重获听力

作者: Casey Murray, 美国伊登普雷里斯达克听力技术公司高级射频设计工程师。

仿真技术借助快速迭代设计提高助听器性能并节约时间与资金。

Save PDF 订阅
Starkey hearing aid

随着制造商不断增加无线技术,同时助听器也变得越来越纤巧,这带来了巨大的设计挑战。

现在我们通常认为智能手表和健康设备是最早的可穿戴电子产品,但在很早之前,助听器就已经是开始改善数百万人(甚至是上亿人)生活质量的可穿戴电子设备。最近助听器市场快速演进发展,新问世的无线助听器在佩戴过程中即可修改设置;另外,此类助听器还可以与智能手机等电子设备通信。由于必须在极小的封装内高度集成天线与其它无线组件,因此,这些产品的设计非常复杂。让天线满足这些约束条件会降低天线性能,而且有可能与其它电子组件产生近场耦合效应。斯达克听力技术公司推出的射频工程师解决这些难题的方法是:采用ANSYS HFSS 仿真工具 优化天线设计,同时考虑其它组件及佩戴者身体产生的影响。最终不仅显著提高了助听器的性能,而且还降低了产品开发时间与费用。

设计挑战

随着斯达克听力技术公司推出900MHz 无线助听器技术,助听器佩戴者现在可以重新选择采用无线方式连接多媒体设备和轻松修改助听器设置。例如,可以通过配件将助听器连接到电视与智能手机等电子设备。这些助听器产品另外采用的无线配件允许用户或医疗专家在不摘除助听器的情况下即可对其进行调节。除了配件通信功能之外,900MHz 信号还可用于助听器之间的通信(耳对耳通信)。由于助听器能够通过耳对耳指令保持同步,因此这种技术使用户能够控制左耳与右耳助听器实现不同操作配置(如:左耳控制音量,右耳控制存储)。

除了斯达克听力技术公司的900MHz 产品之外,最近市场中还推出了Halo™,其是一款iPhone® 专用的2.4GHz 无线产品。Halo 利用蓝牙无线技术直接与iPhone 通信,因此用户可以将来电和音乐传输到助听器,同时能够通过手机中的应用控制体验。

随着制造商不断增加无线技术与其它功能,同时助听器也在变得越来越纤巧,这带来了巨大的设计挑战。助听器包含众多组件,其中包括麦克风、柔性印刷电路板、电池、接收器与天线,而且许多情况下还包含通信线圈。柔性印刷电路板包含60 多种不同组件与集成电路。射频设计人员必须在有限空间内管理所有这些组件,而这样很容易降低天线性能。过去天线设计是基于教科书与文献,而这种方法只能解决非常简单的几何结构,但是无法考虑助听器与佩戴者身体其它组件产生的潜在相互作用。最艰巨的挑战是设计装入耳内的助听器,因为其尺寸极其微小。为了适合佩戴者的耳朵,这些产品的外封装采用定制设计。这意味着相关电子产品必须足够小,才能适合助听器设计所支持的最小耳朵尺寸。

斯达克听力技术公司增加了HPC License的数量,从而使仿真时间缩短90% 以上。

仿真过程

Hearing aid worn inside ear
对于耳内佩戴的助听器,所有组件必须适合支持最小耳朵尺寸的封装。
Hearing aid mobile accessory
斯达克听力技术公司的SurfLink®移动配件设备可以与助听器通信。
Hearing aid components
助听器组件

ANSYS HFSS 帮助斯达克听力技术公司的射频设计人员解决了这些设计难题,此技术能够仿真一系列迭代设计方案,其中将众多因素纳入考虑范围,例如天线、助听器组件以及用户身体的实际几何结构等。工程师必须生成使天线符合封装条件的概念设计。最大的建模障碍是对大组件(如头部等)进行网格剖分时还需将小组件(如助听器电路等)考虑在内。斯达克听力技术公司的工程师与ANSYS 的应用工程师密切合作开发了相关过程,其能够创建可连续剖分网格的模型。此外,斯达克听力技术公司团队还开发了用于前处理、运行仿真和后处理的脚本,其可确保在不同设计人员和项目之间对仿真结果进行比较。

仿真顺序通常从作为子系统独立进行天线建模入手,然后再结合其它助听器组件进行天线建模。最后,将天线与助听器放入佩戴者头部作为一个完整系统进行仿真,以了解佩戴者身体的功率吸收如何影响天线性能。工程师需要评估所建议的设计方案是否能够在佩戴者头部尺寸、耳形和助听器佩戴位置不断变化的情况下也能满足性能要求。仿真使工程师能够了解设计方案对各种参数的敏感性,如:天线拓扑结构、构成天线的铜线宽度和天线激励位置等。工程师可以从模型轻松添加与删除助听器组件,从而了解它们对天线性能的影响。

Antenna simulation
单独天线
Antenna and hearing aid simulation
天线加助听器组件
Hearing aid and body simulation
头部上的天线加助听器组件

迭代产生最佳设计

天线设计过程一般从开发链路预算开始,其可以获得助听器性能要求。这些任务取决于两个关键指标:总辐射功率(TRP)(用于助听器到配件通信)和接收灵敏度(用于配件到助听器通信)。在了解了与天线连接的射频性能之后,就可以从上述两个指标确定相关要求。工程师采用HFSS 计算天线的辐射效率,其加上向天线发送的功率就可以求出TRP。另外设计人员了解天线辐射特性时,还需要考虑一些其它关键天线参数。其中一个例子是有效全向辐射功率(EIRP),其是以单一角度辐射的功率。此量值通常在最大天线增益方向中引用。设计人员可以用来自HFSS 的峰值实际增益加上天线入射功率获得助听器的预测EIRP。无论天线的类型、尺寸或形式如何,HFSS 都能帮助设计人员根据这些关键指标对不同的天线设计进行比较。

此外,仿真还可用于诊断建议设计方案的性能并了解如何提高性能。例如:

  • 阻抗图可以预测天线在某个频率范围内的阻抗以及用于使负载阻抗(天线阻抗)匹配源阻抗,从而实现最大功率传输。
  • 辐射图可用于调节天线功率辐射方向,以尽可能降低因辐射到人体而浪费的功率和最大限度提高辐射到配件或智能手机的功率。
  • 电流密度图显示各个助听器组件与天线之间的潜在相互作用。

仿真结果通过消声室(墙壁可以完全吸收电磁辐射的房间)中的测试进行验证,其中待测设备与外部能源隔离。测量结果与仿真预测非常吻合,通常不超过1~3dB。

Impedance plot
阻抗图
Radiation pattern
辐射图

仿真技术能够在每个设计项目中节约数月测试时间和大笔资金。

过去是在8 ~ 1 6 核高性能计算(HPC)塔上执行HFSS 仿真,其中每个核需要11.5 小时完成计算。斯达克听力技术公司最近转换到一种HPC 集群,其能够由公司的所有设计人员轻松访问并提供对ANSYS HPC licenses 的高效利用。HPC 集群硬件包含一个用于调度的虚拟节点以及三个计算节点,每个节点配备48 核与192GB 的RAM。HPC集群采用48 核将仿真时间缩短到一小时以内。仿真时间缩短90% 以上使斯达克听力技术公司的设计人员能够在项目期限内迭代更多设计变量,从而为最终用户提供可靠性更高的产品。

Hearing aid test
消声室中人体测试

随着当今的助听器越来越多地采用无线技术,电磁性能对助听器性能与可靠性的重要性也在日益提高。仿真技术能够在设计过程的早期阶段考虑各种天线设计和组件布置策略的影响。此外,仿真还能够使工程师在原型设计阶段之前考虑不同头部几何结构和佩戴位置对建议设计方案性能的影响。通过借助虚拟原型(而非物理原型)来重新改善天线选项,仿真技术可以在每个设计项目中节约数月的测试时间以及大笔资金。此外,采用工程仿真还可以降低昂贵的重复机械工具迭代的风险。斯达克听力技术公司拟将采用更广范围的头部模型和集成全身仿真来增强其仿真技术的部署。

与 ANSYS 取得联系

联系我们
联系我们