【無線射頻仿真】-為智能手機(jī)開發(fā)可靠天線

1/1為智能手機(jī)開發(fā)可靠天線1983年推出的第一款商業(yè)化手機(jī)在當(dāng)時(shí)被更多地視為昂貴的新穎事物，而非一種必備工具。這款手機(jī)重約2磅，售價(jià)相當(dāng)于今日的9,000多美元，因其體積大而眾所周知，在它10英寸長的機(jī)身頂端還可延長出一條超過5英寸長的橡膠鞭天線。盡管它的外觀尺寸如此巨大，但是它的電池充一次電，只能維持30分鐘的通話。

在過去三十年里，移動(dòng)電話技術(shù)已經(jīng)經(jīng)受了數(shù)代進(jìn)展，與此同時(shí)，快速擴(kuò)展的特性被集成到更加小巧、輕巧、廉價(jià)的封裝里?，F(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備更像是高度便攜的個(gè)人計(jì)算機(jī)而非電話。然而，打算設(shè)備無論在何處都能夠進(jìn)行自由通信的一個(gè)很大因素，仍舊是它的天線。對移動(dòng)電話行業(yè)來說，要想設(shè)計(jì)出形狀小巧的手機(jī)，結(jié)構(gòu)簡潔的多頻帶和寬頻帶內(nèi)置天線已經(jīng)成為一項(xiàng)必需面對的挑戰(zhàn)。電話制造商在不斷生產(chǎn)具有更多選項(xiàng)的器件的同時(shí)，必需保持生產(chǎn)成本低廉。全部這些多樣化的功能彼此影響，在天線設(shè)計(jì)的原有挑戰(zhàn)之上再添難度。

要想設(shè)計(jì)出形狀小巧的手機(jī)，結(jié)構(gòu)簡潔的多頻帶和寬頻帶內(nèi)置天線已經(jīng)成為移動(dòng)電話行業(yè)必需面對的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

▲上圖：幾何結(jié)構(gòu)圖所示的是器件PCB上建議的耦合饋入印刷天線設(shè)計(jì)的位置。下圖：天線金屬圖案的尺寸（單位：mm）。輻射帶位于頂部邊緣。薄電感短路帶沿著輻射帶的左側(cè)延長。T形耦合電容帶位于右側(cè)輻射帶的下方。

工程師團(tuán)隊(duì)使用ANSYSHFSS設(shè)計(jì)的小型多頻帶內(nèi)置天線能夠跨越八個(gè)不同頻帶工作。

在中國江南電子通信討論所，一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)使用ANSYSHFSS設(shè)計(jì)出的小型內(nèi)置多頻帶天線能跨越八個(gè)不同頻帶工作。假如無線設(shè)備想要用作電話和計(jì)算機(jī)時(shí)都能正常工作，就需要能發(fā)送和接收寬頻帶信號(hào)（824MHz到2,690MHz）、多頻帶信號(hào)（GSM：850MHz、900MHz、1,800MHz和1,900MHz；UMTS：1,920MHz到2,170MHz；WLAN：2,400MHz；以及WiMAX：2,300MHz、2,500MHz）。WLAN、WWAN和WiMAX都是最流行的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)類型，而WLAN2,400MHz屬于藍(lán)牙連接所需的頻率。GSM和UMTS頻帶則用于全球手機(jī)通信，包括2G、3G、3.5G和4GLTE。

▲在多頻帶信號(hào)和寬頻帶信號(hào)的頻率范圍內(nèi)，測得的反射損耗值（單位：dB）與采納ANSYSHFSS猜測的反射損耗值的對比。虛線表示電壓駐波比（VSWR）的等效值，用于表現(xiàn)指示頻率上的阻抗匹配度。

▲制成的內(nèi)置平面印刷天線的前視圖（左）和后視圖（右）

▲頻率為900MHz（左）、1,900MHz（中）和2,600MHz（右）的建議天線設(shè)計(jì)的金屬部分表面電流密度等值線圖。顏色代表電流密度，紅色為最強(qiáng)。

▲在頻率為(a)900MHz、(b)1,900MHz和(c)2,600MHz時(shí)，測得的建議天線的輻射圖

該團(tuán)隊(duì)使用仿真技術(shù)討論了各種天線設(shè)計(jì)。他們轉(zhuǎn)變輻射、耦合和電感短路帶的長度和寬度，以及短路和饋入引腳的位置。為了進(jìn)行HFSS仿真而修改尺寸會(huì)帶來散射參數(shù)（S參數(shù)）的顯著轉(zhuǎn)變，尤其是反射損耗（S11）。反射損耗可以用于推斷天線在不同頻率下的性能。為了改善824MHz到2,500MHz頻率范圍內(nèi)的反射損耗值，該團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了尺寸。

推斷天線性能的其它方法還有電流分布法、遠(yuǎn)場方向法、增益和天線效率法。該團(tuán)隊(duì)仿真了天線在900MHz、1,900MHz和2,600MHz頻率下的電流分布和遠(yuǎn)場方向圖。輻射帶和短路帶上強(qiáng)大的表面電流安排說明這些走線是支持天線在較低頻率頻帶下工作的主要緣由。長耦合帶掌握著1,900MHz下的諧振模態(tài)，而短耦合帶掌握著2.600MHz下的諧振模態(tài)。各向垂直極化的平滑變化說明天線掩蓋良好。

在較低頻率下，輻射頻率曾發(fā)生過50%到64%的變化，在較高頻率下，曾發(fā)生過62%到77%的變化，而天線效率只要大于45%就足以滿意移動(dòng)電話的實(shí)際應(yīng)用需求。

最終經(jīng)過優(yōu)化的設(shè)計(jì)需要15mmx45mm的適中PCB面積（不含頂部或底部的接地面）。該天線設(shè)計(jì)由輻射帶、電感短路帶和耦合帶組成。輻射帶最長，位于PCB接地面外的頂部邊緣。電感短路帶僅為0.5mm寬，通過PCB上的孔讓系統(tǒng)短接到地。耦合帶位于輻射帶和電感短路帶之間。耦合帶可為輻射帶和電感短路帶供應(yīng)激勵(lì)電壓。輻射帶和電感短路帶一起供應(yīng)低頻段的GSM諧振。耦合帶有兩個(gè)分支，可生成1,710到2,690MHz的較寬的高頻帶。

◤依據(jù)仿真和試驗(yàn)結(jié)果，該設(shè)計(jì)適合直接印刷在器件的系統(tǒng)PCB上。◢

為確認(rèn)HFSS仿真結(jié)果，團(tuán)隊(duì)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）和消聲室測試了該天線。由于天線印刷在PCB上，團(tuán)隊(duì)使用50歐姆的同軸饋入信號(hào)在天線饋入點(diǎn)上激勵(lì)天線。為仿真真實(shí)狀況，測試中也使用了1mm厚的塑料外殼，外殼和PCB之間的間距為1mm，再現(xiàn)了手機(jī)的構(gòu)造。仿真得到的反射損耗值與通過物理試驗(yàn)得到的實(shí)際反射損耗值特別吻合。

在使用仿真工具之前，工程師不得不先構(gòu)建原型，然后使用能夠確保仿真結(jié)果的相同設(shè)置單獨(dú)地測試每一個(gè)設(shè)計(jì)方案。這是一種特別低效的方法，每一項(xiàng)待評估的設(shè)計(jì)都要花費(fèi)數(shù)星期，幾乎沒有時(shí)間去優(yōu)化和測試那些創(chuàng)新性改進(jìn)。

▲測得的建議天線的輻射效率和天線增益：(a)GSM850/900MHz頻段；(b)GSM1,800/1,900MHz/UMTS2,100MHz和WLAN2,400MHz/WiMAX2,300/2,500MHz頻段

在設(shè)計(jì)過程中引入ANSYSHFSS之后，該團(tuán)隊(duì)在構(gòu)建原型之前就討論了多種天線的配置，并優(yōu)化了設(shè)計(jì)，從而節(jié)約了20%的物料成本。工程師能夠運(yùn)行20種不同仿真來分析各種天線的配置，并僅用三天時(shí)間就完成最終設(shè)計(jì)的優(yōu)化