作者：塔伦·乔拉，Remcom公司
在设计和开发用于穿戴式应用的无线设备时，必须解决若干技术难题以确保可靠的体表射频传播。关键因素包括设备所用材料（可能影响信号干扰）、重量、舒适度、成本以及与其他系统组件的兼容性。此外，人体本身作为天线结构的复杂动态部分发挥着作用。 传统方法如物理原型测试和人体射频工程常用于评估天线性能，但往往需要多次迭代且难以捕捉所有现实复杂性。射频传播仿真技术使工程师能够在远低于现场测试的时间和成本下，验证大量真实使用场景。此外，仿真技术提供强大的可视化辅助工具，并为提升可穿戴无线设备的性能与设计提供宝贵洞察。
射频测试与测量的数字孪生：挑战与机遇
美国食品药品监督管理局（FDA）当前要求的人体工程学设计，其核心在于防范医疗设备可能引发的辐射危害。关键在于确保设备辐射强度始终保持在国际规定的比吸收率（SAR）阈值或以下。虽然降低系统功率可减少SAR值，但此举会增加信号丢失的风险。
无论如何，围绕模拟技术的法规既未能跟上技术与工艺的进步，也未能适应消费市场需求的发展。大规模物理测试通常仅限于财力雄厚的企业，这些企业的顶级产品不仅设计美观、运行无瑕，还配备全天候专业客服支持。用户体验始终是设计的核心，并推动着高端定价策略。
随着产品价格的降低，伴随成本下降的关键变化往往是功能的潜在削减——这通常源于系统复杂度的降低。例如，设备用户能够定位丢失的手机或汽车，那么为何不能定位无线耳机？启用该功能可能导致产品重量或成本增加，或改变设备形态，从而牺牲用户体验。
通过仿真技术实现零原型设计阶段，能够使高功能产品的开发过程更快、更易于实施且成本更低。
机械工程师、射频工程师与硬件工程师之间形成共生协作的生命周期，最终促成产品设计的成功。
初始设计（产品ID，核心部分）由工业工程师把控。机械工程师通过添加约束条件确保设计可行性，例如外观与物理触感。随后，PCB工程师制定设备规格参数，如CPU速度和RAM容量。对于天线工程师而言，设备代际更迭的核心在于支持更多频段。这将引发一系列与频率、带宽及应用场景密切相关的问题。
因此，设计必须在多种场景和频率下进行验证和测试，以克服固有的射频传播挑战，包括电磁干扰（EMI）、失感、耦合损耗、调谐匹配网络，并考虑增益模式的变化。如果这种跨学科协同作用无法和谐运作，消费类产品就无法开发成功。当产品射频团队准备好经批准的设计后，验证团队的任务就是验证其实际产品使用的商业可行性——实际上就是其有效性。
为优化该流程，产品射频团队与验证团队必须紧密协作。在消费电子行业（包括手机和笔记本电脑制造商），这些团队过去往往各自为政，因为当时使用的频段和设备数量极少。 如今技术复杂性激增，需执行大量测试，且待验证的设备迭代版本数量庞大，因此促进团队间理解至关重要。借助电磁仿真技术，这种协作机制还能帮助识别需要额外仿真和/或物理测试的边缘应用场景——从创新应用到新一代无线设备皆然。
如何实现人体模拟
仿真技术能够在无需任何原型机的情况下呈现设计流程。工业设计的早期阶段无需通过实体硬件验证。例如，初始阶段的耳塞可采用简易圆柱体造型：这种设计足以验证天线布局等功能特性，但该方案在量产过程中完全不可能保持完整形态。
作为原型制造的这款耳塞可能被标记为P0；它甚至可能无法启动。经过各方利益相关者的反复调整——外壳的结构和形状可能随之演变，产生影响PCB和天线工程师的连锁反应——下一代原型P1就此诞生。尽管P1与P0大相径庭，但它仍无法投入量产。 多数项目都经历如此多次迭代，随着原型制造和测试的推进，成本会迅速攀升。
然而，随着应用场景日益复杂多样，无线工程师进行有效电磁建模、测量系统路径损耗及多径传播的能力正面临严峻挑战。 因此，使用原型机和物理测试区（如抗回声室）进行的测试测量变得越来越耗时、繁琐且成本高昂。值得庆幸的是，全波3D电磁与基于射线的技术已通过"电磁孪生"替代物理原型机，证明其具备高精度与可扩展性。如今，通过仿真技术可验证所有由回波室测试原型机生成的数据。
设想一个测试场景：佩戴者后裤袋中放置一对耳塞、一只智能手表和一部手机，所有设备均通过2.46 GHz蓝牙连接运行。其中电池容量最大的手机作为蓝牙信号源。由于每台设备的天线仅有一个端口，耳塞、手表和手机共同构成一个四端口S参数矩阵。
在此示例中，手机播放音乐时，会通过表面波（随深度衰减）将信号沿人体向上传导至环境中。电磁仿真虽能模拟这些波，但直到最近仍仅限于自由空间场景。虽然考虑了人体和设备的影响，但排除了来自地面、房间、汽车等环境对信号的干扰。
在室内测试中，通过模拟人体的物理全身模型来捕捉这种效应。在仿真中重现该效应至关重要，因为环境特征可为天线工程师所利用。每件可穿戴设备中的天线向外辐射能量，与附近表面和材料相互作用/反射，随后返回被设备天线接收。目标是保持信号稳定并防止信号衰减。
Remcom可模拟多种应用场景——包括密集城市环境、室内环境、非地面网络（NTNs）、5G用户设备侧链路及传感系统——模拟时长可覆盖数秒至数小时。 在考虑线性材料与环境时，基于表面等效定理，辐射系统可通过完全包裹结构的直方体表面上的电场与磁场电流密度来表示。该直方体称为惠更斯表面或惠更斯箱，既能捕捉箱体内的近场效应，又能预测这些场如何向外传播至更大环境（或反之）。
该方案旨在捕捉人体天线辐射的近场区域，并将信号传输至测试人员可在环境中移动的模拟人体。此举至关重要，因为工业与机械工程师通常基于静态物理模型进行无线测试来设计移动设备；而验证团队必须在真实场景与环境中测试设备，这意味着需要精确模拟并评估动态佩戴者产生的影响。
Remcom将近场天线效应纳入天线性能仿真，从而能在真实环境中分析移动性、多径效应以及与人体佩戴设备的交互影响。
展望未来，Remcom正致力于在现有技术限制下尽可能缩短测试场景的运行时间。目标是在人体于环境中运动时，对不同频率带宽下多种人体构型进行S参数矩阵建模。 简言之，目标是建模真实场景，但需将任务分解为更小的单元：每次处理一个频率，每次模拟人体一个位置。随着验证团队对仿真技术的信任度提升，验证周转时间和产品协同效应都将得到改善。
太空，人类的最终疆界……
美国宇航局的阿耳忒弥斯计划旨在将宇航员送回月球——截至本文撰稿时，最早将于2027年中期实施——该计划充分展现了模拟技术的卓越能力。 NASA已携手Remcom、Intuitive Machines、诺基亚贝尔实验室、Lunar Outpost及Axiom Space公司，共同设计月球通信系统，为宇航员提供月表高速无线网络。相关设备将集成于宇航服、月球车以及轨道与地表枢纽站，以保障通信、导航及关键任务的持续覆盖。
在如此独特的环境中运作时，必须考虑近乎无穷的使用场景和潜在挑战。例如，就移动状态下的人体传播而言，宇航员服装的反射特性将影响手持设备的射频性能；而月球陨石坑的深度与曲率则会影响通信链路性能。为此，Remcom正打造一套完整的端到端建模与仿真解决方案，用于探索月球信道仿真并分析覆盖范围。
月球陨石坑内无线InSite覆盖与多径传播仿真
这款增强版的WirelessInSite®集成了全新数据与算法，可优化月球表面材料及地形的仿真效果。它增强了用户定义月壤与基岩物理及电学特性的能力，并支持开发用于地表/地下散射的模型增强方案。该版本还包含链路级仿真的后处理工具，使用户能够评估月球场景中关键现象的影响。
美国国家航空航天局的舱外活动与地面机动计划开展了多项实践活动，旨在提升太空行走、移动操作及机动场景的执行能力，并在亚利桑那州和内华达州完成了技术演示与科学相关任务。 在亚利桑那州弗拉格斯塔夫市的测试中，宇航员身着配备天线的原型宇航服，用于评估陨石坑对通信信号及数据链路的影响。这些试验收集的数据将结合Remcom公司对月球南极区域的预测，共同推动增强型无线连接模型的研发——该区域具有类比地形特征，在建立可靠无线基础设施方面面临相似挑战。
对过去阿波罗任务的模拟，结合各类S波段信道的可用数据，为预测和优化性能提供了宝贵见解，有助于在频谱管理中最大限度减少干扰。例如评估无线基站（如4G和Wi-Fi系统）的覆盖范围，以满足宇航员身体摄像头向互联网实时传输数据的通信需求。 另一关键场景是确保通信链路安全，防止任务关键信息遭截获。实现这些目标需要全面的网络规划和频谱管理策略，例如美国国家电信和信息管理局（NTIA）下属电信科学研究所（ITS）、美国SG3和国际电信联盟无线电通信部门SG3正在制定的相关方案。Remcom正积极参与联邦通信委员会（FCC）、NTIA和NASA的月球传播建模及标准化工作。
阿波罗15号任务射频数字孪生：通过无线InSite仿真技术模拟月球着陆器天线至宇航员头盔近场惠更斯天线的覆盖范围与多径效应。惠更斯天线结果由Remcom公司XFdtd全波3D电磁仿真软件生成。图片来源：阿波罗计划档案库，公有领域，经维基共享资源授权使用。
模拟关键任务的航空航天和军事应用，有助于提升并完善Remcom公司在该领域的专业能力。例如，该公司目前正执行美国空军的合同，致力于人体热效应建模研究。该技术可应用于多种场景，包括士兵佩戴的无线电设备：研究每个士兵应佩戴多少台设备、设备在身体上的位置分布、以及设备间距如何设置才能确保最佳连接性与使用寿命，同时将干扰降至最低。 此外，商用场景如汽车座舱感知、儿童存在检测及医疗健康监测，均展现了射频与雷达技术挽救生命的应用实例。
仿真技术兼具精度与效能，适用于通道仿真器
Remcom的高分辨率人体模型以1毫米精度呈现，精准捕捉包括皮肤、血液和骨骼在内的各类人体组织的介电特性。这种高精度模型对植入物和MRI线圈设计等应用至关重要，而对于消费电子产品和可穿戴设备，简化版人体模型已能满足需求。
在动态多径环境（如城市区域、人口稠密的室内空间或存在反射表面的区域）中，无线性能对天线设计提出了重大挑战。 人体本身会产生复杂的射频交互效应，而多径传播可能导致信号衰减、干扰及用户体验不佳。天线工程师、无线空中传输（OTA）工程师及射频系统工程师必须优化天线布局，评估MIMO技术需求，并预测射频信号在人体运动状态下的传播与交互模式。
在射频实验室中，使用了无回声室、矢量网络分析仪（VNA）、测试天线和信号发生器等精密测量设备。将Remcom Wireless InSite模拟的信道冲激响应（CIR）与Spirent Vertex和Keysight PropSim等信道仿真器集成，构建了强大的生态系统，可将仿真结果与实际空中传输（OTA）测量数据相关联。 这种评估无线电环境的技术称为信道探测，其原理是发射已知测试信号，并分析接收信号的脉冲响应，从而表征信道的反射、时延扩展及多径效应。该关联过程使工程师能够将仿真结果与物理测试结果进行验证，进而优化无线信道模型，使其更准确地反映实验室无法复现的真实传播环境。 由此衍生的模型可通过改变物理房间布局、家具配置、人体位置等参数进行扩展，从而满足多种无线性能评估标准。
经过验证后，这些相关信道模型可用于为每种仿真器硬件类型生成抽头延迟线（TDL）或集群延迟线（CDL）模型。在无线物理层中，这些延迟线模型有助于模拟真实的信号传播条件，进而用于生成系统级仿真所需的I/Q（同相与正交）信号。 随后，可运用AI/ML算法优化无线芯片组的设计与性能，通过根据验证模型推导出的实时信道条件，动态调整调制方案、纠错技术及功率控制策略等系统参数。 这种端到端的仿真与测量集成技术，为射频系统创建了数字孪生，提供了一套精细优化的工作流程，完美复现了无线设备开发中的"芯片到信道"全流程。该方法最终确保了更高效、更经济的开发过程，助力打造高性能、高可靠性的新一代无线设备。
了解有关 Remcom 惠更斯表面功能的更多信息，该功能集成了动态场景中的机体近场和远场电磁建模。
关于作者
塔伦·乔拉是Remcom公司的业务发展总监，作为电气工程师，他拥有超过16年的经验，为全球创新工程团队开发和支持仿真解决方案。
