手機(jī)天線在整機(jī)環(huán)境下的效率分析與仿真

1、 天線在整機(jī)環(huán)境下的效率分析與仿真摘 要：本文建立了整機(jī)環(huán)境下的天線等效電路；該等效電路能夠簡(jiǎn)單清晰地被用來分析天線的效率及其他指標(biāo)。文章討論了天線在整機(jī)環(huán)境下效率損耗的各種來源以及相關(guān)的改良措施。通過在SEMCAD下仿真實(shí)際的 天線模型，證實(shí)了由等效電路分析得出的結(jié)論。最后對(duì)實(shí)測(cè)與仿真在效率上的差異進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞： 天線，輻射效率，等效電路， 仿真，SEMCADEfficiency Analysis and Simulation of Mobile PhoneAntennas in the Whole Device En viro nment11i2YANG zhenchao, NIE

2、zaiping , ZONE xianzheng , BAN yongling(School of Electro nic Engin eeri ng, Un iversity of Electro nic Tech no logy and Scie nee of Chi na, Chen gdu 610054)2(She nzhe n Huawei Communi cati on Tech no logy Compa ny Ltd., Shen zhe n 518129)Abstract: In this paper, an equivale nt circuit model of ante

3、nnas un der the whole device circumsta nce is established, which can help analyzing the efficiency and other performance of antennas easily and clearly. Then the various sources caus ing the deteriorati on of the efficie ncy of antennas in the whole device environment and their releva nce measures f

4、or improveme nt are discussed. The con clusi on from the an alysis of the equivale nt circuit is con firmed by simulati ng practical mobile phone model in SEMCAD. Fin ally, the differe nce in the antenna efficie ncy betwee n measureme nt and simulati on is an alyzed.Keywords: Mobile phone antenn as;

5、 Radiati on efficie ncy; Equivale nt circuit; Mobile phone simulati on; SEMCAD1引言移動(dòng)通信的不斷開展對(duì)終端天線提出了寬頻帶、小型化、高效率等要求。其中提高 天線的效率不僅是提高鏈路通信質(zhì)量的要求，也是減少輻射能耗、 改善 內(nèi)部電磁環(huán)境的要求。然而眾所周知 內(nèi)部是非常復(fù)雜的金屬介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)，要提高 天線的效率勢(shì)必要求設(shè)計(jì)者事先對(duì) 各局部器件對(duì)效率的影響建立清晰的物理圖像，正確地理解各種效率損耗的來源。然后以此為根底在設(shè)計(jì)過程中躲避各種可能導(dǎo)致效率損耗的因素。另一方面，隨著計(jì)算電磁學(xué)和計(jì)算機(jī)的開展，復(fù)雜的精細(xì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)能

6、夠得到較為準(zhǔn)確的仿真模擬。通過電磁仿真軟件對(duì)效率進(jìn)行精確的模擬仿真，將幫助天線工程師在設(shè)計(jì)的早期正確評(píng)估天線的性能， 從而縮短研發(fā)的周期。 合理地簡(jiǎn)化模型并賦予適宜的電磁參數(shù)以防止 繁復(fù)的計(jì)算，同時(shí)保證仿真得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，成為仿真 天線中的關(guān)鍵問題。本文首先回憶了天線效率的定義及其構(gòu)成；通過建立整機(jī)環(huán)境下天線的等效電路，分析了影響天線性能特別是效率的因素并提出了相關(guān)的措施。然后我們對(duì)華為的一款 天線進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了由等效電路分析得出的結(jié)論。最后討論了仿真與實(shí)測(cè)在天線效率方面差異的原因。2天線的效率及等效電路2.1自由空間中的天線天線的等效電路如圖1所示將天線看成帶損耗的諧振器。 其損耗來

7、自天線的輻射和 歐姆損耗，而天線近場(chǎng)往復(fù)振蕩的能流， 如同諧振器中的無功功率，可以等效為由電容電感 組成的諧振器。由此可以將天線的n匹配網(wǎng)絡(luò)?|1J1圖1自由空間中天線的等效電路RiQ值定義為:Q二單位時(shí)間的儲(chǔ)能(1)X中心頻率sysmatRrR R(4)從公式可以看出，匹配效率可以通過匹配網(wǎng)絡(luò)來彌補(bǔ)，而提高輻射效率的途徑不外乎從提高輻射電阻 Rr和降低損耗電阻 R入手。一方面降低損耗電阻就要求選用高導(dǎo)電率的導(dǎo) 體以及低損耗的介質(zhì)。另一方面當(dāng)天線電尺寸較小時(shí)，輻射電阻與天線的電尺寸緊密相關(guān)， 電尺寸的縮小往往伴隨著輻射電阻的降低。輻射電阻的降低一般無法通過天線的阻抗值反映出而只能通過輻射效率來

8、觀察，因?yàn)橹挥性谔炀€自身結(jié)構(gòu)沒有匹配作用即不會(huì)形成等效電容 電感的情況下，輸入電阻才能看成是由輻射電阻和損耗電阻組成。2.2整機(jī)環(huán)境下的天線整機(jī)環(huán)境包括電介質(zhì)如 外殼、按鍵、液晶屏等部件，磁介質(zhì)如話筒、聽筒和揚(yáng)聲器中的磁鐵，金屬如屏蔽罩、電池殼、振動(dòng)器以及電路板包括柔性PCB板FPCB 上復(fù)雜的金屬布線。下面將分析各局部對(duì)天線性能的影響。 中電介質(zhì)的介電常數(shù)及尺寸會(huì)影響天線的諧振頻率，同時(shí)電介質(zhì)的導(dǎo)電率及磁介質(zhì)的磁滯效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致輻射效率的降低。各種金屬結(jié)構(gòu)將改變天線的電流分布，造成諧振頻率的偏移。另外如果機(jī)內(nèi)的電磁兼容沒有處理好，將導(dǎo)致電磁能量通過電路走線或是FPCB耦合入電路元件，不僅造成天線

9、自身的輻射效率下降也將增加元器件工作時(shí)的背景噪聲。根據(jù)上述分析，可以對(duì)此時(shí)天線的等效電路進(jìn)行修改， 如圖2所示，整機(jī)環(huán)境的加載可 以等效為電容的電介質(zhì)加載、 電感的磁介質(zhì)加載以及電磁耦合， 另一方面金屬的加載會(huì)改變 輻射電阻、損耗電阻及天線結(jié)構(gòu)的匹配效果。匹配網(wǎng)絡(luò)'圖2整機(jī)環(huán)境中天線的等效電路從上述分析可以看出，要改善整機(jī)環(huán)境下天線的效率，需要做到以下幾個(gè)方面： 盡量選用低損耗的電介質(zhì)和磁介質(zhì)；做好電磁兼容，包括屏蔽、接地、濾波和控制FPBC長(zhǎng)度等方面；金屬部件布局妥當(dāng)，與天線保持必要的距離；調(diào)節(jié)好天線結(jié)構(gòu)或是匹配電路，使得匹配效率盡量高。由于整機(jī)環(huán)境實(shí)際上處于天線的近場(chǎng)區(qū)中， 近場(chǎng)區(qū)

10、的特點(diǎn)是相位變化劇烈、 場(chǎng)的強(qiáng)度隨 距離快速下降，為了盡量減小對(duì)天線的影響，各部件都應(yīng)防止和天線距離過近， 特別是高損 耗的部件。3實(shí)際天線的仿真本文的仿真平臺(tái)采用 SEMCAD， 天線的模型由華為公司提供。在仿真的過程中， 對(duì)同一模型分別用寬帶和諧波兩種鼓勵(lì)模式進(jìn)行饋電5。先用寬帶模式考察 天線的阻抗特性，得到S11曲線。再利用諧波模式得到諧振頻率下天線的效率以及輻射特性。網(wǎng)格的剖分對(duì)結(jié)果影響較大，適宜的剖分精度需要權(quán)衡結(jié)果的準(zhǔn)確度和運(yùn)算時(shí)間。對(duì)于最為重要的天線及饋電局部，其最大的網(wǎng)格步長(zhǎng)設(shè)置為0.0015 ，而對(duì)于 其他區(qū)域，為保證仿真的準(zhǔn)確性，最大網(wǎng)格步長(zhǎng)設(shè)置為0.07，。寬帶模式下對(duì)整

11、機(jī)進(jìn)行剖分得到3.9M網(wǎng)格。原始的 模型和原剖分后的模型如圖3所示。圖3原始 模型及剖分后的模型為了簡(jiǎn)化模型， 內(nèi)小于1mm3的器件不會(huì)進(jìn)行剖分。 通過搜集各部件的資料同時(shí)將 仿真同實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比擬和優(yōu)化，設(shè)定各個(gè)部件的電磁參數(shù)如表1。表1材料參數(shù)的設(shè)置電介質(zhì)a 外殼0.012.8PCB介質(zhì)0.014.4液晶玻璃0.023.5液晶介質(zhì)0.14.5天線支架0.0052按鍵橡膠0.024金屬5.8e71磁介質(zhì)叭巴話筒/聽筒1.5e61e5將 的所有部件分為三大類：介質(zhì)器件，液晶屏、話筒、按鍵橡膠等；金屬器件，馬達(dá)、屏蔽蓋、電池等； 外殼及按鍵。為考察整機(jī)環(huán)境對(duì)天線的影響，本文對(duì)五種情況進(jìn)行了仿真：

12、1. 整機(jī)；2. 去除機(jī)殼及按鍵的整機(jī)；3去除介質(zhì)器件的整機(jī)；4去除金屬器件的整機(jī)；5.只有天線及其支架和 PCB板。仿真得到的S11曲線如圖4所示，五種情況下在諧振頻率處的輻射效率和匹配效率由表 2給出。圖4五種情況下天線的 S11曲線表2 五種情況下的輻射、匹配和總效率輻射效率匹配效率總效率578.6%93.5%73.5%465.4%89.0%58.2%355.6%94.6%52.6%269.6%97.7%68.0%154.4%94.2%51.2%圖4說明外殼按鍵這種體積大且具有一定介電常數(shù)的結(jié)構(gòu)對(duì) 天線頻率的影響最為 劇烈；金屬器件對(duì)諧振頻率的影響也很大，這是由于金屬元件容易改變天線結(jié)構(gòu)

13、，從而造成天線電流路徑或是電流分布發(fā)生變化。而介質(zhì)元器件由于其體積小分布零散對(duì)諧振頻率的影響有限。觀察表2，可以發(fā)現(xiàn)天線的支架、外殼和按鍵模塊對(duì)輻射效率的影響最大，一方面由于 這些結(jié)構(gòu)本身就是有耗的，另一方面由于具有一定的介電常數(shù)，這些結(jié)構(gòu)可以使電場(chǎng)更加緊密地束縛在 天線附近， 從而使得更多的能量損耗在 內(nèi)部的各有耗器件上。金屬器件本身損耗并不大但是由于其能改變電流分布，使得電流更靠近有耗的外殼和介質(zhì)器件，從而降低天線的輻射效率。介質(zhì)器件的有耗性決定了其降低輻射效率作用，但由于體積小且分布散所以介質(zhì)器件降低的幅度并不大。根據(jù)上述仿真結(jié)果，可以看出：為提高天線的輻射效率，應(yīng)選用低損耗和低介電常數(shù)

14、的 機(jī)殼、按鍵及介質(zhì)器件，同時(shí)注意金屬器件盡可能避開高損耗的介質(zhì)器件。4與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差異分析該款 天線是普通的單頻PIFA，其在整機(jī)環(huán)境下的實(shí)測(cè)諧振頻率為872MHz，總效率為35%?？梢钥闯龇抡娴玫降闹C振頻率與實(shí)測(cè)值吻合很好，但是效率差異較大。原因分 析如下：首先，在測(cè)量 天線過程中沒有對(duì)饋電的同軸電纜進(jìn)行無耗的扼流處理，參加鐵氧體環(huán)雖然能夠起到減小同軸電纜影響的效果，但它是以吸收一局部電纜外皮上的電流為代價(jià)， 其結(jié)果是導(dǎo)致測(cè)試的輻射效率偏低。如果能通過無耗的巴倫來遏制同軸外皮上的電流，可以預(yù)期測(cè)量的輻射效率將會(huì)得到提高。其次，在仿真方面，建立的模型對(duì)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特別是有耗元器件及饋電結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化是否會(huì) 對(duì)仿真結(jié)果造成影響還有待進(jìn)一步的研究。5結(jié)論本文建立了整機(jī)環(huán)境下天線的等效電路，該等效電路可以為天線設(shè)計(jì)者提供清晰的物理圖像。文章分析了天線效率損耗的來源并提出了相關(guān)的躲避措施。通過仿真實(shí)際的 模型，驗(yàn)證了由等效電路做出的結(jié)論，分析了不同類型的部件對(duì)天線輻射性能的影響。最后對(duì)實(shí)測(cè)和仿真在效率上的差