在日益无线化的世界中，一切都取决于天线，从我们用于医疗保健、工作和娱乐的智能设备到将我们从一个地方带到另一个地方的车辆。它们如此融入我们的日常生活，以至于我们大多数人甚至没有想到它们——即使想到了，我们也会想象屋顶上的电视天线或从电话或收音机伸出的棍子。但现实要复杂得多。
“天线只是一个辐射点，”Inovonics 的硬件设计工程师 Mark Zakhem 说道，Inovonics 是一家领先的无线技术生产商，其产品应用于高级生活和商业安全市场。“这意味着任何东西都可以成为天线，无论你愿意与否。”
这种可能性的范围为个别使用场景的天线设计正确或错误带来了无限的机会。例如，特定情况下的理想天线形状可能是圆形、方形、柱形、螺旋形，甚至是印刷电路板上的扁平贴片。它必须在特定的频率范围内并且通常以特定的辐射方向图进行辐射。每个人都会以不同的方式对其周围的环境做出反应。
“在 Inovonics，我们的大多数产品都需要独特的定制印刷天线，”Zakhem 说。
“每个天线都经过调整，以适合您需要的产品或环境的特定频率进行辐射。但周围环境中的材料可能会干扰并产生与理想频率点的偏移并向左移动，从而有效地使天线失谐。我们根据这些场景创建天线。例如，周围没有任何东西的辐射天线将与您为靠近某人脸部或在他们走动时手持的手持产品选择的天线有很大不同。”
天线设计的挑战
设计出精确的天线是一项经常被比作黑魔法的挑战。事实上，这项工作的工具之一是“黑魔法史密斯圆图”——射频工程师使用的史密斯圆图的一个版本，其中包括用于天线设计和分析的附加参数。
“针对不同情况设计天线是一个非常有创意的过程，”扎坎说。“它包括天线运行环境特有的工程挑战。例如，它会在外壳中吗？附近是否有塑料或金属会使天线失谐？如果是这样，您如何设计一个在该位置正常工作的天线？围绕所有这些参数进行设计非常重要。”
为了实现当今天线的准确性和可靠性，超越理想频率点也至关重要。
“如果你设计一个天线来匹配你已经确定的频率点，并在那里结束你的指标，你可能仍然会发现它运行的环境会产生信号丢失的地方，”扎坎说。“您需要能够在其工作环境中看到天线，了解它如何在该区域周围分散并找到这些点。如果您的设计中没有包含这些测量值，那么您尝试通信的产品中的天线可能会遇到信号问题。”
通过模拟进行微调
仿真对于高级天线设计所需指标的范围和精度至关重要。Zakhem 在本科和硕士学习期间使用了许多不同的仿真解决方案，但他发现SIMULIA的CST Studio Suite ® 非常适合天线设计。
“对于天线设计，我想要一个在用户界面级别易于使用的程序，同时与其他技术一样深入和先进，”Zakhem 说。“CST Studio Suite 是这两种规格的完美结合。与其他程序相比，它使高级功能更易于访问和查找。有了 CST，我可以利用更多功能。”
在独特的环境中优化性能
CST Studio Suite 将功能与可用性相结合，使 Zakhem 能够应对天线设计的多重挑战。该解决方案使围绕操作和情境参数优化设计变得更加容易，而无需构建多个原型。
“我们能够代表完整、独特的环境，并模拟天线在其中的工作方式，”扎坎说。“我们使用这些工具来确定天线的最终性能指标，并查明我们需要返回并更改设计的任何区域。”
这远远超出了完善标准设计的范围。3D 仿真功能开启了以前根本不可能的创新方法和设计策略。
“我在过去一年半的时间里建造了一些非常规天线，我认为如果没有 3D 模拟，这些天线是不可能实现的，”Zakhem 说。“你真的可以打破创造力的界限，因为你现在可以对其进行多次模拟，直到获得看起来不错的结果，而不用等待数月或数年来制作奇怪的天线设计原型。这使我们能够设计一种天线，以适应在过去我们甚至不会考虑安装它的情况。”
验证新设计
电场、磁场和远场测量的 3D 结果为 Zakhem 的设计增添了一个关键维度。通过这些镜头观察天线，他可以验证每个新产品的性能、定位和设计。
“观察电场、磁场和远场可以让您对天线的性能有不同的看法，”Zakhem 说。“电场和磁场可以帮助您了解它是否从正确的位置正确辐射。对于从事这些产品工作的工程师来说，这是一个很好的验证点，可以让他们知道设置是否正确。同时，观察远场可以帮助您了解天线的辐射方向图——本质上是它如何向外流动。这可以帮助您了解天线的最佳放置位置，或者是否应该更改设计以优化该模式。”
更好、更快的设计
Zakhem 将先进的 3D 建模视为现在和未来更好、更快和更具创新性的产品设计的驱动力。
“如果没有 3D 建模，天线研发将花费更长的时间并且难度更大，”Zakhem 说。“原型制作将需要更长的时间并涉及更多的修改，因为没有模型可供使用，您必须依赖现实生活中的实验室测量和数据点。拥有这些建模系统意味着我们可以更好更快地完成工作，并设计每个天线，使其在其运行环境中发挥最佳性能。从设计产品到将其推向市场，这是一个全面的双赢局面。”
同时，3D 仿真将在先进技术背后的工程发展中发挥重要作用。
“CST Studio Suite 帮助我发展和提高作为一名工程师，特别是作为一名天线设计师的技能，”Zakhem 说。“它让我可以自由地进行设计、直观地设计并尝试在实验室环境中无法完成的新事物。这帮助我成长为一名工程师，并让我对我帮助创造的产品的可能性有了新的见解。”
