann ein Gerätebenutzer sein verlorenes Telefon oder Auto orten, warum also nicht auch seine kabellosen Ohrhörer? Die Implementierung dieser Funktion kann jedoch zu einer Erhöhung des Produktgewichts oder der Kosten führen oder die Form des Geräts verändern, was zu Lasten der Benutzerfreundlichkeit geht.
Die Umsetzung von Null-Prototyp-Entwurfsphasen mithilfe von Simulationen kann die Entwicklung hochfunktionaler Produkte beschleunigen, zugänglicher machen und kostengünstiger gestalten.
Symbiotische Entwicklungszyklen zwischen Maschinenbau-, HF- und Hardware-Ingenieuren führen zu einem erfolgreichen Produktdesign.
Das ursprüngliche Design (Produkt-ID, Mitte) wird von Wirtschaftsingenieuren kontrolliert. Maschinenbauingenieure fügen Einschränkungen hinzu, um das Design realisierbar zu machen, beispielsweise hinsichtlich Aussehen und Haptik. Als Nächstes erstellen PCB-Ingenieure die Spezifikationen des Geräts, wie CPU-Geschwindigkeit und RAM. Für Antenneningenieure bestehen Generationswechsel bei Geräten in erster Linie darin, eine größere Anzahl von Frequenzbändern zu ermöglichen und zu unterstützen. Das bringt eine Reihe von Problemen mit sich, die von der Frequenz, ihrer Bandbreite und dem Anwendungsfall abhängen.
Daher müssen Designs in einer Vielzahl von Szenarien und Frequenzen validiert und getestet werden, um die mit der HF-Ausbreitung verbundenen Herausforderungen zu bewältigen, darunter EMI, Desense, Kopplungsverluste, Abstimmungsanpassungsnetzwerke und die Berücksichtigung von Änderungen des Verstärkungsmusters. Wenn diese interdisziplinäre Synergie nicht harmonisch funktioniert, kann kein Verbraucherprodukt entwickelt werden. Sobald das HF-Team des Produkts ein genehmigtes Design fertiggestellt hat, hat das Verifizierungsteam die Aufgabe, die kommerzielle Machbarkeit – also die Effektivität – des Produkts im realen Einsatz zu überprüfen.
Um diesen Prozess zu optimieren, müssen das Produkt-HF-Team und das Verifizierungsteam eng zusammenarbeiten. In der Unterhaltungselektronikbranche, einschließlich der Hersteller von Mobilfunkgeräten und Laptops, waren diese Gruppen in der Vergangenheit voneinander isoliert, da die Anzahl der verwendeten Frequenzbänder und Geräte sehr gering war. Heute ist die technische Komplexität enorm, es müssen zahlreiche Tests durchgeführt werden und die Anzahl der zu prüfenden Geräteiterationen ist beträchtlich, sodass die Förderung des Verständnisses zwischen den Teams von größter Bedeutung ist. Erleichtert durch EM-Simulationen kann diese Diplomatie auch dabei helfen, Randanwendungsfälle zu identifizieren, die zusätzliche Simulationen und/oder physikalische Tests erfordern, von neuartigen Anwendungen bis hin zu neuen Generationen von drahtlosen Geräten.
Wie die On-Body-Simulation funktioniert
Simulationen können einen Prozess darstellen, ohne dass Prototypen erforderlich sind. Das industrielle Design in der Frühphase muss nicht in Hardware nachgewiesen werden. Beispielsweise können einfache Ohrhörer die Form eines einfachen Zylinders haben: Dies reicht aus, um die Funktionsfähigkeit von Designmerkmalen wie der Antennenplatzierung zu beweisen, aber es besteht keine Chance, dass das Design während der Produktion unverändert bleibt.
Dieser als Prototyp hergestellte Ohrhörer könnte als P0 bezeichnet werden; möglicherweise lässt er sich noch nicht einmal einschalten. Nach Überarbeitungen durch verschiedene Beteiligte – möglicherweise entwickeln sich Struktur und Form des Gehäuses weiter, was einen Trickle-Down-Effekt zur Folge hat, der sich auf die PCB- und Antenneningenieure auswirkt – entsteht der nächste Prototyp, P1. P1 unterscheidet sich zwar stark von P0, ist aber immer noch nicht herstellbar. Die meisten Projekte durchlaufen auf diese Weise mehrere Iterationen, wobei die Kosten durch die Herstellung und Prüfung von Prototypen schnell steigen.
Die Fähigkeit von Funkingenieuren, effektive elektromagnetische (EM) Modellierungen durchzuführen und Pfadverluste und Mehrwegausbreitung für Systeme zu messen, wird jedoch durch immer komplexere und vielfältigere Anwendungsszenarien herausgefordert. Dementsprechend werden Testmessungen mit Prototypen und physischen Testbereichen (z. B. Anti-Echo-Kammern) immer zeitaufwändiger, mühsamer und kostspieliger. Glücklicherweise haben sich Vollwellen-3D-EM- und strahlenbasierte Techniken als genau und skalierbar erwiesen, wenn anstelle eines physischen Prototyps ein „EM-Zwilling” verwendet wird, und alle Daten, die durch Kammertests mit Prototypen generiert werden, können nun durch Simulation nachgewiesen werden.
Betrachten wir ein Testszenario, das ein Paar Ohrhörer, eine Smartwatch und ein Mobiltelefon in der Gesäßtasche des Trägers umfasst, die alle über eine 2,46-GHz-Bluetooth-Verbindung betrieben werden. Das Telefon, das über den größten Akku verfügt, ist die Quelle des Bluetooth-Signals. Jede Geräteantenne hat einen Anschluss, sodass die Ohrhörer, die Uhr und das Telefon zusammen eine S-Parameter-Matrix mit vier Anschlüssen bilden.
In diesem Beispiel spielt das Telefon Musik ab und sendet dabei ein Signal über Oberflächenwellen (die mit zunehmender Tiefe abklingen) durch den Körper hindurch in die Umgebung. EM-Simulationen modellieren diese Wellen, konnten dies jedoch bis vor kurzem nur in einem Anwendungsfall im freien Raum tun. Die Auswirkungen des Körpers und des Geräts wurden berücksichtigt, aber Umwelteinflüsse auf das Signal, wie z. B. vom Boden, vom Raum, vom Auto usw., wurden ausgeschlossen.
Bei Kammertests wird dieser Effekt mithilfe eines physikalischen Ganzkörperphantoms erfasst, das den menschlichen Körper darstellt. Die Nachbildung dieses Effekts in der Simulation ist von entscheidender Bedeutung, da Umgebungsmerkmale zum Vorteil des Antenneningenieurs genutzt werden können. Die Energie strahlt von den Antennen in jedem Wearable nach außen, interagiert mit/prallt von nahe gelegenen Oberflächen und Materialien ab und kehrt dann zurück, um von den Geräteantennen empfangen zu werden. Das Ziel besteht darin, das Signal konsistent zu halten und einen Signalabfall zu verhindern.
Remcom kann eine Reihe von Anwendungsfällen simulieren – darunter dichte städtische, Indoor-, nicht-terrestrische Netzwerke (NTNs), 5G-UE-Sidelink und Sensorik – mit einer Dauer von wenigen Sekunden bis zu mehreren Stunden. Bei linearen Materialien und Umgebungen kann ein Strahlungssystem auf der Grundlage des Oberflächenäquivalenzsatzes durch eine Reihe von elektrischen und magnetischen Oberflächenstromdichten auf einem Quader dargestellt werden, der die Struktur vollständig umschließt. Dieser Quader wird als Huygens-Oberfläche oder Huygens-Box bezeichnet und kann verwendet werden, um die Nahfeldeffekte innerhalb der Box zu erfassen und gleichzeitig vorherzusagen, wie sich diese Felder dann nach außen in eine größere Umgebung ausbreiten (oder umgekehrt).
Das Konzept besteht darin, den Nahbereich, der von Antennen am Körper ausgestrahlt wird, zu erfassen und auf einen Körper zu übertragen, den die Tester innerhalb einer Umgebung bewegen können. Dies ist notwendig, da Industrie- und Maschinenbauingenieure mobile Geräte in der Regel auf der Grundlage von drahtlosen Tests entwickeln, bei denen ein bewegungsloser physischer Dummy verwendet wird. Das Verifizierungsteam muss das Gerät in realistischen Szenarien und Umgebungen testen, was bedeutet, dass die Auswirkungen der Bewegungen des Trägers genau dargestellt und gemessen werden müssen.
Remcom integriert Nahfeld-Antennen-Effekte in Simulationen der Antennenleistung, sodass Mobilität, Mehrwegeffekte und Wechselwirkungen mit am Körper getragenen Geräten in realistischen Umgebungen analysiert werden können.
Remcom arbeitet daran, die Laufzeiten von Testszenarien innerhalb der Grenzen der bestehenden Technologie so weit wie möglich zu verkürzen. Das Ziel besteht darin, die S-Parameter-Matrix für eine Vielzahl von Körperkonfigurationen über verschiedene Frequenzbänder hinweg zu modellieren, während sich der Körper in einer Umgebung bewegt. Kurz gesagt, das Ziel ist es, die Realität zu modellieren, aber die Aufgabe muss in kleinere Teile zerlegt werden: jeweils eine Frequenz und jeweils eine Position des menschlichen Körpers. Wenn die Verifizierungsteams beginnen, der Simulationstechnologie mehr zu vertrauen, werden sich die Durchlaufzeiten der Verifizierung und die Produktsynergien verbessern.
Der Weltraum, die letzte Grenze…
Die Artemis-Missionen der NASA, die Astronauten zurück zum Mond schicken sollen – zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels frühestens Mitte 2027 –, sind ein hervorragendes Beispiel für die Möglichkeiten der Simulation. Die NASA hat Remcom, Intuitive Machines, Nokia Bell Labs, Lunar Outpost und Axiom Space beauftragt, die Kommunikation auf dem Mond zu konzipieren und den Astronauten ein Hochgeschwindigkeits-Wireless-Netzwerk auf der Mondoberfläche zur Verfügung zu stellen. Die Ausrüstung und Geräte werden in Raumanzüge, Rover sowie Orbital- und Oberflächen-Hubs integriert, um die Kommunikation, Navigation und kritische kontinuierliche Abdeckung zu erleichtern.
Bei der Arbeit in einer derart einzigartigen Umgebung müssen unzählige Anwendungsszenarien und potenzielle Herausforderungen berücksichtigt werden. Beispielsweise wirken sich die reflektierenden Eigenschaften der Astronautenanzüge auf die HF-Leistung von Handgeräten aus, und die Tiefe/Krümmung der Krater auf dem Mond beeinflusst die Leistung der Kommunikationsverbindung. Als Reaktion darauf entwickelt Remcom eine vollständige End-to-End-Modellierungs- und Simulationslösung, um die Simulation von Mondkanälen zu untersuchen und die Abdeckung zu analysieren.
Wireless InSite-Simulation der Abdeckung und Mehrwegausbreitung innerhalb eines Mondkraters
Diese verbesserte Version vonWirelessInSite®enthältneue Daten und Algorithmen zur Optimierung der Simulation von Mondoberflächenmaterialien und -gelände. Sie verbessert die Möglichkeiten der Benutzer, die physikalischen und elektrischen Eigenschaften von Regolith und Grundgestein zu definieren, und ermöglicht ihnen die Entwicklung von Modellverbesserungen für die Streuung an der Oberfläche und unter der Oberfläche. Außerdem enthält sie Nachbearbeitungstools für die Simulation auf Verbindungsebene, sodass Benutzer die Auswirkungen wichtiger Phänomene in Mond-Szenarien bestimmen können.
Das Programm für Außenbordaktivitäten und menschliche Mobilität auf der Oberfläche der NASAumfasstmehrere Maßnahmen zur Übung effektiver Weltraumspaziergänge, Rover-Einsätze und Mobilitätsszenarien, wobei technische Demonstrationen und wissenschaftliche Aktivitäten in Arizona und Nevada durchgeführt werden. Während dieser Tests tragen Astronauten Prototypen von Raumanzügen, die mit Antennen ausgestattet sind, um die Auswirkungen von Kratern auf Kommunikationssignale und Datenverbindungen in Flagstaff, Arizona, zu bewerten. Die aus diesen Versuchen gewonnenen Daten fließen in die Entwicklung verbesserter Modelle für drahtlose Konnektivität ein, kombiniert mit den Vorhersagen von Remcom für den Südpol des Mondes, einem Gebiet mit analogem Gelände, das ähnliche Herausforderungen für die Einrichtung einer zuverlässigen drahtlosen Infrastruktur mit sich bringt.
Simulationen vergangener Apollo-Missionen sowie verfügbare Daten aus verschiedenen S-Band-Kanälen liefern wertvolle Erkenntnisse für die Vorhersage und Optimierung der Leistung, um Störungen im Frequenzmanagement zu minimieren. Ein Beispiel ist die Bewertung der Abdeckung von drahtlosen Basisstationen, wie 4G- und Wi-Fi-Systemen, um die Kommunikationsanforderungen von Live-Streaming-Kameras von Astronauten im Internet zu erfüllen. Ein weiteres kritisches Szenario betrifft die Gewährleistung sicherer Kommunikationsverbindungen, um missionskritische Informationen vor dem Abfangen zu schützen. Um diese Ziele zu erreichen, sind umfassende Netzwerkplanungs- und Frequenzmanagementstrategien erforderlich, wie sie beispielsweise vomInstitute for Telecommunication Sciences (ITS) der NTIA, der US SG3 und der ITU-R SG3 entwickelt werden. Remcom arbeitet aktiv mit der FCC, der NTIA und der NASA an der Modellierung und Standardisierung der Ausbreitung auf dem Mond zusammen.
RF-Digitalzwilling der Apollo-15-Mission: Wireless InSite-Simulation der Abdeckung und Mehrwegausbreitung von einer auf der Mondlandefähre montierten Antenne zu einer Nahfeld-Huygens-Antenne auf dem Helm des Astronauten. Huygens-Antennenergebnis, generiert mit der 3D-EM-Simulationssoftware XFdtd von Remcom. Bildnachweis: Project Apollo Archive, public domain, via Wikimedia Commons
Die Simulation missionskritischer Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich hat dazu beigetragen, die Fähigkeiten von Remcom in dieser Hinsicht zu erweitern und zu verfeinern. So hat das Unternehmen beispielsweise derzeit einen Auftrag der US-Luftwaffe zur Modellierung der thermischen Erwärmung des menschlichen Körpers. Dies ist auf zahlreiche Anwendungsfälle anwendbar, darunter auch Funkgeräte, die von Soldaten getragen werden: Wie viele sollte jeder Soldat tragen, wo am Körper sollten sie angebracht werden und in welchem Abstand zueinander, um eine optimale Konnektivität und Langlebigkeit sowie minimale Interferenzen zu gewährleisten? Darüber hinausbietenkommerzielle Anwendungsfälle wie die Sensorik im Fahrzeuginnenraum, die Erkennung der Anwesenheit von Kindern unddie Überwachung im Gesundheitswesen lebensrettende Beispiele für den Einsatz von HF- und Radartechnologien.
Simulation vereint Genauigkeit und Effektivität für Kanalemulatoren
Die hochauflösenden Modelle des menschlichen Körpers von Remcom mit einer Auflösung von einem Millimeter erfassen die dielektrischen Eigenschaften verschiedener Körpergewebe, darunter Haut, Blut und Knochen. Während diese Präzision für Anwendungen wie Implantate und das Design von MRT-Spulen unerlässlich ist, reicht für Unterhaltungselektronik und tragbare Geräte eine einfachere Darstellung des menschlichen Modells aus.
Die Funkleistung in dynamischen Umgebungen mit Mehrwegausbreitung – wie städtischen Gebieten, dicht besiedelten Innenräumen oder Regionen mit reflektierenden Oberflächen – stellt das Antennendesign vor erhebliche Herausforderungen. Der menschliche Körper selbst erzeugt komplexe HF-Wechselwirkungen, und Mehrwegausbreitung kann zu Signalverschlechterung, Interferenzen und einer schlechten Benutzererfahrung führen. Für Antennen-, Wireless-Over-the-Air- (OTA) und HF-Systemingenieure ist es von entscheidender Bedeutung, die Antennenplatzierung zu optimieren, den Bedarf an MIMO zu bewerten und vorherzusagen, wie sich HF-Signale ausbreiten und mit dem sich bewegenden Körper interagieren.
Im HF-Labor kommen hochentwickelte Messgeräte wie schalltote Kammern, Vektornetzwerkanalysatoren (VNAs), Testantennen und Signalgeneratoren zum Einsatz. Die Integration simulierter Kanalimpulsantworten (CIRs) aus Remcom Wireless InSite in Kanalemulatoren wie Spirent Vertex und Keysight PropSim schafft ein leistungsstarkes Ökosystem für die Korrelation von Simulationsergebnissen mit realen OTA-Messungen. Diese Technik zur Bewertung von Funkumgebungen wird als Channel Sounding bezeichnet. Dabei werden bekannte Testsignale gesendet und die Impulsantwort des empfangenen Signals analysiert, um die Reflexionen, die Verzögerungsstreuung und die Mehrwegeausbreitung des Kanals zu charakterisieren. Dieser Korrelationsprozess ermöglicht es Ingenieuren, ihre Simulationen anhand physikalischer Testergebnisse zu validieren und drahtlose Kanalmodelle zu verfeinern, um reale Ausbreitungsbedingungen, die im Labor nicht reproduziert werden können, besser darzustellen. Das abgeleitete Modell kann dann durch Variation der physischen Raumaufteilung, der Möbelkonfigurationen, der Positionen von Personen usw. erweitert werden, wobei zahlreiche Kriterien für die Funkleistung berücksichtigt werden.
Nach der Validierung können diese korrelierten Kanalmodelle verwendet werden, um Tap-Delay-Line- (TDL) oder Cluster-Delay-Line- (CDL) Modelle für jeden Emulator-Hardwaretyp zu generieren. In der drahtlosen PHY-Schicht helfen diese Verzögerungsleitungsmodelle dabei, realistische Signalausbreitungsbedingungen zu simulieren, die dann zur Erzeugung von I/Q-Signalen (In-Phase und Quadratur) für Simulationen auf Systemebene verwendet werden. Anschließend können KI/ML-Algorithmen eingesetzt werden, um das Design und die Leistung von Wireless-Chipsätzen zu optimieren, indem die Systemparameter wie Modulationsschemata, Fehlerkorrekturtechniken und Leistungssteuerungsstrategien auf der Grundlage der aus den validierten Modellen abgeleiteten Echtzeit-Kanalbedingungen angepasst werden. Diese durchgängige Integration von Simulation und Messung schafft einen digitalen Zwilling für HF-Systeme und bietet einen detaillierten, optimierten Workflow, der den „Chip-to-Channel”-Prozess bei der Entwicklung von Funkgeräten nachahmt. Letztendlich gewährleistet dieser Ansatz eine effizientere und kostengünstigere Entwicklung und liefert leistungsstarke, zuverlässige Funkgeräte der nächsten Generation.
Über den Autor
Tarun Chawla ist Direktor für Geschäftsentwicklung bei Remcom und Elektroingenieur mit über 16 Jahren Erfahrung in der Entwicklung und Unterstützung von Simulationslösungen für innovative Ingenieurteams weltweit.
