手機(jī)天線設(shè)計(jì)的理論分析

摘要中國(guó)的手機(jī)行業(yè)在近幾年快速發(fā)展，從以前的翻蓋,按鍵，側(cè)翻手機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的智能手機(jī)。觸屏，寬屏等特性對(duì)手機(jī)廠商的制作工藝要求越來(lái)越高。而手機(jī)天線作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最重要的一環(huán)，是直接關(guān)系到手機(jī)的整體性能。并且隨著人們健康意識(shí)的不斷提高，在設(shè)計(jì)手機(jī)天線時(shí)除了盡可能滿足性能要求之外，還要降低手機(jī)對(duì)人體的輻射，主要表現(xiàn)在SAR指標(biāo)上。隨著4G網(wǎng)絡(luò)的成熟和5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，手機(jī)具備的功能越來(lái)越多，因此手機(jī)通信標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越嚴(yán)格。同時(shí)還有寬屏比，超薄化等手機(jī)特性。這些都要求未來(lái)手機(jī)天線在設(shè)計(jì)上要向?qū)拵Щ?，小型化，多頻段方向發(fā)展。論文首先概括了移動(dòng)通信，手機(jī)天線的發(fā)展歷程。其次介紹手機(jī)天線的基本原理和性能指標(biāo)。隨后介紹常用的幾種手機(jī)天線類型，分析其基本原理和特性。然后從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分析手機(jī)天線面臨的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，并且系統(tǒng)地闡述如何利用手機(jī)天線小型化，多頻帶，寬帶化等技術(shù)解決設(shè)計(jì)難點(diǎn)。關(guān)鍵詞：手機(jī)天線，小型化，寬頻帶，多頻段

AbstractTheChinesemobilephoneindustryhasgrownrapidlyinrecentyears,fromthepreviousflip,keystroke,andflipphonestotoday'ssmartphones.Touchscreen,widescreenandothercharacteristicsofthemobilephonemanufacturer'sproductionprocessrequirementsaregettinghigherandhigher.Asthemostimportantpartoftheproductdesign,themobileantennaisdirectlyrelatedtotheoverallperformanceofthemobilephone.Andwiththecontinuousimprovementofpeople'shealthawareness,inadditiontomeetingtheperformancerequirementsasfaraspossiblewhendesigningmobilephoneantennas,itisalsonecessarytoreducetheradiationofmobilephonestothehumanbody,mainlymanifestedinSARindicators.Withthematurityof4Gnetworkandthedevelopmentof5Gnetwork,mobilephoneshavemoreandmorefunctions,somobilecommunicationstandardshavebecomemoreandmorestringent.Atthesametimetherearewidescreenratio,ultra-thinandothermobilephonefeatures.Alltheserequirethefuturemobileantennadesigntobebroadband,miniaturization,Multi-Banddirectiondevelopment.Firstly,thepapersummarizesthedevelopmentofmobilecommunicationandmobileantenna.Secondly,thebasicprincipleandperformanceindexofmobileantennaareintroduced.Thenintroduceseveralkindsofcommonlyusedmobilephoneantennatypesandanalyzeitsbasicprinciplesandcharacteristics.Thenfromthedesignpointofview,thepaperanalyzesthedesigndifficultiesfacingmobileantenna,andsystematicallyexpoundshowtosolvethedesigndifficultiesbymeansofthetechniquesofcompact,Multi-Bandandbroadband.Keywords：mobileantenna,miniaturization,Broadband,multi-band目錄摘要 11緒論 51.1移動(dòng)通信的發(fā)展歷程 51.2手機(jī)天線發(fā)展歷程 61.3手機(jī)天線發(fā)展趨勢(shì) 71.4論文主要研究工作及內(nèi)容安排 92手機(jī)天線設(shè)計(jì)的理論分析 92.1天線基本原理 92.1.1天線的本質(zhì)--電磁波輻射 92.1.2天線的類型 102.2手機(jī)天線性能指標(biāo) 142.2.1輸入阻抗 142.2.2工作帶寬 142.2.3天線效率 152.2.4增益 152.2.5方向圖和極化 152.2.6SAR 162.3手機(jī)天線種類 172.3.1單極子天線 172.3.2倒L型和倒F型天線 182.3.3Loop天線 192.3.4PIFA天線 202.3.5平面Monopole天線 212.3.6FICA天線 222.4手機(jī)天線設(shè)計(jì)難點(diǎn) 233手機(jī)天線設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù) 253.1小型化 253.1.1曲流技術(shù) 253.1.2采用高介電常數(shù)的基板 263.1.3加載技術(shù) 273.2寬帶技術(shù) 283.2.1阻抗匹配技術(shù) 283.2.2使用特殊材料的介質(zhì)基片 283.2.3降低天線剖面 293.3多頻段技術(shù) 293.3.1單天線多頻段 303.3.2頻率可重構(gòu)天線 303.3.3開(kāi)槽技術(shù) 313.4低SAR 323.5穩(wěn)定性 354手機(jī)天線仿真 364.1HSSF仿真 364.1.1IFA天線理論尺寸設(shè)計(jì) 374.1.2建立工程模型 384.1.3求解設(shè)置 454.1.4處理結(jié)果 46結(jié)論 50參考文獻(xiàn) 51致謝 531緒論1.1移動(dòng)通信的發(fā)展歷程移動(dòng)通信近年來(lái)高速發(fā)展，而手機(jī)作為移動(dòng)端的典型代表，已經(jīng)從最初的只提供語(yǔ)音功能變?yōu)榧Z(yǔ)音通話，視頻聊天，游覽網(wǎng)頁(yè)，導(dǎo)航定位等集多功能于一體的移動(dòng)設(shè)備。手機(jī)的快速發(fā)展是建立在移動(dòng)通信系統(tǒng)不斷的更新?lián)Q代的基礎(chǔ)上，從最初的1G到現(xiàn)在的超寬帶4G，正在逐步發(fā)展的5G時(shí)代。無(wú)線通信的不斷升級(jí)，傳輸速度大幅度提高，是手機(jī)成為多功能的智能終端設(shè)備。而移動(dòng)通信的發(fā)展過(guò)程基本可以分為四個(gè)階段：第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（1G）：在1980-1990年間，美國(guó)Bell公司研制出了第一代蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)AdvancedMobilePhoneService，是1G的象征。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的重大突破在于它使用戶可以在移動(dòng)的狀態(tài)下?lián)艽螂娫挘瑢?shí)現(xiàn)了無(wú)線通信。第一代無(wú)線通信技術(shù)以模擬信號(hào)為主，信號(hào)在重建與傳送過(guò)程中容易產(chǎn)生失真，并且還有抗干擾等問(wèn)題，這使信號(hào)的質(zhì)量受到很大影響。1G的網(wǎng)絡(luò)以語(yǔ)音通信為主，無(wú)法支持除語(yǔ)音以外的數(shù)據(jù)傳輸。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）：2G通信系統(tǒng)使用了數(shù)字技術(shù)，以0與1的序列來(lái)描述要傳送的信號(hào)，由于傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，信號(hào)重建時(shí)誤差小，與模擬信號(hào)比起來(lái)效果好得多。第二代無(wú)線通信在容量上也遠(yuǎn)大于第一代無(wú)線通信，主要是因?yàn)榈诙褂昧舜a分多址和時(shí)分多址的技術(shù)，使同一個(gè)頻率可被多個(gè)用戶共享。2G的主要標(biāo)準(zhǔn)有4個(gè)，即GSM（GlobalSystemforMobliecommunications），D-AMPS（DigitalAMps），使用CDMA的IS-95和PDC(PersonalDigitalCellular)。GSM是最成功且應(yīng)用最廣的2G系統(tǒng)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）：第三代的發(fā)展目標(biāo)在于支持更多元化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。為此，InternationalTelecommunicationUnion發(fā)表了IMT2000。IMT2000是3G通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)未來(lái)手機(jī)要有語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳送信號(hào)的功能，高達(dá)2Mbps的傳輸速率。不過(guò)IMT2000沒(méi)有指定具體的規(guī)則，因此各移動(dòng)通信組織均向ITU提出規(guī)格上的建議，其中差異主要在于寬帶的訪問(wèn)技術(shù)，相關(guān)建議主要包括WCDMA，CDMA2000和TDMA，這些建議均被ITU定為通信的標(biāo)準(zhǔn)。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）：4G通信技術(shù)其重大突破在于提高移動(dòng)裝置無(wú)線上網(wǎng)的速度。4G將3G與WALN結(jié)合起來(lái)，在不同的無(wú)線平臺(tái)和不同的頻帶網(wǎng)絡(luò)中提供各種通信服務(wù)。4G網(wǎng)絡(luò)采用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，受噪聲信號(hào)的影響小，系統(tǒng)傳輸速率高，理論上可達(dá)100Mbps[4]。4G因其巨大的優(yōu)勢(shì)在世界普及，同時(shí)為了手機(jī)的便攜和美觀，手機(jī)機(jī)身越來(lái)越薄。更薄的機(jī)身意味著手機(jī)內(nèi)部空間更小，所以對(duì)手機(jī)廠商的研發(fā)制備要求更加嚴(yán)格。而天線作為手機(jī)通信的主要部件，主要作用是將導(dǎo)行電磁波和空間電磁波相互轉(zhuǎn)換，對(duì)此，手機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)要求天線既要支持多頻段，以支持2G,3G，4G網(wǎng)絡(luò)，還要在有限的物理空間限制下，盡量縮小天線尺寸并且不影響性能。小型化，寬帶化和多頻段是天線發(fā)展的必然趨勢(shì)，如何在特定空間內(nèi)設(shè)計(jì)出頻帶足夠?qū)挼奶炀€，是現(xiàn)代手機(jī)天線設(shè)計(jì)中的一大課題。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)是近幾年開(kāi)始出現(xiàn)，目前還沒(méi)大范圍覆蓋使用。1.2手機(jī)天線發(fā)展歷程手機(jī)具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，是人們聯(lián)絡(luò)的主要手段。早期天線是外置天線，具有工作頻帶寬，接收信號(hào)比較穩(wěn)定，費(fèi)用低等特點(diǎn)；其缺點(diǎn)是天線置于手機(jī)外容易損壞，并且對(duì)人體輻射傷害較大。隨著無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，手機(jī)天線的尺寸變得越來(lái)越小，外置天線已被淘汰，手機(jī)天線的類型也從外置天線逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)置天線。內(nèi)置天線只有一個(gè)相應(yīng)的PCB電路，具有結(jié)構(gòu)小，不易損壞和減少天線輻射等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)置天線的首次出現(xiàn)時(shí)在20世紀(jì)末，并且在短時(shí)間內(nèi)得到高速的發(fā)展。諾基亞手機(jī)天線是最早期手機(jī)內(nèi)置天線的代表。內(nèi)置天線的諸多顯著優(yōu)點(diǎn)決定了人們對(duì)其的偏愛(ài)。外置天線和手機(jī)內(nèi)置天線的設(shè)計(jì)大有不同，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）外置天線的性能指標(biāo)是帶寬，方向圖和增益，而內(nèi)置天線設(shè)計(jì)受手機(jī)尺寸，材料，內(nèi)部布局等諸多影響，（2）內(nèi)置天線要滿足一系列的指標(biāo)，如輻射安全指標(biāo)SAR和HAC。除此之外，還要滿足頻帶帶寬，輻射效率，輸入阻抗，方向圖等指標(biāo)。（3）現(xiàn)代手機(jī)功能多元化，集購(gòu)物，聯(lián)絡(luò)，GPS定位，藍(lán)牙，上網(wǎng)等諸多功能于一體。這意味著一臺(tái)手機(jī)要安裝多個(gè)天線，設(shè)計(jì)幾個(gè)多波段天線并解決天線間隔離度問(wèn)題，防止信號(hào)互相干擾，降低天線效率。技術(shù)不斷發(fā)展，手機(jī)具有的功能越來(lái)越多，需要更多不同的天線來(lái)實(shí)現(xiàn)不同模塊的功能。其發(fā)展歷程如圖1.1所示。圖1.1手機(jī)天線發(fā)展歷程隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)從1G到今天5G的更新?lián)Q代，移動(dòng)通信天線也經(jīng)歷了從單極化天線、雙極化天線到智能天線、MIMO天線的發(fā)展歷程。天線作為手機(jī)的重要組成部分，其重要性不言而喻。1.3手機(jī)天線發(fā)展趨勢(shì)目前，4G通信已經(jīng)發(fā)展成熟，手機(jī)也發(fā)展成了智能移動(dòng)終端。手機(jī)集成的功能越來(lái)越多，因此需要不同的天線來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的無(wú)線通信需求。如GPS天線，BT天線，WIFI天線等等。目前市場(chǎng)上受人們追捧的手機(jī)具備全面屏，超薄機(jī)身，全網(wǎng)通等特點(diǎn)。手機(jī)要具備以上特點(diǎn)，會(huì)對(duì)手機(jī)天線的設(shè)計(jì)提出更高的要求。天線必須在縮小尺寸同時(shí)，展寬工作帶寬，覆蓋多頻段。目前手機(jī)內(nèi)置天線根據(jù)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)技術(shù)不同，大致可分為單天線多頻段，可重構(gòu)天線，MIMO天線。在4G通信時(shí)代，手機(jī)使用的天線種類非常多。然而使用最多兩種應(yīng)該是Monopole天線和PIFA天線。PIFA天線按照一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其電性能在眾多天線中具有突出的優(yōu)勢(shì)，例如SAR(SpecificAbsorptionRate特殊吸收比率,主要測(cè)量人體吸收手機(jī)輻射量的多少)指標(biāo)。因此PIFA天線是目前較為流行，使用較多的手機(jī)天線。然而由于PIFA天線對(duì)高度有一定限制，不能太低否則影響性能。所以PIFA天線不適于于目前的超薄手機(jī)，一般用在翻蓋，折疊等機(jī)身不薄的手機(jī)上。Monopole天線按照一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其電性能相比于其它天線也具有較大優(yōu)勢(shì)，并且天線低剖面，彌補(bǔ)了PIFA的不足。其不足之處是天線輻射稍高。目前，5G通信系統(tǒng)日益成熟并在小部分地區(qū)進(jìn)行使用，聯(lián)通，電信等都在全力發(fā)展5G設(shè)備。5G手機(jī)天線實(shí)現(xiàn)高速率的重要技術(shù)是MassiveMIMO（大規(guī)模天線）技術(shù)。在2018年，手機(jī)加快向5G網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡。目前的4G手機(jī)最多使用4x4MIMO天線。然而當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)能大面積投入使用之后，5G手機(jī)的天線估計(jì)會(huì)使用8x8MIMO技術(shù)。使用8X8MIMO技術(shù)則意味著手機(jī)內(nèi)部天線的增多，并且全面屏?xí)D占手機(jī)天線的設(shè)計(jì)空間，天線設(shè)計(jì)要求更加嚴(yán)苛。天線的多頻段，小型化，寬頻帶等要求在4G時(shí)代也有要求，但相信5G通信時(shí)代會(huì)對(duì)此手機(jī)天線要求更加嚴(yán)苛。因此未來(lái)手機(jī)天線的發(fā)展趨勢(shì)主要在表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：1、多輸入-多輸出天線技術(shù)（MIMO）創(chuàng)新天線是手機(jī)接發(fā)信號(hào)最重要的部分，其性能的好壞會(huì)直接影響到手機(jī)的整體性能。因此對(duì)天線的設(shè)計(jì)和規(guī)范必須非常嚴(yán)格，一旦天線設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)造成巨大的損失以及企業(yè)的信任危機(jī)。5G通信時(shí)代的到來(lái)，令手機(jī)要覆蓋頻段再次增加。另外，由于低頻頻段的資源有限，而5G為了獲得更高的吞吐率必須有更寬的帶寬支持，所以5G基本都部署在高頻頻段。對(duì)理想的天線而言，當(dāng)其發(fā)射功率恒定不變時(shí)，天線的接收功率隨波長(zhǎng)、天線增益的增大而增大，隨發(fā)射，接收天線的間隔增大而減小。在5G之前的天線都是厘米波或分米波級(jí)別。而5G采用的是毫米波級(jí)別的。所以采用毫米波會(huì)導(dǎo)致天線接收信號(hào)功率顯著減小。手機(jī)天線是有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的，功率不能任意增大。然而也不能大幅度的提高發(fā)射天線和接收天線的收益。所以比較可行的方法是：增加天線的數(shù)量。MIMO技術(shù)是一種多天線技術(shù)，采用多個(gè)天線同時(shí)接收和發(fā)送信號(hào)，使數(shù)據(jù)流量多輸入多輸出，從而有用地提高了數(shù)據(jù)吞吐量，達(dá)到數(shù)據(jù)告訴傳輸?shù)哪康摹Ｄ壳埃?G手機(jī)的MIMO天線單元的規(guī)模一般都是2*2，4*4等。而5G時(shí)代其規(guī)模將會(huì)增大，變?yōu)?*8甚至16*16。這表明在基站有八個(gè)天線在發(fā)送信號(hào)，在手機(jī)上有八個(gè)天線在接收信號(hào)。天線數(shù)量增加，則天線的設(shè)計(jì)空間變小，這對(duì)5G手機(jī)天線的設(shè)計(jì)與安裝位置等都有更高的技術(shù)要求。2、一機(jī)多線趨勢(shì)及集成化從最初的1G移動(dòng)通信到現(xiàn)在4G和5G，智能手機(jī)集成的功能越來(lái)越多。手機(jī)不再只是語(yǔ)音通信工具，許多非語(yǔ)音通信功能成為移動(dòng)終端應(yīng)具備的功能。如電話通信，藍(lán)牙，WIFI網(wǎng)絡(luò)，GPS等模塊都需要相應(yīng)的天線來(lái)實(shí)現(xiàn)，總體趨勢(shì)就是使用更多天線來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求。如普通智能手機(jī)配有2至4根天線（包括主天線、藍(lán)牙、wifi天線、GPS天線等），而最新型的無(wú)邊框智能手機(jī)則集成了4至7根天線。然而隨著手機(jī)向全面屏，超薄機(jī)身發(fā)展，手機(jī)天線的空間不斷被擠占。手機(jī)需要的天線越來(lái)越多，然而留給手機(jī)天線的設(shè)計(jì)空間不斷變小，因此智能手機(jī)天線會(huì)向集成化發(fā)展，即天線個(gè)數(shù)的集成。天線個(gè)數(shù)的集成表示未來(lái)手機(jī)天線會(huì)向單一天線的方向發(fā)展。3、規(guī)范化手機(jī)天線設(shè)計(jì)需要注意三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別是SAR，EMI和HAC。SAR表征手機(jī)電磁輻射的強(qiáng)度。EMI是電磁干擾。HAC為助聽(tīng)器兼容性，是衡量助聽(tīng)器與手機(jī)天線同時(shí)工作時(shí)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)。目前不通地區(qū)對(duì)這三個(gè)參數(shù)定義的標(biāo)準(zhǔn)都不一樣，不利于手機(jī)天線的設(shè)計(jì)。未來(lái)應(yīng)該會(huì)將手機(jī)天線設(shè)計(jì)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，這樣會(huì)更有利于天線行業(yè)的發(fā)展。1.4論文主要研究工作及內(nèi)容安排對(duì)于本論文題目，本人首先閱讀了近些年與手機(jī)天線相關(guān)的大量文獻(xiàn)及企業(yè)發(fā)布的資料，了解了手機(jī)天線的基本原理和發(fā)展趨勢(shì)，并系統(tǒng)的闡述不同的天線種類的特性和手機(jī)天線小型化，寬帶化，多頻化等技術(shù)。本文內(nèi)容安排如下：第一章：主要介紹移動(dòng)通信系統(tǒng)和手機(jī)天線的發(fā)展歷程，以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)?？傮w上就是介紹了手機(jī)天線的背景。第二章：首先介紹了手機(jī)天線的原理，之后介紹了手機(jī)天線的主要參數(shù)和性能指標(biāo)，用于對(duì)手機(jī)天線設(shè)計(jì)技術(shù)的講述。還總結(jié)各種常見(jiàn)內(nèi)置天線以及目前手機(jī)天線的局限性。總體上概括了目前較為常見(jiàn)的手機(jī)天線的優(yōu)缺點(diǎn)。第三章：本章講述了手機(jī)天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，即小型化，寬帶化，多頻帶，降低SAR，提高穩(wěn)定性等技術(shù)。第四章：使用ANSYSHFSS進(jìn)行手機(jī)天線仿真，分析軟件的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，在結(jié)論中對(duì)整篇文章進(jìn)行總結(jié)與歸納，并指出文中有待改進(jìn)指出。2手機(jī)天線設(shè)計(jì)的理論分析2.1天線基本原理通信系統(tǒng)可分為有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng)，而手機(jī)天線屬于無(wú)線通信的范疇，是無(wú)線電系統(tǒng)中有效發(fā)射和接收電磁波的重要部件。無(wú)線通信系統(tǒng)是通過(guò)無(wú)線電波傳遞信息。而天線發(fā)射機(jī)回路的高頻振蕩能量經(jīng)過(guò)饋線送到發(fā)射天線，發(fā)射天線的作用是將高頻電流（導(dǎo)波）能量變成電磁波能量，向規(guī)定方向發(fā)射出去。而接收天線則是將傳送過(guò)來(lái)的無(wú)線電波能量還原成高頻電流（導(dǎo)波）能量，經(jīng)過(guò)饋線送入接收機(jī)的輸入回路。因此手機(jī)天線最主要的功能是完成高頻電流（導(dǎo)波）能量和電磁波能量之間的相互轉(zhuǎn)換。2.1.1天線的本質(zhì)--電磁波輻射當(dāng)導(dǎo)線上有交變電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁波的輻射。只要電磁波頻率足夠高，電磁波就不需要借助導(dǎo)體傳播，可以向空間中輻射出去。輻射的能力與天線的形狀和長(zhǎng)度有關(guān)。如圖2.1所示，兩平行導(dǎo)線相隔很近，電場(chǎng)主要分布在兩導(dǎo)線中間，電子加速變化很弱，此時(shí)輻射很弱。當(dāng)兩導(dǎo)線不再平行時(shí)，電場(chǎng)范圍擴(kuò)散，此時(shí)具有較強(qiáng)的輻射。需要注意，上面提到天線的長(zhǎng)度也會(huì)影響輻射的強(qiáng)弱。只有當(dāng)天線長(zhǎng)度趨近工作波長(zhǎng)時(shí)，天線的輻射強(qiáng)度才會(huì)較大。圖2.1導(dǎo)線閉合狀態(tài)圖2.2導(dǎo)線張開(kāi)狀態(tài)據(jù)實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)電信號(hào)頻率轉(zhuǎn)換成λ約等于天線長(zhǎng)度的四倍時(shí)，此時(shí)天線的工作效率最好。由此可知，在設(shè)計(jì)天線時(shí)，天線的尺寸根據(jù)無(wú)線電信號(hào)的頻率計(jì)算得出。2.1.2天線的類型（1）對(duì)稱振子對(duì)稱振子也被稱為偶極子天線，是手機(jī)設(shè)計(jì)中使用率非常高的天線。對(duì)稱振子天線既可以直接使用，也可以用于組成多天線陣列。其結(jié)構(gòu)由兩根長(zhǎng)度，粗細(xì)相同的導(dǎo)線構(gòu)成，中心饋電。由于中心饋電，所以振子兩臂的電流失等幅反相的，呈正弦分布，并在上，下端點(diǎn)趨近于零。對(duì)稱陣子基本結(jié)構(gòu)如圖2.3圖2.3偶極子天線如上圖所示，兩臂長(zhǎng)度均為L(zhǎng)，稱為對(duì)稱振子的臂長(zhǎng)。振子上電流分布可表示為I式中Im波腹電流，即電流最大值；k=2π/λ為相位常數(shù)。對(duì)半波對(duì)稱振子，每條臂長(zhǎng)為λ/4，總長(zhǎng)為λ/2。在兩邊端點(diǎn)處電流趨于零，中心處電流出現(xiàn)最大值。不同長(zhǎng)度的對(duì)稱振子電流分布如圖2.4圖2.4對(duì)稱振子的電流分布對(duì)稱振子上電流分布已知，則由電基本振子的輻射場(chǎng)沿整個(gè)導(dǎo)線積分，便可得出對(duì)稱振子天線的輻射場(chǎng)。（2）微帶貼片天線微帶天線按結(jié)構(gòu)特征可分為貼片，振子，線形（行波）和縫隙。微帶貼片天線由輻射貼片，介質(zhì)基片，饋線以及接地板組成。輻射貼片是一塊金屬貼片，有正方形，長(zhǎng)方形，圓形，半圓形，環(huán)形等等。微帶貼片天線結(jié)構(gòu)如圖2.5，場(chǎng)分布如圖2.6。圖2.5矩形微帶貼片天線（a）天線結(jié)構(gòu)（b）場(chǎng)分布圖2.6矩形微帶貼片天線結(jié)構(gòu)與場(chǎng)分布如圖2.6，輻射貼片可以看作是長(zhǎng)為L(zhǎng)寬為W的一段微帶傳輸線，沿L的兩邊方向的終端呈現(xiàn)開(kāi)路，形成電壓波腹。L一般等于λm/2，λm為微帶線的波長(zhǎng)。天線輻射原理主要是通過(guò)輻射貼片與接地板間沿這兩條w邊縫隙形成。其諧振頻率的公式為：fmn為天線的工作模式，通常工作在主模TM01。為有效介電常數(shù)，l和w分別為輻射貼片的長(zhǎng)和寬。c為光速。微帶貼片天線具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）低剖面：微帶貼片天線的厚度一般都小于0.03λ.。（2）集成性好：容易與其它平面電路集成到一塊印制板上。（3）低成本：采用比較經(jīng)濟(jì)的印制技術(shù)制作，介質(zhì)基片式最昂貴的部分。（4）重量輕：微帶貼片天線由附著在介質(zhì)基片上的理想導(dǎo)電薄片構(gòu)成。然而微帶貼片天線也有一些缺點(diǎn)，如輻射效率低，會(huì)激勵(lì)出表面波，阻抗帶寬窄等等。其中最主要的是頻帶窄。因此在使用微帶貼片天線同時(shí)一般都要使用寬帶技術(shù)。（3）縫隙天線在導(dǎo)體面上開(kāi)槽，產(chǎn)生縫隙，饋電后形成輻射，稱為縫隙天線，或者稱為開(kāi)槽天線，縫隙天線如圖2.7。由圖可知天線設(shè)計(jì)尺寸。w為縫隙的寬度，一般w要遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。2l為縫隙的長(zhǎng)度，通常為2λ。圖2.7理想縫隙坐標(biāo)圖圖2.8縫隙天線場(chǎng)矢量分布圖縫隙天線的場(chǎng)矢量分布如圖2.8。理想縫隙天線與其互補(bǔ)的電對(duì)稱振子的輻射阻抗和輸入阻抗關(guān)系式子如下：ZZ因此，理想縫隙天線的輸入阻抗和輻射阻抗可由其互補(bǔ)的電對(duì)稱振子的相應(yīng)值求得。2.2手機(jī)天線性能指標(biāo)影響手機(jī)天線性能的指標(biāo)參數(shù)眾多，天線設(shè)計(jì)工程師必須熟悉天線各個(gè)指標(biāo)并了解其意義才能更好的設(shè)計(jì)手機(jī)天線。天線的基本電參數(shù)是表達(dá)天線工作特征的參量，是衡量手機(jī)天線性能的標(biāo)準(zhǔn)。2.2.1輸入阻抗輸入阻抗決定天線與饋線匹配狀態(tài)。它定義為天線的輸入電壓與電流的比值，記為Zin。通常Zin是一個(gè)復(fù)阻抗，即Zin=上式中，Rin為輸入電阻，表示天線消耗的輸入功率，包括天線的輻射功率和熱損耗功率；而Xin表示輸入電抗，是天線近場(chǎng)的貯存功率。電抗分量的存在會(huì)減少天線從饋線對(duì)信號(hào)功率的提取，所以要盡量減小它，即讓天線的輸入阻抗為純電阻。天線的輸入阻抗是受天線本身的尺寸，結(jié)構(gòu)以及工作頻率的影響，如典型的半波振子，其阻抗理論值為73+j42.5Ω，但只要將振子的尺寸縮小3%~5%，可以使天線的電抗分量趨近于零，實(shí)現(xiàn)良好匹配。2.2.2工作帶寬天線的所有電參數(shù)都與工作頻率有關(guān)，并且都是根據(jù)相應(yīng)頻率設(shè)計(jì)的。因此，把天線電參數(shù)變化的程度在允許范圍之內(nèi)的頻率范圍稱為天線的頻帶寬度。天線的帶寬取決于最窄的，而最窄的一般都是阻抗帶寬，所以由阻抗帶寬決定天線帶寬。手機(jī)的內(nèi)置天線都屬于電小天線，即最大尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的1/10λ的天線。對(duì)電小天線而言，阻抗匹配對(duì)性能影響最大，因此阻抗帶寬是對(duì)其影響最大的，所以頻帶帶寬一般用電壓駐波比VSWR和反射系數(shù)S來(lái)衡量。通常要求手機(jī)天線在所需頻帶內(nèi)的VSWR<3或者S<-6dB。頻帶帶寬是衡量手機(jī)天線質(zhì)量的一個(gè)重要性能指標(biāo)。天線的頻帶寬度常用的三種表達(dá)方式如下：①絕對(duì)帶寬：△f=fmax-fmin；②相對(duì)帶寬：B=2×(fmax-fmin)/(fmax+fmin)；③比值帶寬：fmax/fmin。其中fmax為天線工作頻率上限，fmin為天線工作頻率下限。2.2.3天線效率天線效率是手機(jī)天線是否能有效地轉(zhuǎn)換能量的重要指標(biāo)。天線的效率是輻射功率Pr與輸入功率Pin之比。即ηAPl表示損耗功率。天線輸入阻抗中的電阻分量Rin表示能量損耗，主要是輻射到自由空間的能量和以熱能形式損耗了。由此可知電磁波能量進(jìn)入手機(jī)天線后并不是全部以電磁波能量的形式向外空間輻射。所以提高天線效率其實(shí)增大輻射電阻，盡可能減少損耗電阻。可通過(guò)擴(kuò)大手機(jī)天線設(shè)計(jì)空間從而提高輻射電阻，也可選用損耗低的材料來(lái)降低天線損耗功率從而提高天線效率。2.2.4增益增益表示天線在不同空間的輻射能力，定義為在輸入功率相等條件下，天線在最大輻射方向上輻射功率密度Smax與全向天線輻射功率密度S0之比，記作G，式子如下：G=增益和帶寬一樣，受天線尺寸影響。手機(jī)天線的小型化，會(huì)使用天線的增益下降，帶寬變窄。所以在設(shè)計(jì)手機(jī)天線時(shí)，不能只考慮單一性能指標(biāo)，要綜合考慮。2.2.5方向圖和極化將方向性函數(shù)用曲線天線描繪出來(lái)定義為方向圖。它反映了天線的輻射特性和在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的電磁輻射強(qiáng)度分布。然而在手機(jī)天線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，比較少關(guān)注此參數(shù)。因?yàn)?G手機(jī)天線大多使用低頻段，方向圖相對(duì)固定地呈現(xiàn)類似偶極子的蘋果形狀，如圖2.8。而高頻無(wú)法做到對(duì)方向圖的考慮。一般情況下，會(huì)采用兩個(gè)E和H相互正交的平面來(lái)描述。E面是電場(chǎng)矢量與傳播方向構(gòu)成的平面，H面是磁場(chǎng)矢量與傳播方向構(gòu)成的平面，如圖2.9。除此之外，如PIFA，單極子天線都滿足全向性要求，滿足移動(dòng)通信全向一致性要求，不需要過(guò)多考慮方向圖的因素。圖2.8三維方向圖圖2.9E面和H面方向圖天線的極化特性指天線輻射電磁波的極化特性。天線向周圍輻射電磁波，電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成。電場(chǎng)的方向就是天線極化的方向。一般天線使用的都是單極化。如果電磁波電場(chǎng)方向垂直于地面，稱為垂直極化波。如果電場(chǎng)平行于地面，稱為水平極化波。另外還有+45°和-45°極化，一共四種單極化波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號(hào)在貼近地面時(shí)會(huì)在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場(chǎng)信號(hào)迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號(hào)的有效傳播。然而，隨著科技的進(jìn)步，出現(xiàn)了雙極化天線。從設(shè)計(jì)的原理而言，一般分為垂直與水平極化或±45°極化的天線組合在一起構(gòu)成，雙極性天線可以從不同方向接收信號(hào)，因此在城區(qū)等復(fù)雜環(huán)境效果要比單極化天線性能好。而手機(jī)PIFA或Monopole天線都彎曲路徑，因此具有雙極化的特性；并且在城區(qū)環(huán)境下，基站發(fā)射出的單極化波由于復(fù)雜的環(huán)境干擾后，到達(dá)手機(jī)端時(shí)，用正負(fù)45度雙極化天線可以減小極化損失，準(zhǔn)確接收電磁波。雙極化天線在不同環(huán)境下仍具有較好的接收能力，因此手機(jī)天線基本都具備雙極化特性。2.2.6SARSAR是表征手機(jī)天線輻射危害的性能指標(biāo)，全稱SpecificAbsorptionRate，意為比吸收率，主要反映人在使用手機(jī)時(shí)身體對(duì)手機(jī)輻射吸收的最大功率密度。SAR可由下列公式得到SAR=式子中E表示電場(chǎng)強(qiáng)度，σ為人體組織的電導(dǎo)率，ρ為人體的組織密度。SAR的單位為W/kg。不同的國(guó)家對(duì)手機(jī)天線設(shè)定的SAR標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有所不同，手機(jī)廠商在制作天線時(shí)需要根據(jù)不同使用地區(qū)重新設(shè)計(jì)手機(jī)天線的各種參數(shù)指標(biāo)。2.3手機(jī)天線種類手機(jī)天線按所處位置不同可分為外置與內(nèi)置天線。由于目前的手機(jī)基本已經(jīng)不使用外置天線，因此下面主要介紹幾種手機(jī)內(nèi)置天線。2.3.1單極子天線單極子天線具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，頻帶寬等特點(diǎn)，此天線中心頻率在λ/4處，即天線的長(zhǎng)度公式為：L=如圖2.10所示。由于天線尺寸過(guò)大，隨著手機(jī)天線向內(nèi)置天線發(fā)展，單極子天線逐漸演變?yōu)楹髞?lái)的倒L型天線。偶極子天線去掉一邊，饋電點(diǎn)接地，另一臂垂直于無(wú)限大理想導(dǎo)電面，稱為單極天線。天線為偶極子天線的一半，長(zhǎng)為h的單極天線與其鏡像構(gòu)成一個(gè)2h長(zhǎng)的偶極子天線。單極天線利用了理想地面的鏡面效果其若用等效于對(duì)稱極子天線，所以具有與對(duì)稱振子相似的輻射特性，并且這種天線的尺寸比對(duì)稱振子縮小1/2，是縮小尺寸常用的辦法。圖2.10單極子天線單極子天線借助鏡像原理等效于對(duì)稱極子，因此可以使用對(duì)稱極子的理論進(jìn)行分析。單極天線在上半空間的各種特性都與稱振子相同。因?yàn)閱螛O天線僅向上方空間輻射，其輻射功率只有相同波腹電流的對(duì)稱振子的一半，因而其輸入阻抗（輻射電阻）只有對(duì)稱振子的一半。當(dāng)單極子天線的長(zhǎng)度為某頻率的波長(zhǎng)的1/4，在此頻率上會(huì)出現(xiàn)諧振。單極天線具有體積小，結(jié)構(gòu)靈活，損耗電阻較大，輻射效率高以及寬頻帶等特點(diǎn)。2.3.2倒L型和倒F型天線因單極子天線尺寸過(guò)大，會(huì)占用PCB板太多的空間。隨著手機(jī)天線向內(nèi)置天線發(fā)展，單極子天線逐漸演變?yōu)楹髞?lái)的倒L型天線和倒F型天線。在手機(jī)設(shè)計(jì)中，很少直接使用這兩款天線。然而目前主流的PIFA天線和平面Monopole天線分別由IFA天線和ILA天線改變而來(lái)。倒L型和倒F型天線結(jié)構(gòu)如圖2.11所示。圖2.11倒L型和倒F型天線手機(jī)內(nèi)部空間有限，所以為了減少天線占用空間，對(duì)單極子天線進(jìn)行改變，發(fā)展成倒L型天線，簡(jiǎn)稱ILA天線。它是將單極子天線一部分彎曲成與PCB板平行，其垂直導(dǎo)線長(zhǎng)度一般僅為波長(zhǎng)的一小部分，因而具有低剖面結(jié)構(gòu)。由于倒L型天線有水平和垂直方向的單元，所以具有水平和垂直兩個(gè)方向的極化，即雙極化。雙極化的特性有效增強(qiáng)了倒L型天線的接，發(fā)信號(hào)的能力。天線的水平單元可按設(shè)計(jì)要求改變，總長(zhǎng)度通常為λ/4。倒L型天線垂直單元為H，水平單元為L(zhǎng)。H/L的比值會(huì)影響天線的失配程度，當(dāng)H/L>4/3時(shí)，阻抗匹配變好。由于倒L天線有一部分與地面平行，增加了天線的容性。為了保持天線1/4λ的諧振特性，需要抵消天線的容性。在天線本身基礎(chǔ)上多加一個(gè)接地饋電點(diǎn)，從而形成倒F型天線，簡(jiǎn)稱IFA天線。圖2.12其等效電路圖。倒F型天線由終端短路和終端開(kāi)路線組成，S為終端短路線，L為終端開(kāi)路線。S能等效為串聯(lián)的電感和電阻，L等效為并聯(lián)的電容和電阻。圖2.12倒F天線等效電路需要注意，H、S、L的尺寸對(duì)天線的影響是很大的。L的長(zhǎng)度與天線的諧振頻率有關(guān)，當(dāng)L增大天線的諧振頻率隨之減小，并且天線整體呈感抗特性。反之則諧振頻率增大，呈阻抗特性。H則影響IFA天線的帶寬，并成正比。S與天線的輸入阻抗成反比，即可以通過(guò)改變S可以調(diào)整電感大小，從而得到需要的駐波比。因此對(duì)H,S,L三個(gè)參數(shù)的取值要從天線整體考慮，不能一味調(diào)整單一參數(shù)。設(shè)計(jì)IFA天線時(shí)，可參考下面公式得出L和H的尺寸：L+H=其中λ0是自由空間波長(zhǎng)，εr是介質(zhì)板的介電常數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)倒F天線時(shí)候要滿足L+H=λ/4。由于倒L型和倒F型天線都屬于線極化天線，因此都具有頻帶較窄的特點(diǎn)。這一特點(diǎn)限制了這兩種天線在手機(jī)中的應(yīng)用。2.3.3Loop天線loop天線意為環(huán)形天線，是被廣泛應(yīng)用的手機(jī)內(nèi)置天線。loop天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它可以有多種形式，如三角形，正方形，圓形等。loop天線分為電大loop天線和電小loop天線，在手機(jī)通信中只能使用電大loop天線，因此天線長(zhǎng)度約等于工作波長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)如圖2.13。圖2.13loop天線loop天線固有三個(gè)諧振模，分別是二分之一波長(zhǎng)的共模，一倍波長(zhǎng)的差模，二分之三的高階共模，即0.5λ，1λ，1.5λ三個(gè)諧振頻率，因?yàn)橹C振點(diǎn)比較多，loop天線的帶寬比較寬。如果在電流足夠大（如饋電點(diǎn)或者接地點(diǎn)）拉出分支，還可以激勵(lì)新的諧振模，基本可以覆蓋常用的蜂窩頻段。loop天線缺點(diǎn)在于其諧振在λ/2處，比起單極子天線的λ/4要大，因此天線尺寸公式：L=這對(duì)于智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)天線小型化是嚴(yán)重的問(wèn)題。因此要在手機(jī)設(shè)計(jì)中使用Loop天線，一般使用的都是其變形結(jié)構(gòu)，比如折疊環(huán)形天線，F(xiàn)ICA天線。2.3.4PIFA天線PIFA天線中文名平面倒F形天線。英文全稱為“PlanarInvertedF-shapedAntenna”。目前它被大量應(yīng)用于移動(dòng)終端。根據(jù)PIFA天線的結(jié)構(gòu)，在PCB板上有接地板，對(duì)輻射貼片起到一定的阻隔作用，降低了輻射，所以SAR值較低。除此之外，PIFA還具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低剖面等優(yōu)點(diǎn)。PIFA天線是由IFA，即倒F天線演變而來(lái)。其發(fā)展過(guò)程可概述為單極子天線彎曲成與地面平行，變?yōu)榈筁型天線。IFA天線加上接地饋電點(diǎn)變成ILA天線。然而，由于IFA天線的結(jié)構(gòu)都是由導(dǎo)線組成，等效的分布電容較小，電感大，即頻帶窄而Q值高。帶寬與Q反比，所以將水平部分的導(dǎo)線和接地線用一定寬度的金屬導(dǎo)體代替，增大分布電感并且減小分布電容，達(dá)到降低Q值目的。因此將倒F型天線的線輻射體改為輻射面，最后演變成PIFA天線。演化過(guò)程如圖2.14。（a）單極天線（b）倒L型天線（c）倒F型天線（d）PIFA天線圖2.14PIFA天線演化圖PIFA天線結(jié)構(gòu)由輻射貼片，饋電腳，金屬地，短路片組成，諧振為TM10模。輻射片通過(guò)短路片與金屬地相連，使輻射貼片的有效長(zhǎng)度減小一半，可以實(shí)現(xiàn)縮小天線尺寸的目的。短路片的寬度會(huì)影響帶寬，增大寬度帶寬會(huì)變寬，反之則變窄。另外，天線垂直單元的高度對(duì)天線工作帶寬有影響，成正比關(guān)系。一般當(dāng)天線高度小于6.5mm時(shí)，天線性能急劇下降，所以一般高度會(huì)設(shè)置在8mm左右。然而這增加天線的體積，所以PIFA天線很難應(yīng)用在目前的超薄機(jī)身手機(jī)上。在手機(jī)中，PIFA天線的接地面一般是PCB板，從而可以阻隔輻射貼片對(duì)人體的電磁輻射，降低SAR值。圖2.15PIFA天線結(jié)構(gòu)由上可知，天線的諧振頻率與貼片長(zhǎng)度與寬度，短路片的寬度都有關(guān)。當(dāng)W=L1時(shí)，PIFA的諧振頻率公式如下：f式中c為光速，L1與L2為輻射貼片的長(zhǎng)和寬。上述公式表明輻射貼片的長(zhǎng)和寬之和近似等于λ/4。2.3.5平面Monopole天線隨著手機(jī)的更新?lián)Q代，觸屏，超薄機(jī)身智能手機(jī)備受人們的追捧。然而PIFA天線的結(jié)構(gòu)使其必須具備一定的高度，無(wú)法達(dá)到目前手機(jī)制作工藝的要求，因此出現(xiàn)了平面Monopole天線。此天線對(duì)高度沒(méi)有硬性要求，適用于目前主流手機(jī)。平面Monopole天線是由單極子天線發(fā)展而來(lái)的。最開(kāi)始的單極子天線是用作手機(jī)的外置天線，后來(lái)為了將天線隱藏在手機(jī)內(nèi)，做成內(nèi)置天線，將單極子天線的一部分彎曲，演變成了倒L型天線，后來(lái)倒L型天線逐漸演變成PIFA天線。超薄機(jī)身的出現(xiàn)，使手機(jī)廠商必須解決天線高度差的問(wèn)題，所以將PIFA天線的PCB地去掉，天線的饋電點(diǎn)與PCB的pad相連，如圖2-16。與PIFA天線相比，平面Monopole天線沒(méi)有6.5mm天線高度的限制，降低天線的剖面。然而此天線是懸空的，沒(méi)有參考地，輻射貼片對(duì)人體的輻射有所增強(qiáng)，SAR值增大。圖2.16平面Monopole天線結(jié)構(gòu)2.3.6FICA天線foldedinvertedconformalantenna，簡(jiǎn)稱FICA天線，中文名為折疊倒置共形天線。FICA天線和平面倒F型天線相比，F(xiàn)ICA天線具有體積小，頻帶更寬，輻射效率高以及天線的性能更為優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。由于手機(jī)天線設(shè)計(jì)面臨所需覆蓋頻段越來(lái)越多，而手機(jī)天線的設(shè)計(jì)環(huán)境越來(lái)越小，因此Motorola公司研發(fā)了FICA天線。FICA結(jié)構(gòu)如圖2.17，整體的形狀像一個(gè)“C”，結(jié)構(gòu)對(duì)稱。在天線對(duì)稱中心兩邊分別有接地腳和饋線腳。FICA天線具有兩個(gè)臂，并且在其內(nèi)部進(jìn)行了開(kāi)縫操作，該縫隙貫穿了整個(gè)天線，位于金屬地的上方。正是由于此縫隙的存在，F(xiàn)ICA天線能夠形成三個(gè)諧振模，分別為兩個(gè)高頻段的“差模”和“縫?！焙偷皖l段的“共模?！安钅！焙汀翱p?！苯Y(jié)合產(chǎn)生了一個(gè)寬幾百M(fèi)HZ的輻射頻帶，在保證天線小型化的同時(shí)大幅度的提高了天線覆蓋的頻帶寬。圖2.17FICA天線結(jié)構(gòu)（a）共模（b）差模（c）縫模圖2.18三種工作模式電流流向FICA天線具有兩臂，一臂是將天線輻射單元連接到金屬地，另一臂是對(duì)天線進(jìn)行饋電。由圖2.18可以看出FICA天線三種工作模式下的電流流向。共模兩臂電流流向相同，差模則電流流向相反。而縫模工作模式下，電流在交匯處產(chǎn)生渦流。因此三個(gè)工作模式，產(chǎn)生三個(gè)諧振點(diǎn)從而使頻帶寬幾百M(fèi)HZ。2.4手機(jī)天線設(shè)計(jì)難點(diǎn)上面介紹的各種手機(jī)天線優(yōu)缺點(diǎn)如表2.1。表2.1手機(jī)天線比較天線優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)單極子天線輻射效率高，寬頻帶，全向輻射特性天線尺寸過(guò)大，SAR高IFA天線體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有雙極化的特性帶寬偏窄PIFA天線SAR較低，較寬帶寬高剖面，體積大，只能輻射接地面上方，輻射性能稍差平面Monopole天線低剖面,體積小，天線效率高SAR略高FICA天線低剖面，寬頻帶，體積小，天線效率高手機(jī)已經(jīng)成為人們不可離開(kāi)的日用品，是集語(yǔ)音，視頻，網(wǎng)頁(yè)游覽，GPS，藍(lán)牙等眾多功能與一體智能設(shè)備，因此手機(jī)廠商也對(duì)手機(jī)天線提出多頻，寬帶化等更加苛刻的要求。同時(shí)，現(xiàn)在人們對(duì)超薄全面屏手機(jī)的追捧，使超薄全面屏手機(jī)成為主流。然而薄薄的機(jī)身，超高屏占比都使得沒(méi)有足夠的位置布設(shè)天線，令天線效率變差，并降低天線的整體發(fā)射功率。因此手機(jī)廠商要在減小天線尺寸同時(shí)，天線的性能還不能大幅度下降。綜上所述，智能手機(jī)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)：1、超薄化、寬屏化全面屏，超薄手機(jī)是目前手機(jī)廠商的主流。寬屏，超薄都代表大眾的審美，是對(duì)目前手機(jī)天線技術(shù)的一種挑戰(zhàn)。手機(jī)的超高屏占比，超薄機(jī)身都代表了天線尺寸和高度的壓縮，而尺寸和高度都是影響天線效率的重要因素。同時(shí)，手機(jī)天線是全向天線，即天線在所有方向的信號(hào)輻射強(qiáng)度相同，以達(dá)到最好接發(fā)信號(hào)的能力。要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，天線四周要留有足夠的位置，遠(yuǎn)離會(huì)干擾天線接發(fā)信號(hào)的器件，留出凈空區(qū)。手機(jī)內(nèi)部空間減小，會(huì)使手機(jī)凈空區(qū)域縮小，增大天線設(shè)計(jì)難度。2、寬帶化和多頻段由于現(xiàn)在智能手機(jī)向全網(wǎng)通發(fā)展，集成2G，3G以及4G網(wǎng)絡(luò)，通信行業(yè)形成了2G/3G/4G并存的局面。這就要求智能手機(jī)具有較寬的頻帶和多頻的特性。然而如PIFA天線，平面Monopole天線等都具有微帶天線頻帶窄的特點(diǎn)。并且?guī)捄吞炀€尺寸直接相關(guān)的。因此如何在縮小天線尺寸的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)寬帶化，多頻段天線的設(shè)計(jì)師未來(lái)天線設(shè)計(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。3、標(biāo)準(zhǔn)化手機(jī)天線設(shè)計(jì)需要注意三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別是SAR，EMI和HAC。SAR表示人在使用手機(jī)時(shí)身體對(duì)手機(jī)輻射吸收的最大功率密度。SAR值的測(cè)試是經(jīng)由手機(jī)產(chǎn)生的無(wú)線電波能量，通過(guò)測(cè)試人體吸收多少電磁波輻射。SAR表征手機(jī)電磁輻射的強(qiáng)度，SAR值越小，手機(jī)的電磁輻射越小。目前國(guó)際上有兩個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)：美標(biāo)小于1.6W/kg，歐標(biāo)小于2W/kg。EMI是電磁干擾，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了輻射到周圍空間的最大電場(chǎng)，有效控制手機(jī)天線輻射對(duì)其他零部件的干擾。HAC為助聽(tīng)器兼容性，是衡量助聽(tīng)器與手機(jī)天線同時(shí)工作時(shí)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)為了不妨礙手機(jī)與助聽(tīng)器同時(shí)使用，規(guī)定手機(jī)廠商必須將EMI限制在一定范圍內(nèi)。上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使得天線設(shè)計(jì)受到更多的限制，提高了設(shè)計(jì)難度。4、手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜現(xiàn)在智能手機(jī)是集多功能于一體的智能終端設(shè)備，其內(nèi)部需要容納的器件越來(lái)越多，如傳感器，攝像頭，電池，聽(tīng)筒等等。手機(jī)天線輻射容易受到周邊器件的影響，從而影響天線的性能?，F(xiàn)在手機(jī)集成的功能越來(lái)越多，各種器件也不斷增加，使手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。未來(lái)設(shè)計(jì)天線時(shí)不只要關(guān)注天線本身的結(jié)構(gòu)，還要更多關(guān)注天線周邊器件的布局，減少其它器件對(duì)天線的干擾。這些都使未來(lái)天線的設(shè)計(jì)難度驟增。3手機(jī)天線設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)3.1小型化隨著超薄手機(jī)成為市場(chǎng)主流，手機(jī)機(jī)身越來(lái)越薄，手機(jī)內(nèi)部空間不斷縮小。同時(shí)智能手機(jī)還在增加AR識(shí)別，觸屏指紋等功能，這些都需要更多的傳感器和零部件，手機(jī)天線的設(shè)計(jì)空間不斷減小?？s小天線尺寸會(huì)帶來(lái)頻帶變窄，增益降低，輻射效率下降等缺點(diǎn)。為了在縮小天線尺寸的同時(shí)不影響天線的性能，天線必須向小型化方向發(fā)展。天線小型化的方法主要有曲流技術(shù)，采用高介電常數(shù)材料以及短路加載技術(shù)等等。曲流技術(shù)和短路加載技術(shù)的根本原理都是通過(guò)改變天線的電流分布，以達(dá)到在縮小天線尺寸同時(shí)不影響天線的電性能。3.1.1曲流技術(shù)“曲流”從字面上來(lái)說(shuō)就是彎曲電流的意思。其目的是延長(zhǎng)電流的有效路徑。電流的有效路徑相當(dāng)于諧振路徑，諧振路徑與諧振頻率成反比。諧振路徑越長(zhǎng)，天線的諧振頻率越低。曲流技術(shù)分為貼片曲流和接地板曲流。以貼片曲流為例，貼片曲流是彎曲貼片的電流路徑，主要是以開(kāi)槽，開(kāi)縫等方式使電流路徑彎曲，可以增加天線貼片有效長(zhǎng)度，使諧振頻率降低從而達(dá)到小型化目的[3]。圖3.1是矩形貼片的曲流，由圖可以看出，天線表面電流的有效長(zhǎng)度增加，天線的諧振頻率會(huì)有顯著下降。當(dāng)頻率恒定不變時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)小型化的目的。圖3.1未開(kāi)槽和U型槽電流路徑對(duì)比在貼片上開(kāi)槽和開(kāi)縫是曲流技術(shù)的主要手段，可以有許多不同的形狀的縫隙，如I形，H形，F(xiàn)形，S形等。同時(shí)縫隙曲流也是實(shí)現(xiàn)天線多頻段的一種有效手段。但在開(kāi)槽的過(guò)程中，要注意槽的寬度必須適中，否則會(huì)影響天線的輻射場(chǎng)，使天線的輻射效率降低，增益下降。3.1.2采用高介電常數(shù)的基板矩形微帶天線其諧振頻率公式為:f其中L是輻射片片的長(zhǎng)度，εr是介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)。由公式（3.1）可知，當(dāng)fr不變時(shí)，εr增大則L減小，即貼片長(zhǎng)度變短。所以高介電常數(shù)的基板，可以有效降低手機(jī)天線的尺寸。雖然采用高介電常數(shù)的材料可以縮小天線的尺寸，然而在使用高介電常數(shù)基板的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)以下一些問(wèn)題。（1）隨著介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)增大，會(huì)激勵(lì)出較強(qiáng)表面波，導(dǎo)致增益變差，影響天線的性能。（2）材料價(jià)格昂貴且制作工藝麻煩，會(huì)導(dǎo)致手機(jī)天線制作成本的提高，降低競(jìng)爭(zhēng)力。所以高介電常數(shù)的材料作為基板的使用具有一定局限性。（3）阻抗帶寬隨介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)增大而變窄。綜上所述，使用高介電常數(shù)的基板來(lái)實(shí)現(xiàn)天線小型化是具有一定局限性的，所以要根據(jù)具體的制作成本和工藝要求來(lái)判斷。圖3.2矩形貼片微帶天線3.1.3加載技術(shù)加載技術(shù)原理是通過(guò)在天線適當(dāng)位置加載電阻，電導(dǎo)或?qū)w來(lái)改變天線中電流的分布，以達(dá)到改變天線的諧振頻率?；蛘咴谕瑯拥闹C振頻率下，減小天線的尺寸。一般是在天線的輻射片或接地面上添加電阻，電導(dǎo)等負(fù)載[2]。加載技術(shù)可分為短路加載，串聯(lián)分布加載，集總元件加載，介質(zhì)加載等等。其中短路加載技術(shù)應(yīng)用最為經(jīng)典的就是倒F型和PIFA天線。這兩種天線通過(guò)增加一條短路枝節(jié)使天線的有效長(zhǎng)度減少一半。而介質(zhì)加載技術(shù)的原理是通過(guò)在介質(zhì)中縮小電磁波的波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)縮小天線尺寸的目的。當(dāng)然介質(zhì)加載技術(shù)也有缺點(diǎn)，它會(huì)增大天線的Q值。根據(jù)天線的帶寬計(jì)算公式，Q值與帶寬成反比，因此會(huì)導(dǎo)致天線帶寬變窄。（a）負(fù)載在自由空間（b）負(fù)載在介質(zhì)中圖3.3介質(zhì)加載倒L型天線3.2寬帶技術(shù)手機(jī)天線的缺點(diǎn)之一是頻帶窄，其主要原因是因?yàn)槭謾C(jī)天線是諧振天線。隨著移動(dòng)通信的不斷升級(jí)，要求手機(jī)天線頻帶覆蓋更寬。天線的帶寬的主要決定因素有天線基板的相對(duì)介電常數(shù)εr，天線的匹配網(wǎng)絡(luò)，天線的尺寸和結(jié)構(gòu)，天線的饋電方式等。因此想要展寬帶寬，只要改變上述參數(shù)即可。下面對(duì)相關(guān)技術(shù)3.2.1阻抗匹配技術(shù)由于手機(jī)天線工作帶寬主要受阻抗帶寬限制，因此使用阻抗匹配技術(shù)就使天線工作在寬頻帶上。阻抗匹配技術(shù)原理是通過(guò)阻抗匹配消除電抗，從而使天線產(chǎn)生新的諧振點(diǎn)（電抗為0），則天線工作帶寬增加。天線的阻抗匹配技術(shù)通常分為兩種，一是天線的自匹配，二是在天線與饋線之間加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，其中天線的自匹配應(yīng)用更為廣泛。天線的自匹配技術(shù)是使輸入阻抗中的電抗分量為零，由此減小天線近場(chǎng)的儲(chǔ)存功率,增強(qiáng)天線從饋線對(duì)信號(hào)功率的提取。實(shí)現(xiàn)的方式為改變天線路徑，貼片開(kāi)槽的寬度，饋電點(diǎn)與短路點(diǎn)距離，輻射貼片厚度等等。第二種方式是插入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，是利用共軛匹配原理，消除等效電路中的電感或電容，使輸入阻抗呈純電阻。然而使用阻抗匹配電路的方式，會(huì)使天線結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，并且電路的損耗可能會(huì)造成天線的輻射效率和增益下降。3.2.2使用特殊材料的介質(zhì)基片此種方法是通過(guò)降低天線等效諧振電路的Q值。一般是通過(guò)增大基片厚度，采用介電常數(shù)較小或損耗較大的基板等方法實(shí)現(xiàn)。天線的頻帶帶寬計(jì)算公式為：BW=由上式可知，帶寬與品質(zhì)因數(shù)Q成反比，因此要增大帶寬就需要減小Q值。與輻射有關(guān)的品質(zhì)因數(shù)Q值隨介質(zhì)厚度增大而減小，因此可以使用增大基片厚度來(lái)減小Q值。還可以采用大損耗基片來(lái)降低Q值。品質(zhì)因數(shù)Q計(jì)算公式如下：Q=Wmax表示天線儲(chǔ)能最大值，采用大損耗基片，增大耗散功率，則Wmax減小，Q值減小。然而耗散功率增大會(huì)使天線的輻射效率和增益下降。因此，通過(guò)Q值的因素增大帶寬是會(huì)影響天線的效率和增益的，所以通過(guò)降低Q值增大帶寬需要綜合考慮。3.2.3降低天線剖面提高天線的高度是實(shí)現(xiàn)天線寬頻帶的有房方法。在多種手機(jī)天線中，高度會(huì)很大程度上影響天線的帶寬和效率。PIFA天線，天線的垂直單元長(zhǎng)度與帶寬成正比，在設(shè)計(jì)時(shí)要求高度必須大于6.5mm，否則會(huì)嚴(yán)重影響天線性能。如Monopole形式天線，其高度也與帶寬成正比，并且設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)要求高度大于8mm。然而提高天線高度是展寬頻帶的有效辦法，但與目前主流的手機(jī)超薄機(jī)身由沖突，因此現(xiàn)在的天線都是要求降低剖面。3.3多頻段技術(shù)目前，5G網(wǎng)絡(luò)尚未全面推廣，移動(dòng)通信系統(tǒng)主要以4G為主，同時(shí)2G以及3G也還沒(méi)有被淘汰，通信行業(yè)形成了2G/3G/4G并存的局面。絕大部分智能手機(jī)都同時(shí)支持2G,3G和4G網(wǎng)絡(luò)，因此目前市場(chǎng)上的智能手機(jī)必須能夠覆蓋2G，3G和4G所支持的頻段，實(shí)現(xiàn)多頻段。目前我國(guó)手機(jī)通信頻段有GSM800，GSM1800，TD-SCDMA，WCDMA，CDMA，CDMA2000，TD-LTE，F(xiàn)DD-LTE等。我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商的通信頻段的頻率范圍如下表：表3.1中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商手機(jī)通信頻段多頻段技術(shù)就是使天線工作在多個(gè)不同的頻段同時(shí)，保證天線的各個(gè)性能指標(biāo)仍然滿足天線的設(shè)計(jì)要求。主要的性能指標(biāo)是指增益，輻射效率，駐波比以及方向圖等。目前常用的多頻段技術(shù)主要有三種，單天線多頻段，可重構(gòu)天線和MIMO天線。以上技術(shù)具體的實(shí)現(xiàn)方法有貼片開(kāi)槽技術(shù)，耦合技術(shù)，可重構(gòu)技術(shù)以及多分枝結(jié)構(gòu)等。3.3.1單天線多頻段單天線多頻技術(shù)是發(fā)展的比較成熟的多頻段技術(shù)。主要有多分支技術(shù)和單貼片的多模技術(shù)。下面介紹這兩種技術(shù)的原理。（1）多分枝結(jié)構(gòu)多分枝結(jié)構(gòu)原理是使用多個(gè)金屬貼片從而產(chǎn)生多條電流路徑，運(yùn)用多個(gè)輻射單元，每個(gè)輻射單元在相應(yīng)的頻段上工作，主導(dǎo)該頻段的諧振。因此會(huì)在多個(gè)頻段上發(fā)生諧振，從而實(shí)現(xiàn)多頻特性。諧振路徑與諧振頻率成反比，因此每個(gè)電流分支的長(zhǎng)度決定其激發(fā)諧振的頻率。如圖3.1，是一個(gè)采用多枝節(jié)技術(shù)的單極子天線，饋電腳連接的兩個(gè)不同長(zhǎng)度的枝節(jié)，因此會(huì)在兩個(gè)頻段上發(fā)生諧振，實(shí)現(xiàn)雙頻段。圖3.4雙頻單極子天線（2）單貼片的多模技術(shù)單貼片的多模技術(shù)是通過(guò)合理的布局電流的有效路徑，即諧振路徑，在同一帶線上產(chǎn)生多模諧振，從而實(shí)現(xiàn)覆蓋雙頻乃至多頻的目的。3.3.2頻率可重構(gòu)天線通過(guò)調(diào)整狀態(tài)可變的器件，從而實(shí)現(xiàn)天線性能的可重構(gòu)稱為可重構(gòu)天線?？芍貥?gòu)技術(shù)是通過(guò)使用射頻開(kāi)關(guān)或可調(diào)電容等器件，改變天線輻射片的結(jié)構(gòu)或尺寸，從而實(shí)現(xiàn)改變天線電流分布的目的，控制手機(jī)天線的工作狀態(tài)或模式的轉(zhuǎn)換。根據(jù)重構(gòu)參數(shù)不同可分為頻率，方向圖，極化等類型。然而頻率參數(shù)對(duì)手機(jī)天線是最重要的，因此在手機(jī)中主要使用的是頻率可重構(gòu)天線。如圖3.5所示，是一種頻率可重構(gòu)縫隙天線的正反面。其結(jié)構(gòu)是在薄介質(zhì)片一面鋪上接地板上并開(kāi)縫，另一面是金屬貼片。當(dāng)天線饋電之后，能量耦合進(jìn)縫隙中輻射出去。為了實(shí)現(xiàn)天線工作頻率的可重構(gòu)，在天線的縫隙中跨接7個(gè)PIN二極管開(kāi)關(guān)的方法，通過(guò)控制二極管開(kāi)關(guān)來(lái)改變天線縫隙的長(zhǎng)度，從而達(dá)到了天線的頻率可重構(gòu)[6]。PIN二極管在縫隙中的分布如圖3.6。（a）正面（b）反面圖3.5頻率可重構(gòu)縫隙天線圖3.6PIN管在縫隙分布位置3.3.3開(kāi)槽技術(shù)開(kāi)槽技術(shù)的原理是通過(guò)在輻射貼片表面或者接地板開(kāi)槽，如果開(kāi)槽的位置和大小合適，會(huì)產(chǎn)生多條電流路徑，從而引入多個(gè)諧振頻率，實(shí)現(xiàn)多頻段的目的。如果是在接地板上開(kāi)槽，還會(huì)造成Q值得下降，天線帶寬會(huì)有所增加。根據(jù)縫隙的形狀不同，可以產(chǎn)生不同的電流路徑進(jìn)而引入不同的工作模式。一般開(kāi)槽形狀應(yīng)用最多的是L型或U型。如圖3.7所示，是PIFA未開(kāi)槽和開(kāi)槽后的結(jié)構(gòu)圖。未開(kāi)槽的PIFA天線的中心頻率是900MHz，其S參數(shù)曲線如圖3.8（a）所示。為了能工作在三個(gè)頻段上，PIFA天線通過(guò)在貼片上開(kāi)雙U型槽的方法實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖3.7（b）所示。PIFA天線的金屬貼片上開(kāi)了兩個(gè)U型的槽，這兩個(gè)U型槽將貼片分成三部分，外層實(shí)現(xiàn)低頻的諧振點(diǎn)f1=900MHZ；中間部分實(shí)現(xiàn)諧振點(diǎn)f2=1800MHz，內(nèi)層實(shí)現(xiàn)諧振點(diǎn)f3=2450MHz[7]。S參數(shù)曲線如圖3.8（b）所示。（a）未開(kāi)槽（b）雙U型槽圖3.7未開(kāi)槽的PIFA天線和雙U型槽的PIFA天線（a）未開(kāi)槽（b）雙U型槽圖3.8天線S參數(shù)圖在本文的上面有提及，開(kāi)槽技術(shù)除了可以實(shí)現(xiàn)多頻段，也可以達(dá)到縮小天線尺寸目的，如曲流技術(shù)。關(guān)于手機(jī)天線設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)小型化，寬帶化，多頻段等目的，其實(shí)很多技術(shù)都是通用的。3.4低SAR隨著手機(jī)組件成為人們生活必需品，每時(shí)每刻都需要與手機(jī)相伴，人們對(duì)手機(jī)輻射是否會(huì)影響健康越來(lái)越重視。手機(jī)輻射大多是針對(duì)人體頭部，人體吸收電磁輻射過(guò)多，容易對(duì)人的神經(jīng)系統(tǒng)造成危害，引起身體不適。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)手機(jī)輻射制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范手機(jī)天線對(duì)人體的輻射的影響，即SAR。不同的國(guó)家有著自己的SAR標(biāo)準(zhǔn)，手機(jī)廠商需要根據(jù)不同的國(guó)家重新設(shè)計(jì)手機(jī)天線的各種參數(shù)指標(biāo)。如我國(guó)的SAR標(biāo)準(zhǔn)是以10g為單位平均值，限值為2W/kg。美國(guó)對(duì)SAR標(biāo)準(zhǔn)則是以1g為單位平均值，限值為1.6W/Kg。表4.1各國(guó)SAR峰值標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)美國(guó)韓國(guó)日本澳大利亞平均質(zhì)量10g1g1g10g1g峰值SAR2.0W/Kg1.6W/Kg1.6W/Kg2.0W/Kg1.6/W/KgSAR全稱SpecificAbsorptionRate，意為比吸收率，反映人在使用手機(jī)時(shí)身體對(duì)手機(jī)輻射吸收的最大功率密度，是移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)要遵循的標(biāo)準(zhǔn)。SAR的大小表明手機(jī)輻射對(duì)人體健康的影響。因?yàn)槭謾C(jī)在使用時(shí)離人體頭部最近，人體頭部是受輻射影響最大的，所以在測(cè)試SAR時(shí)主要關(guān)注這一部位。手機(jī)天線在設(shè)計(jì)時(shí)，除了要重視SAR之外還要關(guān)注TRP（全向輻射功率）。TRP與SAR一般成正比，所以在設(shè)計(jì)天線時(shí)要處理好這兩個(gè)參數(shù)的關(guān)系。在手機(jī)性能指標(biāo)檢測(cè)中，主要是檢測(cè)SAR的最大值是否符合標(biāo)準(zhǔn)，所以減小SAR值在于如何把電流分布均勻化。為了達(dá)到此目標(biāo)，不只要關(guān)注天線本身，還要關(guān)注手機(jī)整體布局。從設(shè)計(jì)的初期就對(duì)手機(jī)天線有很好的評(píng)估，要考慮天線的位置，PCB板的結(jié)構(gòu)，手機(jī)內(nèi)部對(duì)天線有影響的零部件擺放位置等等。除此之外，降低SAR可以從以下幾個(gè)方面著手:（1）發(fā)射功率。根據(jù)理論分析，手機(jī)天線的發(fā)射功率與SAR是成正比的。因此想要降低SAR，可以通過(guò)降低天線發(fā)射功率方式實(shí)現(xiàn)。手機(jī)的發(fā)射功率降低1db，SAR數(shù)值也會(huì)降低1dB，即降低0.3W/kg。在手機(jī)天線的功率滿足要求的情況下，可以適當(dāng)減小從而降低天線對(duì)人體的輻射。（2）手機(jī)天線距離人耳（臉部）的實(shí)際距離。由于手機(jī)輻射水平跟手機(jī)與人體距離成正比，并且SAR測(cè)試的是手機(jī)近場(chǎng)輻射性能，如果能盡量拉開(kāi)天線和臉部的距離，效果十分明顯。這需要從PCB和手機(jī)結(jié)構(gòu)布局上入手，開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮到的。如現(xiàn)在部分手機(jī)生產(chǎn)企業(yè)就是通過(guò)將傳輸電波的天線安裝在手機(jī)底部，增加天線與人臉的距離，避免天線位于手機(jī)上部靠近耳朵造成的人體輻射量增多。（3）貼保護(hù)層。在天線輻射片與人體之間貼反射層，保護(hù)層來(lái)減少對(duì)人體的輻射。（4）天線的種類。從減小對(duì)人體的輻射的角度，手機(jī)可以使用IFA或PIFA天線，IFA和PIFA天線都具有低SAR的特點(diǎn)。如PIFA天線把輻射方向調(diào)整到手機(jī)背面，從背對(duì)人臉的一側(cè)輻射出去，SAR數(shù)值自然就小了。另外PIFA天線在PCB進(jìn)行了鋪地，天線與人頭之間有地隔著，SAR相對(duì)也會(huì)低些。（5）使用電磁帶隙結(jié)構(gòu)（EBG）。在天線設(shè)計(jì)中，將在天線接地板中使用EBG，可以減少接地面上的表面波輻射，達(dá)到減小手機(jī)輻射的目的。如圖3.9所示，是電磁帶隙結(jié)構(gòu)與接地板的結(jié)合。圖3.10是PIFA天線加載EBG結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)的天線SAR值如圖3.11所示。未使用EBG結(jié)構(gòu)的PIFA天線的SAR最大值在1.98W/kg，而用了EBG結(jié)構(gòu)的PIFA天線的SAR最大值為1.24W/kg，可以從結(jié)果看出EBG結(jié)構(gòu)使SAR下降了37%[9]。（a）俯視圖（b）側(cè)視圖圖3.9EBG結(jié)構(gòu)圖圖3.10EBG結(jié)構(gòu)的PIFA天線（a）原始PIFA天線（b）加載EBG結(jié)構(gòu)圖3.11SAR值相比于以前的外置天線，目前使用的手機(jī)內(nèi)置天線SAR值會(huì)更低，因?yàn)樘炀€置于手機(jī)內(nèi)部，對(duì)電磁輻射有PCB板和反射層進(jìn)行阻隔。綜上所述，降低手機(jī)天線SAR的方法為：在保證發(fā)射功率情況下，控制天線的方向圖或?qū)椛溥M(jìn)行阻隔，降低天線向人臉?lè)较虻妮椛洹?.5穩(wěn)定性天線的穩(wěn)定性是指天線的特性不隨外界環(huán)境，時(shí)間的變化而大幅度改變。穩(wěn)定性可以進(jìn)行測(cè)量，主要是確定天線的各種特性在不同環(huán)境，隨時(shí)間變化的關(guān)系。穩(wěn)定性是衡量手機(jī)天線質(zhì)量的關(guān)鍵，是決定智能手機(jī)對(duì)信號(hào)的接收和發(fā)送能力好壞的標(biāo)準(zhǔn)。因此，手機(jī)天線需要用實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，保證其穩(wěn)定性。天線的穩(wěn)定性試驗(yàn)有高低溫試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)，淋雨試驗(yàn)，風(fēng)載試驗(yàn)和功率試驗(yàn)等。最后通過(guò)穩(wěn)定性試驗(yàn)前后的指標(biāo)曲線的重合度來(lái)判斷天線性能的穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析：（1）輻射參數(shù)對(duì)工藝及電路不敏感，而電路參數(shù)則相反。在設(shè)計(jì)天線時(shí)，調(diào)試過(guò)于頻繁會(huì)對(duì)電路參數(shù)造成影響。（3）輻射參數(shù)在測(cè)試時(shí)需要不受雜波干擾,對(duì)測(cè)試的環(huán)境要求很高，比如微波暗室就能滿足要求。而電路參數(shù)進(jìn)行測(cè)試比較簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼘?duì)測(cè)試環(huán)境要求低。（3）電路參數(shù)互調(diào)量級(jí)小，對(duì)測(cè)試方法，測(cè)試設(shè)備及環(huán)境敏感波動(dòng)大，不適合統(tǒng)計(jì)評(píng)估。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般用電路參數(shù)中的電壓駐波比（VSWR）和隔離度作為衡量天線穩(wěn)定性的參數(shù)。通過(guò)比較穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)前后的天線駐波比曲線，如果曲線基本吻合代表天線穩(wěn)定性良好，反之實(shí)驗(yàn)前后駐波比曲線偏差較大，則該天線穩(wěn)定性差。電壓駐波比是表示天線阻抗和傳輸線的特性阻抗的失配程度。當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射波，此情況稱為失配。當(dāng)阻抗完全匹配時(shí)，沒(méi)有反射波，此時(shí)電壓駐波比等于1，這是理想狀態(tài)，而事實(shí)上一定會(huì)存在反射，所以電壓駐波比一般大于1。電壓駐波比越大，失配程度越高，天線的反射波越大。手機(jī)廠商在設(shè)計(jì)手機(jī)天線時(shí)，一般要求VSWR<2。電壓駐波比公式如下：VSWR=U上式中Γl稱為反射系數(shù)，定義為反射波電壓與入射波電壓之比。天線的電壓駐波比系數(shù)直接決定天線整體性能的好壞，因此保證電壓駐波比在各種情況下的不變性是衡量天線穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。改善天線的電壓駐波比來(lái)增強(qiáng)天線的性能，主要通過(guò)改變天線的尺寸，結(jié)構(gòu)和使用負(fù)載匹配電路等方法實(shí)現(xiàn)。天線隔離度是指一個(gè)天線發(fā)射信號(hào)，通過(guò)另一個(gè)天線接收的信號(hào)與該發(fā)射天線信號(hào)的比值。隔離度高則天線的穩(wěn)定性會(huì)相對(duì)較好。導(dǎo)致天線隔離度低的原因主要是饋電端口之間的電磁耦合，分為空間耦合和表面波耦合。提高手機(jī)天線隔離度就是減少各種干擾對(duì)天線的影響。提高隔離度的措施有三種，第一種是要有恰當(dāng)?shù)奶炀€布局。通過(guò)增大間距或者避免方向上和干擾源面對(duì)面，減小了空間耦合和表面波耦合，這是最常用的辦法；第二種就是在發(fā)射端增加濾波器或者在接收端干擾來(lái)的方向上加金屬隔離網(wǎng)做屏蔽；第三種就是天線之間不共地，這樣表面波不會(huì)到另一個(gè)天線端口，避免了表面波耦合，只存在空間耦合。4手機(jī)天線仿真目前，供天線工程師們選擇的天線仿真軟件非常多，有ANSYSHFSS，ADS，CST等等。雖然它們都可以用于仿真天線，然而它們的核心算法是不一樣的。實(shí)際上來(lái)說(shuō)，雖然核心算法不一樣，但其實(shí)都是解決一樣的問(wèn)題，得出的仿真結(jié)果也大同小異。有區(qū)別的地方在于不同工具的使用效率。因此本文使用目前較為流行的HFSS軟件進(jìn)行天線仿真，并在使用之后總結(jié)HFSS的優(yōu)缺點(diǎn)。4.1HSSF仿真ANSYSHFSS軟件全稱HighFrequencyStructureSimnlator，目前是ANSYS公司下的一款用于射頻和無(wú)線設(shè)計(jì)的三維電磁場(chǎng)模擬器，也是目前市場(chǎng)上占比較高的電磁仿真軟件。它的核心算法是切向矢量有限元法，可利用此軟件對(duì)設(shè)計(jì)的天線模型進(jìn)行仿真，添加求解設(shè)置后可以獲得各種處理結(jié)果，如天線的增益，反射系數(shù)圖，阻抗系數(shù)圖，天線方向圖以及電磁場(chǎng)的分布。還可以通過(guò)算法求得由于材料和輻射帶來(lái)的損耗。本文使用的是ANSYSHFSS16版本。HFSS16版本進(jìn)行了大更新，ANSYS公司將hfss，maxwell，q3d等集成到ANSYSElectronicsDesktop中，ANSYSElectronicsDesktop成為了強(qiáng)大的產(chǎn)品集成軟件。因此本次天線仿真使用的軟件其實(shí)是ANSYSElectronicsDesktop。ANSYSElectronicsDesktop中使用HFSS仿真界面如圖4.1。圖4.1HFSS工作界面4.1.1IFA天線理論尺寸設(shè)計(jì)本文主要使用ANSYSElectronicsDesktop軟件對(duì)工作在wifi頻段的IFA天線進(jìn)行仿真，測(cè)試IFA天線的各種特性參數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖2.2。wifi頻段是2.412GHz-2.472GHz，取中間值2.45GHz作為天線諧振。天線真空波長(zhǎng)計(jì)算公式如下：λ=cf由于IFA印刷天線是印在PCB上的，所以IFA天線是一半裸露在空氣中，一半在PCB上。本次IFA天線的介質(zhì)板使用的是FR4材料，介電常數(shù)為4.4。則介質(zhì)中波長(zhǎng)計(jì)算公式如下：λε=λελ4=30.5mmλε由于IFA天線尺寸滿足L+H=λ/4，則天線尺寸L+H長(zhǎng)度應(yīng)大于λε/并且小于λ/4，因此取22mm。天線的尺寸變量設(shè)置如下：L=16mm，H=6mm，D=5mm，W=1mm。圖4.2IFA天線結(jié)構(gòu)圖4.3IFA天線建模圖形4.1.2建立工程模型一、運(yùn)行ANSYSElectronicsDesktop，建立工程運(yùn)行ANSYSElectronicsDesktop軟件，點(diǎn)擊菜單欄Project下的InsertHFSSDesign，建立工程。3D仿真模塊如下圖。圖4.43D仿真模塊二、設(shè)置求解模式在使用HFSS設(shè)計(jì)天線時(shí)，常用的求解模式有兩種，分別是ModelDriven和DrivenTerminal。其中ModelDriven是以模式為基礎(chǔ)計(jì)算S參數(shù)，DrivenTerminal以終端為基礎(chǔ)計(jì)算多導(dǎo)體傳輸線端口的S參數(shù)。本次PIFA天線設(shè)計(jì)中，選用終端驅(qū)動(dòng)求解模式。點(diǎn)擊菜單欄HFSS下的SolutionType，選擇DrivenModel，即終端驅(qū)動(dòng)求解類型。圖4.5設(shè)置求解類型三、建立天線模型1、天線尺寸單位點(diǎn)擊主菜單欄Modeler，在下拉菜單中點(diǎn)擊Units，選擇mm單位。圖4.6天線尺寸單位2、設(shè)置天線變量點(diǎn)擊主菜單欄HFSS下拉菜單中DesignProperties。點(diǎn)擊當(dāng)前界面下的Add添加變量，界面如圖4.7。需要設(shè)置的變量有IFA天線的L=16mm,H=6mm,D=5mm,W=1mm；介質(zhì)板長(zhǎng)，寬，厚度分別為SX=40mm,SY=50mm,SubH=1mm；真空波長(zhǎng)Lam=122mm。使用變量?jī)?yōu)點(diǎn)在于以后天線進(jìn)行改版，可以在變量處直接對(duì)天線尺寸進(jìn)行修改和優(yōu)化。圖4.7設(shè)置變量3、天線模型結(jié)構(gòu)（1）創(chuàng)建介質(zhì)板substrate工具欄中，點(diǎn)擊平面下拉框選擇xy平面。點(diǎn)擊主菜單欄的Draw，在下拉菜單中點(diǎn)擊Box。雙擊左側(cè)菜單BOX，重命名為substrate。點(diǎn)擊Material右側(cè)的edit，在彈出的界面中選擇fr4_epoxy作為介質(zhì)材料，點(diǎn)擊確定。顏色設(shè)置為綠色，透明度設(shè)置為0.4。雙擊3D模型窗口左側(cè)對(duì)應(yīng)的CreateBox，設(shè)置頂點(diǎn)坐標(biāo)為（-25mm，10mm，0mm）。長(zhǎng)和寬尺寸分別設(shè)置為XSize=SX，YSize=-SY，ZSize=-SubH。圖4.8介質(zhì)板（2）創(chuàng)建天線Antenna工具欄中，點(diǎn)擊平面下拉框選擇xy平面。點(diǎn)擊主菜單欄的Draw，在下拉菜單中點(diǎn)擊Rectangle。雙擊左側(cè)的Rectangle1，將模塊重命名為Antenna，顏色設(shè)置為紅色，透明度設(shè)置為0.4。雙擊左側(cè)createRectangle，設(shè)置頂點(diǎn)坐標(biāo)為（0mm，0mm，0mm）。XSize和YSize分別設(shè)置為變量W和H，重復(fù)上述步驟，分別創(chuàng)建Antenna2，Antenna3，Antenna4。Antenna2設(shè)置頂點(diǎn)坐標(biāo)為（0mm，Hmm，0mm），XSize和YSzie分別為-L和-W。Antenna3設(shè)置頂點(diǎn)坐標(biāo)為（Wmm，Hmm，0mm），XSize和YSzie分別為D和-W。Antenna4設(shè)置頂點(diǎn)坐標(biāo)為（W+Dmm，Hmm，0mm），XSize和YSzie分別為W和-H。然后進(jìn)行合并操作，如圖4.9所示，將Antenna，Antenna2，Antenna3，Antenna4合并。按住ctrl鍵點(diǎn)擊選中四段Antenna，然后點(diǎn)擊工具欄中的unite。合并后如圖4.10所示。圖4.9合并模型圖4.10天線模型（3）創(chuàng)建地平面GND工具欄中，點(diǎn)擊平面下拉框選擇xy平面。點(diǎn)擊主菜單欄的Draw，在下拉菜單中點(diǎn)擊Rectangle。雙擊左側(cè)的Rectangle，將模塊重命名為GND，顏色設(shè)置為黃色，透明度設(shè)置為0.4。設(shè)置頂點(diǎn)坐標(biāo)為（-25mm，0mm，-SubHmm）。XSize和YSize分別設(shè)置為變量SX和-(SY-10mm)。圖4.11地平面創(chuàng)建GND2。選擇XZ平面，Draw->Rectangle。雙擊左側(cè)的Rectangle，將模塊重命名為GND，顏色設(shè)置為紅色，透明度設(shè)置為0.4。設(shè)置頂點(diǎn)坐標(biāo)為（W+Dmm，0mm，0Hmm）。XSize和ZSize分別設(shè)置為變量W和-SubH。然后按住ctrl選中Antenna和GND2，點(diǎn)擊unite進(jìn)行合并。結(jié)構(gòu)如圖4.13。將天線和接地面的材料都設(shè)置為銅。按住ctrl鍵選中左側(cè)的Antenna和GND，右鍵AssignBoundary->FiniteConductivity。在彈出界面勾選useMaterial，單擊vacum。彈出界面如圖4.12。選中銅材料copper，點(diǎn)擊確定即可。圖4.12設(shè)置材料圖4.13接地腳（4）設(shè)置激勵(lì)創(chuàng)建饋電腳port。選擇XZ平面，Draw->Rectangle。雙擊左側(cè)的Rectangle，將模塊重命名為GND，顏色設(shè)置為紅色，透明度設(shè)置為0.4。。設(shè)置頂點(diǎn)坐標(biāo)為（0mm，0mm，0Hmm）。XSize和ZSize分別設(shè)置為變量W和-SubH。如圖4.15選中port，右鍵Assign->Excitation->LumpedPort。彈出界面如圖4.14，勾選GND，將地GND設(shè)置為參考平面。圖4.14設(shè)置參考平面圖4.15設(shè)置饋電腳（5）創(chuàng)建空間盒子AirBox工具欄中，點(diǎn)擊平面下拉框選擇xy平面。點(diǎn)